一、項目概述

1.1 引言

電能質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。電能質量監測系統是保證電力系統安全可靠和經濟優質運行的技術支撐。隨著市場經濟和電器設備的發展，電能質量受到供電企業和電力用戶的共同關注。供電企業可對不同的電能質量劃分等級、分別定價；用戶可根據設備及生產工藝選擇不同質量的電能。因此電能質量分析儀成為熱點產品。

1.2 項目背景/選題動機

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

本項目利用AT32UC3A0512實現了廣域電網的層次化電能質量檢測系統，對供電企業和用戶都有重要的意義。系統由兩部分組成：一是獨立的電能質量分析儀，區別于目前的產品提高了分析檢測指標，并增加了功率因數補償功能，可降低用戶的成本。二是實現了電能質量分析儀的局域網接口，可用于用戶的多點隨時檢測。

二、需求分析

2.1 功能要求

整個系統由監控總站、監控終端三部分組成。系統比較龐大，實現了主要功能。

圖1 系統架構

2.2 性能要求

本項目基于EAT32UC3A0512的AVR EVK1100設計實現了層次化電能質量檢測儀。首先是本地電能質量監測儀，能測量電力線的電壓偏差、閃變、不平衡度、諧波、頻率、無功功率等電能質量參數，并實現了功率因數的自動補償；其次利用AT32UC3A0512的MAC功能實現了局域網內的網絡互聯，重點是IP地址的自動獲取、設備和服務的廣播及發現等，通過分析網絡中不同監測點的參數實現故障的定位；具有技術先進行和功能實用性。

三、方案設計

3.1 系統功能實現原理

系統整體原理框圖如上所示

在EVK100上實現層次化電能質量檢測儀，主要擴展電網接口板。基本原理如下圖所示。另外增加的功率因數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。

電網接口板硬件結構框圖

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系統。它配備一系列豐富的外設、內存，可充分開發AVR32設備的全部潛能。支持AT32UC3A、以太網端口、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，并結合了最新的技術發展，主要體現在：

1、 利用網絡接口實現遠程連接。

2、 利用USB接口實現了采集數據的存貯功能。

3、 利用串口連接PC實現設備控制和調試控制。

4、 利用模擬量和數字量實現電網檢測等功能。

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波形顯示、現實模擬等功能，更具有使用價值。但基于EVK1100模塊可通過網絡在計算機上實現這些功能。

3.3系統軟件架構

整個軟件從功能上分為兩部分：一是本地電能質量分析儀的功能，二是網絡應用。

電能質量參數的測量。采用準同步采樣和時間累積平均的方法計算參數。省掉了采樣的同步環節，增加采樣點和采樣周期數再進行數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0.001，阻帶邊緣頻率90Hz，衰減系數0.3。

網絡應用方面，EVK1000本身有以太網接口，并且其DEMO程序中有http協議的實現代碼，可以修改利用。

3.4 系統軟件流程

本地測量程序運行流程圖

3.4 系統預計實現結果

1、實現本地電能質量測量，實現國標中的參數測量。

2、實現功率因數的自動補償。

3、實現網絡連接，通過網絡測量電能質量參數。