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摘 要：电能质量监测仪是一种用于监测电网运行状态的的工业仪表。它能实时提供电压、电流、有功功率、无功功率、频率等电能质量的基本参数，而且能对电力系统的谐波、三相电压不平衡度、电压波动和闪变等电能质量指标进行分析，为电力部门对电能质量的监测提供了强有力的支持。
本文主要研究分析谐波对电力系统的影响，实现电能质量参数快速、准确监测的硬件系统的设计，主要包括以下基本功能模块的设计：单片机微处理器模块，数据测量与转换电路，计算并送终端设备显示电路，通信转换电路等。
关键词：电力系统；电能质量监测；谐波
引言
电能是现代社会最为广泛使用的能源，电能质量关系到各行各业和人民生活用电，关系到国民经济总体效益。随着科学技术的进步和生产过程的高度自动化，各种设计精密对电能质量要求较高、较为敏感的用电设备也随之越来越多。因此，探讨和分析电能质量相关问题具有很强的现实意义。
1.简述电能质量指标的算法、测量和分析方法
衡量电能质量的主要指标有频率偏差、电压偏差、电压波动和闪变、电压三相不平衡、谐波和间谐波等。电能质量各项指标的计算建立在数据采集的基础上，本装置通过高速率采样达到高精度要求，以128点作为一个工频周期内每个通道的采样点。电能质量的分析方法主要有时域仿真法、频域分析方法和基于变换的方法。下面分别详细介绍相关的算法。
（1）供电频率的测量：采用周期法结合小波去噪的方法。
（2）电压合格率的检测：根据电压有效值的计算和模拟得出，
（3）电压波动和闪变的测量：
其中A为电压幅值，mi为 调幅波的幅度值， 为电网上基波电压的角频率值， 为调幅波i的角频率值，I为调幅波序号值， 为基波电压初相角， 为调幅波初相角。
（4）三相不平衡的测量： 。其中U1为三相电压正序分量的均方根值，U2为三相电压负序分量的均方根值。
（5）谐波含量情况的测量：
2. 电能质量监测系统硬件设计
2.1 同步采样监测系统的要求
国家电能质量的相关标准规定：谐波测量需测量谐波次数范围为从第2～63次。即每个电网谐波采样128点即可满足测量要求。因此，我们可采用锁相倍频电路将输出信号进行128倍分频，严格与输入信号同步，压控振荡器产生128倍频同步触发信号，控制采样及保持电路进行A/D转换，从而快速的检测出谐波分量并满足计算的精度和实时性的要求。图2-1为此部分的硬件原理图。
图2-1 同步采样硬件原理图
2.2 电能质量监测系统的硬件结构实现
本次硬件设计的模块包括单片机微处理器模块，数据测量与转换电路，计算并送终端设备显示电路，通信转换电路等。同时采用DSP+MCU的设计方案，采用芯片ATT7022b完成电能计量工作，AT89C51单片机作为系统的MCU实现控制功能。
次设计的思路是三相电流和三相电压经过采样电路，送入电能计量芯片ATT7022B，经过A/D采样转化，进行DSP处理，得到所需功率值，再通过SPI接口，送入单片机，单片机读取数据后，存储到外接的存储器中，并将结果显示出来。
2.2.1 数据采集模块
为了将电网和芯片进行隔离，增加其抗干扰性能力。我们选取电压互感器的规格应该是220V/0.5V，电流互感器的规格是1.5mA/5mA，精度是0.1级。额定电压、电流输入时，电压、电流通道差动输入电压有效值分别在0.5V、0.1V左右。采样电路主要包括以下几个部分：电压、电流互感器、抗混叠滤波器、参考电压。信号的采样过程是：采集到的电压、电流信号从从互感器出来，经由1.2k的电阻和0.01uF的电容构成的滤波器滤波后，把干扰信号消除掉，疊加一个参考电压信号，再经输入端送入ATT7022B的A/D转换器中进行A/D转换。
2.2.2 SPI接口电路
ATT7022B芯片通过6条连线和单片机相连，其中SPI接口线有4条，分别为CS、SCLK、DIN和DOUT，RESET1是ATT7022B的复位控制线，ATT7022B还有1条握手信号线SIG。单片机控制ATT7022B的RESET信号，当ATT7022B芯片在上电和单片机复位后，其将和单片机进行同步工作。
2.2.3 液晶显示电路
本设计的显示部分采用6位8段数码管显示，用74LS245来驱动数码管，用晶体管来控制每位数码管的位选，单片机P22～P27口的输出是高电平还是低电平来导通三极管使数码管被位选则由程序来控制。
2.2.4 串行通讯接口
