电能质量监测仪的硬件设计_开题报告

摘要：随着我国国民经济的飞速发展，工业化、信息化不断水平提高，各处的用电负荷急剧上升，换流装置在许多领域都受到了广泛应用，各种冲击性和非线性负荷日益增多，这些非线性负荷会造成三相不平衡等电能质量问题，对电力系统安全运行造成严重危害。针对这一问题，本文设计了一种能够测量分析电能质量的基于ARM的电能质量监测仪。

电能质量包括电流、电压、频率、有功功率、无功功率等基本参数，本装置通过实时测量与计算这些参数，对电能的实时质量指标进行分析，为电力部门的电能质量监测工作提供强有力的信息支持。

本文总体上是对基于ARM的电能质量检测仪的硬件部分进行设计。硬件上采用了模块化设计，主要分为CPU模块、扩展储存器模块、模数转换器模块、调理模块、电源模块和JTAG调试模块。

经过此设计，本装置可实现对电能质量的实时监测，有助于实现电能管理的高效化与信息化，有利于国民经济又好又快发展。

研究背景

近年来，随着我国社会与经济的飞速发展，电力电子技术水平不断提升，电能质量的问题也越来越受到重视。电力用户为保证自己的系统、设备或仪器的正常运行，也对电能的质量提出了更高的要求。一方面，各种因为技术进步而产生的精密复杂的电力电子设备，例如大型计算机、自动化生产控制系统以及远程通讯设备等被大量运用于人类的生产生活，这就不得不需要高质量与高可靠性的配电系统，为其提供符合要求的电能。另一方面，也正因为各种电力电子器材大量运用于人类的生产活动与日常生活，电力的负荷正在急剧加大，特别是各种冲击性和非线性负荷的容量不断扩展，如：电弧炉、电气化铁路中的电力机车、水盐电解的硅整流装置、电机拖动用的整流电源、交流调压装置及各种广泛应用的变频调速装置等等，这些非线性负荷造成电力系统电压波动、电流波形畸变、闪变或者三相不平衡等严重的电能质量问题，这些问题会对电力系统正常运行造成重大的危害，如：造成电机附加损耗、引发自动安全保护装置的误动、发热和机械振动使电容器过热，干扰通讯线路等。再者，随着电力工业的不断进步，电网的不断扩展，电力系统的正常运作对电力调度自动化水平和安全性的要求也越来越高，电力调度工作也需要各种操作更简便、功能更齐全的电力检测仪器设备。

我国相关部门对电能质量的问题也十分重视，为了加强对电力质量问题的监测、管理及治理，近年来相继颁布了许多与电力质量相关国家标准，如：GB/T15945-2008《电能质量 电力系统频率偏差》、GB/T 12325-2008《电能质量 供电电压偏差》、GB/T15543-2008《电能质量 三相电压不平衡》、GB/T14549--93《电能质量 公用电网谐波》、GB/T 24337-2009《电能质量 公用电网间谐波》以及GB/T 12326-2008《电能质量 电压波动和闪变》等。

自党的十七大召开以来，党中央已经明确提出要转变经济的发展方式，把建设能源节约型、环境友好型社会作为新阶段社会主义建设的工作重点。高质量的电能能够减少生产生活中用电设备的能源浪费，延长其使用的寿命，对节能和环保都有重大的作用。

表1.1即为电能质量的主要类型。

表1.2为电能质量问题对生产的影响。

表1.1  电能质量的主要类型

表1.2  电能质量问题对生产的影响

研究目的及意义

电能是现代文明的标志，电能的质量对社会生产生活有重大的影响，在电力用户对电能质量的要求不断提高的大背景下，本文所设计的电能质量监测仪应运而生。本系统可实时采集详细的电能质量数据，方便了电能使用的管理与规划，电能质量监测仪的设计有重要的意义：

（1）人与自然和谐发展是当今社会的主题，合理分配电能，通过本系统快速找到电能存在中的问题与隐患，就能及时有效地进行处理与修正，减少了不必要的能源浪费与电器损耗，符合科学发展观的要求。

（2）本设计以LPC2468为核心，采用的器件数量较少，结构简单，技术成熟可靠，不易受干扰，维护修理容易，便于携带，同时运算精度高，反应快，能满足实时采样的需要，对有效降低成本和大规模生产有普及重要的意义。

（3）本设计拥有多个调理电路，可以实时采集并运算出所需的质量参数，如电压频率、三相电压不平衡度、电网2-63次谐波电压和谐波电流、电压波动与闪变、电压偏差、电流电压的基波有效值、有功功率、功率因数等国标中规定的电能质量参数。能够为电能的管理提供可靠的依据，便于合理用电、节能减排。

