赴美留学一定大有作为？杨振宁谈中美教育差别

电能是一种重要能源，被人们广泛应用于现代社会的各个领域，其应用程度能反映一个国家或地区的综合国力和发展水平。提高对电能质量的要求是一个国家工业生产发达、科技水平提高的表现，是信息社会发展的必然结果，是增强用电效率、节能降损、改善电气环境以及工业生产可持续发展的技术保证。随着电气化程度的提高和负载类型的增加，电能质量问题变得日趋突出和复杂，严重地威胁着电力系统的安全经济运行，因此，为了保证电网安全稳定运行、提高对电能的综合管理水平、为用户提供优质的电能，必须对影响电能质量的诸多因素进行监测，实时在线电能质量监测成为保证电网安全、经济运行的重要措施之一。本文基于TMS320C5410A芯片设计一款电能质量监测装置。

电能质量监测简介

电能质量监测的目的

电能质量检测分为短时间的一次性检测、短时间的定时或不定时的周期性检测以及长时间或较长时间的连续检测，其中，长时间或较长时间的连续检测称为实时检测或监测。电能质量监测的目的包括：①实时更新测量和采集各种电能质量指标，以保证对电力系统运行工况的观察、记录和动态分析。②针对各种质量指标的特征，分层检测电能质量问题，完成识别、提取和分析多种扰动信息，并拥有事故诊断能力，为制定改善电能质量的具体措施提供依据。③详细了解电网安全、稳定、优质运行的技术经济条件，综合评价电能质量各项指标，优化整个系统的监测体系。④检测和数据采集各种电能质量问题。⑤监测电网的可靠性程序。⑥不断提高电网的可靠性。⑦掌握电能质量问题产生的条件，以便于采取相关措施使可能造成的损失减到最小。⑧发现新的电能质量问题。

电能质量检测的方法

对于不同的电能质量问题，其电能质量检测方法和要求也不尽相同。按照对检测对象是否进行连续检测，电能质量检测方法可划分为定期或不定期检测、连续检测以及专项检测三种方法。

①定期或不定期检测。定期或不定期检测通常采用专门仪器设备到现场进行测试，测试后根据测定结果提出测量和分析报告。对普通干扰源的检测，依据干扰的大小、危害程度以及需要等，选择采用定期或不定期检测方法进行检测，普查测试电网，全面了解并掌握电网的电能质量水平或干扰源的特性，根据普查需要确定定期普查的检测指标和检测点，对于一些特殊情况，依据电能质量监测的需要也可采用不定期检测的方法。

②连续检测。连续检测也称在线检测，连续检测对所用的检测设备有一定要求，尤其是当电网中检测点较多、检测信息需远传时，需建立一个检测网络系统。根据电能质量标准的规定和要求，连续检测的检测内容包括：大型干扰源，频率偏差和电压偏差，危害较大或者容易引起事故的电能质量指标（大型电弧炉引起的电压波动、大型电容器组的谐波电流、易受干扰的大型设备的谐波电流等）。

③专项检测。专项检测是指测量与比较各种干扰负荷或补偿设备（电弧炉、换流设备、电容器组滤波器等）接入电网前后对电网电能质量水平产生的影响，以决定其能否正式接入电网运行，对产生各种干扰的设备，若产生的干扰超出标准，则不允许该设备接入电网运行。

电能质量监测装置结构组成

电能质量监测装置的结构组成如图1所示，它是一个包含数据采集和数据分析的功能系统。该装置硬件结构简单，分为信号采集模块、DSP信号处理模块和MSP430单片机控制模块，其工作原理是：传感器采集模拟信号（电压和电流）进入系统，经过去混叠滤波器以滤去信号的高频成份，再通过信号调理电路，使信号电压值满足AD芯片的转换要求；DSP控制AD采样频率，得到满足要求的一组数字量，并利用离散算法获得电能质量的各个参数；MSP430单片机读取计算结果，并显示在液晶屏上，它可以与上位机进行USB通信。信号采集模块是电能质量监测装置的关键功能部分，本文将主要阐述信号采集模块的设计。

图1 电能质量监测装置结构组成图

信号采集模块设计

电压、电流传感器电路

根据实际应用需求，本装置用于220V/380V，30A单相交流电电网的监测，因此，本设计选用PT41D001型号的电压互感器，其参数如下：线性误差为0.08%，工频相差为35’，负载条件为1MΩ，变比为200V/1V，频率响应为25Hz~5kHz。电压互感器电路连接如图2所示，互感器输出为电压信号，负载需接高电阻，在电路上可以直接把互感器输出接到后级运算放大器上。对于220V系统的监测电路，电压互感器的输出电压范围为-1.5V~1.5V。

本设计选用CT53C902型号的电流互感器，其参数如下：线性误差为0.08%，工频相差为10’，负载条件为≤3V，变比为30A/10mA，频率响应为25Hz~5kHz。电流互感器电路连接如图3所示，互感器输出为电流信号，负载需接电流采样电阻，并且对输出电压有≤3V的要求，由于该装置应用于最大电流为30A的系统，电流互感器的输出电流大约为0~10mA，考虑到后级信号调理电路要求，在此选用100Ω精密电阻作为采样电阻，使电流信号转变为电压信号，幅值范围为-1.4V~+1.4V。

图2 电压互感器电路连接图

图3 电流互感器电路连接图

MAX291滤波电路

依据抽样定律，理论上，若采样频率大于信号最大频率的2倍，即，则可避免频率混叠效应。实际上，信号谱并不是矩形截止的，而且采样的时域有限，不可能采集无限长时间的信号，因而存在高频分量。因此，系统在进行信号处理之前，应采用低通滤波器来抑制大于的信号频率。本设计采用MAX291滤波器来进行滤波，MAX291滤波器电路如图4所示。MAX291是一种开关电容式有源低通滤波器，其3dB截止频率可在0.1kHz~25kHz之间选择，而且3dB截止频率与MAX291的工作频率的关系为1:100。MAX291可由内部振荡时钟和外部输入时钟方式提供工作频率，本文采用内部振荡时钟方式，只需在CLK引脚对地间连一个外接电容即可。

图4 MAX291滤波器电路图

电压信号调理电路

由电压互感器和电流互感器变换出来的双极性电压信号，需要经过由运算放大器组成的电压信号调理电路转变为单极性信号后，才能够送入AD芯片并转换为数字量。双极性信号转变为单极性信号实际是一个电位线性平移电路，主要由加法器和比例器组成，经过参数整定后的电压信号调理电路如图5所示。

图5 电压信号调理电路图