本次设计选择MAX232芯片，外接四个电解电容C26、C27、C28、C29。 计量芯片在处理完后，自动的将所得的结果传给PC机，以便查询。根据这一特点我们利用单片机串口与pc机的串行接口进行串行通信。通信模块在系统中作为上位机使用，实时读取各种电力参数值及预置监测装置内部寄存器的值。
2.2.5 控制模块电路
此次设计我们采用的控制芯片是AT89C51，其内置P0口是双向三态I/O口，我们将其到连接LED以显示输出，其中P2.2-P2.7用于连接显示电路的位控，P1.0与P1.1外接存储器，P1.3-P1.7口与SPI接口相连，RXD与TXD用来实现串行通讯连接即作为单片机和外接PC机的数据读取通道。P12为蜂鸣器接口，当P12输出高电平时，晶体导通，蜂鸣器开始鸣叫同时两端获得5V电压，当P12输出低电平时，晶体管截止，蜂鸣器立刻停止鸣叫。
2.2.6 存储器电路
EEPROM也叫电可擦可编程只读存储器，其最大的特点是可以在掉电的情况下保存数据，它有特定的引脚来施加特定电压或使用特定的总线擦写命令，简而言之其就是能在在线的情况下很方便的完成数据的写入和擦除。本课题使用24C64来作为外接存储器。
其中图上显示的A0-A2用来设置芯片的器件地址，当遇到同一条总线上包含多个器件时，我们一般通过设置A0-A2引脚的值来确定器件地址。其中SDA为串行数据引脚，其主要作用为在芯片读写时承担输入工作、输出数据或地址等，这个引脚是双向的，由于它是漏极开路的，故我们在使用时需要人为的加一个上拉电阻。SCL引脚用来仪器的同步串行时钟信号的输入，WP引脚是写保护脚。在使用过程中我们一般将24c64的SCL和SDA引脚分别加上拉电阻后接到单片机的P10和P11，由程序控制其读写。
3.结束语
如何提高和保证电能质量己经成为当前我国电力系统面临的重要问题，开展相关电能质量监测与分析，为电能质量的改善提供统计上的参考依据，具有十分重要的意义。
在电能质量检测仪器硬件设计中，采用了TI公司的MSP430F449单片机，具有丰富的片内外设、高性能价格比与低功耗的特点，采用的外围器件在满足性能要求的基础上也力求低功耗。将单片机技术用于电能质量的检测，具有硬件结构简单，软件开发周期短，功能扩展灵活等优点。当然电能质量监测是一个极其复杂的系统，由于时间原因和知识储备的有限，本文仅对检测系统的硬件部分做了设计，仅对基本的电力参数及电能质量指标的测量进行了分析，此外还有其他重要的电能质量指标的测量方法和理论需要进一步进行研究。
本文主要研究分析谐波对电力系统的影响，实现电能质量参数快速、准确监测的硬件系统的设计，主要包括以下基本功能模块的设计：单片机微处理器模块，数据测量与转换电路，计算并送终端设备显示电路，通信转换电路等。
关键词：电力系统；电能质量监测；谐波
引言
电能是现代社会最为广泛使用的能源，电能质量关系到各行各业和人民生活用电，关系到国民经济总体效益。随着科学技术的进步和生产过程的高度自动化，各种设计精密对电能质量要求较高、较为敏感的用电设备也随之越来越多。因此，探讨和分析电能质量相关问题具有很强的现实意义。
1.简述电能质量指标的算法、测量和分析方法
衡量电能质量的主要指标有频率偏差、电压偏差、电压波动和闪变、电压三相不平衡、谐波和间谐波等。电能质量各项指标的计算建立在数据采集的基础上，本装置通过高速率采样达到高精度要求，以128点作为一个工频周期内每个通道的采样点。电能质量的分析方法主要有时域仿真法、频域分析方法和基于变换的方法。下面分别详细介绍相关的算法。
（1）供电频率的测量：采用周期法结合小波去噪的方法。
（2）电压合格率的检测：根据电压有效值的计算和模拟得出，
（3）电压波动和闪变的测量：
其中A为电压幅值，mi为 调幅波的幅度值， 为电网上基波电压的角频率值， 为调幅波i的角频率值，I为调幅波序号值， 为基波电压初相角， 为调幅波初相角。
（4）三相不平衡的测量： 。其中U1为三相电压正序分量的均方根值，U2为三相电压负序分量的均方根值。
（5）谐波含量情况的测量：
2. 电能质量监测系统硬件设计
2.1 同步采样监测系统的要求
国家电能质量的相关标准规定：谐波测量需测量谐波次数范围为从第2～63次。即每个电网谐波采样128点即可满足测量要求。因此，我们可采用锁相倍频电路将输出信号进行128倍分频，严格与输入信号同步，压控振荡器产生128倍频同步触发信号，控制采样及保持电路进行A/D转换，从而快速的检测出谐波分量并满足计算的精度和实时性的要求。图2-1为此部分的硬件原理图。