国内外现有的研究成果

1.3.1 国外研究成果

国外与电能质量监测相关的研究正在广泛而深入地开展，从对所适用的功率理论进行扩展，到建立评价电能质量的体系标准；从电能质量进行全国性的普查到定义用户终端电气环境；各种针对电能质量问题的分析方法不断被提出，各种电能质量控制技术的研究和设备的开发制造正在稳步进行。1996年，美国电气和电子工程师协会(IEEE) 将每两年召开一次的电力谐波国际学术会议更名为电力谐波与电能质量学术会议，将电能质量提升到了一个全新的高度来认识。

前期的电能质量监测技术主要是以直接测量模拟量为主。20世纪50年代，数字电子技术与微电子技术的发展，促进了电能质量监测技术及其仪表技术的大发展，老式的模拟式电测量仪表逐渐被数字式仪表所代替。1974年出现了电压、电流波形等新的采样技术，使数电技术在测量领域中运用越来越广泛，这也成为电能监测与仪表技术的发展进入中期阶段的重要标志。在这一阶段，以微机、独立操作系统、标准总线结构为特征，可相互通讯、可扩展式的仪器极其相应的技术得到了迅速的发展。20世纪80年代中期以来，相关的测量技术进入了飞速发展的新阶段。大规模集成电路技术的出现发展使得芯片体积大大缩小，可以植入传统仪器内部，使仪器可以独立地进行存储、运算、控制、逻辑运算及自动运行等自动化的特点，并在测量准确度、灵敏度、可靠性等方面均有了长足的进步。

目前国外常用的电能质量监测仪如图1.1~图1.4所示。

图1.1  法国施耐德公司的ION7650                图1.2  以色列ELSPEC公司的G4400

图1.3  瑞典联合电力公司的UP-2210              图1.4美国福禄克公司的F1760

1.3.2 国内研究成果

目前，国内在电能质量监测方面，大多还是局限在如何解决谐波问题，已经提出和开发了一些监测和改善电能质量的补偿装置，就总体而言，我国对电能质量监测装置的研制与开发还处在起步阶段，与国外相比有明显的差距，国内生产厂家的生产的监测设备大多是采用单片机来实现的，其主要优点是实现容易、构成简单、成本低。

目前国内常用的电能质量监测仪如图1.5~图1.7所示：

图1.5  武汉锐拓普电力的RT-PQ1100             图1.6  保定三伊方长的SF DZ-3

图1.7  武汉中试高测电气的ZS3590

本文内容和章节安排

本设计使用ARM7TDMI内核的LPC2468芯片作为硬件的核心，再加上AD转换器、容量为1MB的SRAM存储器和调理电路构成了电能检测仪的硬件部分。硬件部分主要执行的任务是，采集三相电流与电压的值，将其转化为数字量输入LPC2468进行运算，之后输入SRAM中方便存取。

本设计具体的章节内容安排如下：

第一章：介绍电能监测仪的研究背景、研究目的与意义以及其在国内外发展现状。

第二章：详尽地介绍了电能质量监测仪的主要部分硬件设计。首先深入分析要实现的功能，画出硬件的总体结构框图，并将系统分成数个模块。然后再对每个模块要求实现的功能进行逐一具体分析，根据相应的需要选出符合要求的芯片，之后对芯片的基本情况与参数进行介绍，并画出原理图，之后结合原理图详细描述与分析设计的内容。

第三章：对电能监测仪的主要硬件功能模块之外必需的附属硬件模块进行分析与设计。

第四章：对电能监测仪的整个设计工作的全部过程进行梳理，总结经验教训，并对电能监测仪新的发展做出了展望。

2主要硬件模块设计

2.1 硬件总体设计方案

2.1.1 电能质量监测仪功能介绍

2.1.2 系统硬件总体设计框图

2.2 CPU硬件设计

2.2.1 ARM微处理器简介

2.2.2 LPC2468模块设计

2.3 模数转换器模块设计

2.3.1 AD7656元件简介

2.3.2 AD7656模块设计

2.4 扩展SRAM模块设计

2.4.1 LY6251216元件简介

2.4.2 SRAM模块设计

调理模块设计

3附属硬件模块设计

3.1 电源模块设计

3.2 JTAG调试接口模块设计

复位与实时时钟模块设计

4总结与展望

4.1工作总结

4.2 工作展望

5实施计划

2018年3月15日至3月23日  确定选题，收集相关资料。

2018年3月24日至4月5日  撰写开题报告。

2018年4月8日至4月25日  收集资料，开展研究，形成^范文初稿。

2018年4月28日至5月17日  在指导老师指导下完成^范文修改，定稿。

2018年5月20日至5月21日  ^范文答辩。

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