基于AT32UC3A0512實(shí)現(xiàn)廣域電網(wǎng)的層次化電能質(zhì)量檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

一、項(xiàng)目概述

1.1 引言

電能質(zhì)量定義為導(dǎo)致用電設(shè)備故障或不能正常工作的電壓、電流或頻率的偏差。電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)是保證電力系統(tǒng)安全可靠和經(jīng)濟(jì)優(yōu)質(zhì)運(yùn)行的技術(shù)支撐。隨著市場經(jīng)濟(jì)和電器設(shè)備的發(fā)展，電能質(zhì)量受到供電企業(yè)和電力用戶的共同關(guān)注。供電企業(yè)可對不同的電能質(zhì)量劃分等級、分別定價(jià)；用戶可根據(jù)設(shè)備及生產(chǎn)工藝選擇不同質(zhì)量的電能。因此電能質(zhì)量分析儀成為熱點(diǎn)產(chǎn)品。

1.2 項(xiàng)目背景/選題動(dòng)機(jī)

目前產(chǎn)品多表現(xiàn)為單獨(dú)的電能質(zhì)量檢測儀器，只能用于某時(shí)某地的檢測，分析預(yù)測及智能性不強(qiáng)。隨著數(shù)字信號處理理論及器件的發(fā)展，對電能參數(shù)進(jìn)行深入分析成為可能，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為遠(yuǎn)程定位、時(shí)鐘同步等功能提供了低成本的實(shí)現(xiàn)方法。

本項(xiàng)目利用AT32UC3A0512實(shí)現(xiàn)了廣域電網(wǎng)的層次化電能質(zhì)量檢測系統(tǒng)，對供電企業(yè)和用戶都有重要的意義。系統(tǒng)由兩部分組成：一是獨(dú)立的電能質(zhì)量分析儀，區(qū)別于目前的產(chǎn)品提高了分析檢測指標(biāo)，并增加了功率因數(shù)補(bǔ)償功能，可降低用戶的成本。二是實(shí)現(xiàn)了電能質(zhì)量分析儀的局域網(wǎng)接口，可用于用戶的多點(diǎn)隨時(shí)檢測。

二、需求分析

2.1 功能要求

整個(gè)系統(tǒng)由監(jiān)控總站、監(jiān)控終端三部分組成。系統(tǒng)比較龐大，實(shí)現(xiàn)了主要功能。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 性能要求

本項(xiàng)目基于EAT32UC3A0512的AVR EVK1100設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了層次化電能質(zhì)量檢測儀。首先是本地電能質(zhì)量監(jiān)測儀，能測量電力線的電壓偏差、閃變、不平衡度、諧波、頻率、無功功率等電能質(zhì)量參數(shù)，并實(shí)現(xiàn)了功率因數(shù)的自動(dòng)補(bǔ)償；其次利用AT32UC3A0512的MAC功能實(shí)現(xiàn)了局域網(wǎng)內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，重點(diǎn)是IP地址的自動(dòng)獲取、設(shè)備和服務(wù)的廣播及發(fā)現(xiàn)等，通過分析網(wǎng)絡(luò)中不同監(jiān)測點(diǎn)的參數(shù)實(shí)現(xiàn)故障的定位；具有技術(shù)先進(jìn)行和功能實(shí)用性。

三、方案設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)原理

系統(tǒng)整體原理框圖如上所示

在EVK100上實(shí)現(xiàn)層次化電能質(zhì)量檢測儀，主要擴(kuò)展電網(wǎng)接口板?；驹砣缦聢D所示。另外增加的功率因數(shù)補(bǔ)償功能從硬件上需要增加電力電容切換接口板，其原理如下所示。

電網(wǎng)接口板硬件結(jié)構(gòu)框圖

電容切換原理圖

3.2 硬件平臺(tái)選用及資源配置

EVK1100是一個(gè)基于AVR32 AT32UC3A單片機(jī)控制器的評估套件和開發(fā)系統(tǒng)。它配備一系列豐富的外設(shè)、內(nèi)存，可充分開發(fā)AVR32設(shè)備的全部潛能。支持AT32UC3A、以太網(wǎng)端口、傳感器（光照、溫度、電位器）、4x20藍(lán)色LCD（PWM變頻背光）、JTAG連接器、Nexus、USART、USB 2.0接口，TWI接口、SPI。本設(shè)計(jì)充分挖掘EVK1100的基本功能，并結(jié)合了最新的技術(shù)發(fā)展，主要體現(xiàn)在：

1、 利用網(wǎng)絡(luò)接口實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程連接。

2、 利用USB接口實(shí)現(xiàn)了采集數(shù)據(jù)的存貯功能。

3、 利用串口連接PC實(shí)現(xiàn)設(shè)備控制和調(diào)試控制。

4、 利用模擬量和數(shù)字量實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)檢測等功能。

遺憾的是模塊本身配置的顯示功能不夠強(qiáng)大，只能顯示文本信息。若能配置高端顯示模塊可實(shí)現(xiàn)波形顯示、現(xiàn)實(shí)模擬等功能，更具有使用價(jià)值。但基于EVK1100模塊可通過網(wǎng)絡(luò)在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)這些功能。

3.3系統(tǒng)軟件架構(gòu)

整個(gè)軟件從功能上分為兩部分：一是本地電能質(zhì)量分析儀的功能，二是網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。

電能質(zhì)量參數(shù)的測量。采用準(zhǔn)同步采樣和時(shí)間累積平均的方法計(jì)算參數(shù)。省掉了采樣的同步環(huán)節(jié)，增加采樣點(diǎn)和采樣周期數(shù)再進(jìn)行數(shù)值積分運(yùn)算就可獲得采樣信號平均值的高準(zhǔn)確度估計(jì)，可得到很好的結(jié)果。功率計(jì)算中瞬時(shí)乘積包含有二次諧波項(xiàng)，如果電壓電流通道存在失調(diào)值，乘積中還有基波分量，這些都可以歸為干擾信號，基波項(xiàng)的幅值一般很小，但二次諧波項(xiàng)的幅值是電壓電流幅值相乘比較大。使用數(shù)值積分方法會(huì)存在截?cái)嗾`差，且增大了誤差變化范圍。因此在功率通道中，乘積之后首先經(jīng)過一個(gè)二階低通濾波器使高次諧波分量幅值大大減小，且不改變各次諧波的周期，而對于直流分量即需要提取的數(shù)值沒有影響。濾波輸出包含各次諧波功率，因此這種濾波器設(shè)計(jì)符合全功率測量。低通濾波器的指標(biāo)為：通帶邊緣頻率10Hz，通帶波動(dòng)系數(shù)0.001，阻帶邊緣頻率90Hz，衰減系數(shù)0.3。

網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用方面，EVK1000本身有以太網(wǎng)接口，并且其DEMO程序中有http協(xié)議的實(shí)現(xiàn)代碼，可以修改利用。

3.4 系統(tǒng)軟件流程

本地測量程序運(yùn)行流程圖

3.4 系統(tǒng)預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)結(jié)果

1、實(shí)現(xiàn)本地電能質(zhì)量測量，實(shí)現(xiàn)國標(biāo)中的參數(shù)測量。

2、實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)的自動(dòng)補(bǔ)償。

3、實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接，通過網(wǎng)絡(luò)測量電能質(zhì)量參數(shù)。