图2-1 同步采样硬件原理图
2.2 电能质量监测系统的硬件结构实现
本次硬件设计的模块包括单片机微处理器模块，数据测量与转换电路，计算并送终端设备显示电路，通信转换电路等。同时采用DSP+MCU的设计方案，采用芯片ATT7022b完成电能计量工作，AT89C51单片机作为系统的MCU实现控制功能。
次设计的思路是三相电流和三相电压经过采样电路，送入电能计量芯片ATT7022B，经过A/D采样转化，进行DSP处理，得到所需功率值，再通过SPI接口，送入单片机，单片机读取数据后，存储到外接的存储器中，并将结果显示出来。
2.2.1 数据采集模块
为了将电网和芯片进行隔离，增加其抗干扰性能力。我们选取电压互感器的规格应该是220V/0.5V，电流互感器的规格是1.5mA/5mA，精度是0.1级。额定电压、电流输入时，电压、电流通道差动输入电压有效值分别在0.5V、0.1V左右。采样电路主要包括以下几个部分：电压、电流互感器、抗混叠滤波器、参考电压。信号的采样过程是：采集到的电压、电流信号从从互感器出来，经由1.2k的电阻和0.01uF的电容构成的滤波器滤波后，把干扰信号消除掉，疊加一个参考电压信号，再经输入端送入ATT7022B的A/D转换器中进行A/D转换。
2.2.2 SPI接口电路
ATT7022B芯片通过6条连线和单片机相连，其中SPI接口线有4条，分别为CS、SCLK、DIN和DOUT，RESET1是ATT7022B的复位控制线，ATT7022B还有1条握手信号线SIG。单片机控制ATT7022B的RESET信号，当ATT7022B芯片在上电和单片机复位后，其将和单片机进行同步工作。
2.2.3 液晶显示电路
本设计的显示部分采用6位8段数码管显示，用74LS245来驱动数码管，用晶体管来控制每位数码管的位选，单片机P22～P27口的输出是高电平还是低电平来导通三极管使数码管被位选则由程序来控制。
2.2.4 串行通讯接口
本次设计选择MAX232芯片，外接四个电解电容C26、C27、C28、C29。 计量芯片在处理完后，自动的将所得的结果传给PC机，以便查询。根据这一特点我们利用单片机串口与pc机的串行接口进行串行通信。通信模块在系统中作为上位机使用，实时读取各种电力参数值及预置监测装置内部寄存器的值。
2.2.5 控制模块电路
此次设计我们采用的控制芯片是AT89C51，其内置P0口是双向三态I/O口，我们将其到连接LED以显示输出，其中P2.2-P2.7用于连接显示电路的位控，P1.0与P1.1外接存储器，P1.3-P1.7口与SPI接口相连，RXD与TXD用来实现串行通讯连接即作为单片机和外接PC机的数据读取通道。P12为蜂鸣器接口，当P12输出高电平时，晶体导通，蜂鸣器开始鸣叫同时两端获得5V电压，当P12输出低电平时，晶体管截止，蜂鸣器立刻停止鸣叫。
2.2.6 存储器电路
EEPROM也叫电可擦可编程只读存储器，其最大的特点是可以在掉电的情况下保存数据，它有特定的引脚来施加特定电压或使用特定的总线擦写命令，简而言之其就是能在在线的情况下很方便的完成数据的写入和擦除。本课题使用24C64来作为外接存储器。
其中图上显示的A0-A2用来设置芯片的器件地址，当遇到同一条总线上包含多个器件时，我们一般通过设置A0-A2引脚的值来确定器件地址。其中SDA为串行数据引脚，其主要作用为在芯片读写时承担输入工作、输出数据或地址等，这个引脚是双向的，由于它是漏极开路的，故我们在使用时需要人为的加一个上拉电阻。SCL引脚用来仪器的同步串行时钟信号的输入，WP引脚是写保护脚。在使用过程中我们一般将24c64的SCL和SDA引脚分别加上拉电阻后接到单片机的P10和P11，由程序控制其读写。
3.结束语
如何提高和保证电能质量己经成为当前我国电力系统面临的重要问题，开展相关电能质量监测与分析，为电能质量的改善提供统计上的参考依据，具有十分重要的意义。
在电能质量检测仪器硬件设计中，采用了TI公司的MSP430F449单片机，具有丰富的片内外设、高性能价格比与低功耗的特点，采用的外围器件在满足性能要求的基础上也力求低功耗。将单片机技术用于电能质量的检测，具有硬件结构简单，软件开发周期短，功能扩展灵活等优点。当然电能质量监测是一个极其复杂的系统，由于时间原因和知识储备的有限，本文仅对检测系统的硬件部分做了设计，仅对基本的电力参数及电能质量指标的测量进行了分析，此外还有其他重要的电能质量指标的测量方法和理论需要进一步进行研究。