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1、北华大学毕业设计（论文）摘要随着现代电力电子设备和非线性负载的大量使用，谐波污染日趋严重，谐波己成为电力部门及其用户日益关注的问题，因此对谐波进行检测与分析具有重要的意义。本文首先介绍了国内外电力系统谐波测量装置的现状，分析了数字信号处理芯片在电力系统中的应用情况，对谐波分析的相关理论与技术进行了研究，设计了以DSP为核心的硬件与软件系统。硬件设计方面，根据电力系统中数据采集和处理的实际特点，设计了信号的多通道采样保持和时钟转换电路，实现了多路信号的同步采样和快速转换。充分发挥了微控制器的控制功能和DSP芯片的数字信号处理优势。软件算法方面，系统采用传统的快速付立叶变换(FFT)，对采集的电压
2、和电流信号进行频谱分析。论文中还详细分析了信号的采样问题，以及信号的数字滤波问题。初步设计了对采集数据进行计算和处理的相关软件算法，实现了对谐波的测量功能。本装置可以快速、准确地进行谐波的测量和分析。关键词是为了文献标引工作从论文中选取出来用以表示全文主题内容信息款目的单词或术语。如有可能，应尽量用汉语主题词表等词表提供的规范词。不用此信息时，删除此框。关键词：DSP；谐波；同步采样；快速傅里叶变换AbstractWith the wide applications of modern power electronics equipment and nonlinear load,harmoni
3、c deterioration has increased rapidly, which has attracted great attentions by powerdepartment and users.By analyzing the situations of the electric harmonic monitoring equipments home and abroad,aiming at the demand of power department and practical application.The application of Digital Signal Pro
4、cessor in the electric power systems is introduced in this paper,it aims at the harmonic theories and technologies analysis and exploits a hardware floor and a software system with DSP core.The hardware design aspect, according to the electrical power system in the data acquisition and the processin
5、g actual characteristic, has designed the signal multichannel sampling maintains with the switching circuit, has realized the multi-channel signal synchronized sampling and the split-second-selection.Has displayed the micro controllers control function and the DSP chip digital signal processing supe
6、riority fully. The software algorithm aspect, the system uses the tradition to pay fast sets up the leaf to transform (FFT), carries on the spectral analysis to the gathering voltage and the electric current signal. In paper also multianalysis signal sampling question, as well as signal digital filt
7、ering question.The preliminary design has carried on the computation and the processing related software algorithm to the gathering data, has realized to the overtone survey function. This equipment may be fast, accurate carries on the overtone the survey and the analysis. Key Words：Digital Signal P
8、rocessor；Harmonic；Synchronous sampling；Fast Fourier Transfer- 2 -目录摘要1Abstract2引言11 绪论21.1 问题的提出21.2 国内外发展的概况31.2.1 国外的发展概况31.2.2 国内的发展概况51.3 电能质量分析的实际应用与发展趋势61.4 本文设计的系统需要完成的功能61.5 课题的研究任务72 谐波的理论分析82.1 概述82.2 谐波的基本概念82.3 谐波的分析82.3.1 电网谐波的产生92.3.2 谐波的危害102.3.3 谐波的国家标准102.3.4 谐波的测量及计算方法113 谐波检测的方法13
