一、項目概述

1.1 引言

電能質(zhì)量定義為導致用電設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)濟優(yōu)質(zhì)運行的技術(shù)支撐。隨著市場經(jīng)濟和電器設備的發(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；用戶可根據(jù)設備及生產(chǎn)工藝選擇不同質(zhì)量的電能。因此電能質(zhì)量分析儀成為熱點產(chǎn)品。

1.2 項目背景/選題動機

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

本項目利用AT32UC3A0512實現(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，并增加了功率因數(shù)補償功能，可降低用戶的成本。二是實現(xiàn)了電能質(zhì)量分析儀的局域網(wǎng)接口，可用于用戶的多點隨時檢測。

二、需求分析

2.1 功能要求

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

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 性能要求

本項目基于EAT32UC3A0512的AVR EVK1100設計實現(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)，并實現(xiàn)了功率因數(shù)的自動補償；其次利用AT32UC3A0512的MAC功能實現(xiàn)了局域網(wǎng)內(nèi)的網(wǎng)絡互聯(lián)，重點是IP地址的自動獲取、設備和服務的廣播及發(fā)現(xiàn)等，通過分析網(wǎng)絡中不同監(jiān)測點的參數(shù)實現(xiàn)故障的定位；具有技術(shù)先進行和功能實用性。

三、方案設計

3.1 系統(tǒng)功能實現(xiàn)原理

系統(tǒng)整體原理框圖如上所示

在EVK100上實現(xiàn)層次化電能質(zhì)量檢測儀，主要擴展電網(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 硬件平臺選用及資源配置

EVK1100是一個基于AVR32 AT32UC3A單片機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、內(nèi)存，可充分開發(fā)AVR32設備的全部潛能。支持AT32UC3A、以太網(wǎng)端口、傳感器（光照、溫度、電位器）、4x20藍色LCD（PWM變頻背光）、JTAG連接器、Nexus、USART、USB 2.0接口，TWI接口、SPI。本設計充分挖掘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)絡接口實現(xiàn)遠程連接。

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

3、 利用串口連接PC實現(xiàn)設備控制和調(diào)試控制。

4、 利用模擬量和數(shù)字量實現(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大，只能顯示文本信息。若能配置高端顯示模塊可實現(xiàn)波形顯示、現(xiàn)實模擬等功能，更具有使用價值。但基于EVK1100模塊可通過網(wǎng)絡在計算機上實現(xiàn)這些功能。

3.3系統(tǒng)軟件架構(gòu)

整個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)絡應用。

電能質(zhì)量參數(shù)的測量。采用準同步采樣和時間累積平均的方法計算參數(shù)。省掉了采樣的同步環(huán)節(jié)，增加采樣點和采樣周期數(shù)再進行數(shù)值積分運算就可獲得采樣信號平均值的高準確度估計，可得到很好的結(jié)果。功率計算中瞬時乘積包含有二次諧波項，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，基波項的幅值一般很小，但二次諧波項的幅值是電壓電流幅值相乘比較大。使用數(shù)值積分方法會存在截斷誤差，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，因此這種濾波器設計符合全功率測量。低通濾波器的指標為：通帶邊緣頻率10Hz，通帶波動系數(shù)0.001，阻帶邊緣頻率90Hz，衰減系數(shù)0.3。

網(wǎng)絡應用方面，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

本地測量程序運行流程圖

3.4 系統(tǒng)預計實現(xiàn)結(jié)果

1、實現(xiàn)本地電能質(zhì)量測量，實現(xiàn)國標中的參數(shù)測量。

2、實現(xiàn)功率因數(shù)的自動補償。

3、實現(xiàn)網(wǎng)絡連接，通過網(wǎng)絡測量電能質(zhì)量參數(shù)。