9、3.1 快速傅立叶变换的原理133.2 FFT算法存在的问题及解决方法193.2.1 采样定理和频谱混叠193.2.2 频谱泄露193.2.3 栅栏效应203.2.4 FFT存在问题的解决方法214 系统硬件电路设计与实现224.1 系统硬件整体设计224.2 DSP芯片的选择234.2.1 DSP芯片的发展234.2.2 TMS320LF240X系列DSP的特点234.2.3 本装置DSP芯片的选择244.3 系统硬件电路图设计254.3.1 数据采集、处理模块254.3.2 数据转换模块274.3.3 电源电路设计294.3.4 TMS320LF2407存储器扩展接口设计304.3.5 异
10、步串行接口硬件设计334.3.6 人机接口技术335 系统的软件实现355.1 系统的软件设计流程355.2 DSP单元中个功能模块的程序流程355.2.1 主程序流程图355.2.2 DSP数据采集模块程序流程图365.2.3 FFT算法的程序流程图375.2.4 串口通信的实现375.2.5 LCD刷屏与键盘处理41结论43参 考 文 献44致谢46北华大学毕业设计（论文）引言随着科学技术和国民经济的发展，各行各业对电力系统的供电质量的要求越来越高，电力供应的理想状态是用户端能够得到固定频率和幅值的电压与电流。而实际上，自从交流电投入应用以来，这样的理想状态从来就没有实现过。尤其是20世纪
11、80年代末以来，随着现代电力电子技术的广泛应用，由电力电子开关的强制开合，电弧炉以及大容量电机的启动与停机，电力系统负载不平衡所引起的谐波污染日趋严重。而现代工业技术中广泛采用精密的仪器设备、复杂的控制系统，加上电子设备的普遍应用，使得电力负荷对电能质量的要求越来越高。电能质量已成为电力部门及其用户日益关注的问题。公网供电质量的日益恶化,甚至发生因谐波干扰而引发的安全事故,严重的威胁着电力系统的安全与稳定运行,同时对用户用电设备的正常工作和工农业生产的持续高效产生十分不利的影响。在工业应用场合，电动机在额定功率下电源电压的偏差不超过5%时才能维持额定出力，频率降低会使汽轮机的叶片承受压力加大，
12、严重时会发生机械共振，使叶片断裂。电网谐波含量增加，将导致电气设备寿命缩短，电网损耗增大，同时可能引起继电保护和自动装置误动作等一系列问题。在电力传输过程中，负载功率因数降低会使输电线、变压器和发电机的附加电能损失增大。三相电压不平衡（即存在负序分量）会引起电机附加振动力矩和发热，一些保护也会因负序的干扰而误动作。谐波测量是谐波问题中的一个重要分支，也是研究分析谐波问题的出发点和主要依据。谐波测量的主要作用有：鉴定实际电力系统及谐波源用户的谐波水平是否符合标准的规定，包括对所有谐波源用户的设备投运时的测量。电气设备调试、投运时的谐波测量，以确保设备投运后电力系统和设备的安全及经济运行。谐波故障
13、或异常原因的测量。谐波专题测试，如谐波阻抗、谐波潮流、谐波谐振和放大等。1 绪论1.1 问题的提出电力系统运行时，理想情况下它应以额定电压和额定频率向用户供电。但实际运行中由于负荷不断变化，电力系统的频率和电压是不可能维持恒定不变的。因此，以往各国都以频率和电压维持与额定值的偏差不超过规定的允许范围作为衡量电能质量的标准。随着电力工业的发展，国民经济各个部门的电气化水平日益提高，具有非线性或时变特性的负荷也日益增多，从而在现代电力系统中，仅用频率和电压这两个指标来衡量电能质量己经不能满足需要了。因此，三相电压的不对称度、波形畸变以及电压波动和闪变也成为衡量电能质量的重要指标。波形畸变是指交流电
14、力系统中电压或电流波形偏离了正弦波。电力系统的波形畸变并不是一个新的问题。早在20世纪初就有不少电力工作者注意到这个问题，并发表了不少有关论文。20世纪20年代，德国就已经提出静态整流器引起的波形畸变问题，但由于当时的电力系统谐波并不严重，因而没有引起足够重视。20世纪六七十年代以来，由于大功率变流设备和电子调压设备的广泛应用，大量家用电器普遍采用晶闸管以及其它各种非线性负荷，导致电力系统波形畸变日益严重，再加上竞争和充分利用电工材料，对电工设备日益倾向于采用在其磁化曲线临界情况下甚至在饱和区段工作，导致这些电力设备的励磁电流波形严重畸变，严重危及电力系统安全运行，从而使各国对谐波问题倍受重视
15、和关心。在我国，随着经济的迅猛发展，电气化铁道的发展，化工、冶金、煤炭等工业部门中大量应用电力电子技术和引进国外的先进设备，以及在节能中电力电子技术的应用等等，在带来技术经济上一系列效益的同时，也使电网的谐波含量大大增加，电网波形畸变越来越严重，这就是所谓的电网谐波污染。谐波对电力系统电磁环境的污染不仅危害系统本身的安全，而且对广大电力用户的危害面也是十分广泛。归纳起来其主要危害有：（1）产生附加损耗，增加设备温度；（2）恶化绝缘条件，缩短设备寿命；（3）可能引起电机的机械振动；（4）无功补偿电容器组可能引起谐波电流的放大，甚至造成谐振；（5）对继电保护、自动控制装置和计算机系统产生干扰和造成误动作；（6）影响测量仪表的精度，造成电能计量的误差；（7）干扰邻近的通信线路和铁道信号线路的正常工作。从而将谐波的管理、检测和研究任务摆在了我国电力工作者的面前。电能质量问题已经引起了各国电力工作者的高度重视，我国的电能质量的研究正处于起步阶段，但是已经取得了一定的成绩，电能质量的监测，不论在理论上还是在实践中，都有许多值得深入研究的问题。研制一种新型的谐波监测装置，有效的进行谐波的监测，对于保证电力系统运行的安全性，经济性和可靠性
