论文总字数：33288字

摘 要

目前，智能电网的发展面临着许多的挑战，智能仪表便是其中之一。因此，本文借助电路设计软件Proteus设计了一种基于STM32单片机的电能质量检测仪，可以更快速，更精准的监测电网相关电量参数。

论文引入了电能质量的概念和相关的国家技术标准，阐述了国内外在电能质量监测领域尤其是谐波检测理论的研究成果和未来发展趋势，并对电压、电流、频率、相角和谐波等电网运行参数提出了基于STM32单片机的监测方案，并根据实验的测量结果对检测仪进行校准和误差分析。

本文基于STM32单片机不仅进行了对相关电量检测的硬件和软件设计，还加入了液晶显示和按键检测功能，更加符合现代需求。实验结果也表明，本文的电能质量检测仪在精确度、实时性和可靠性上符合设计要求。

关键词：电能质量检测；STM32F103R6；FFT；AD7322

Abstract

At present, the development of smart grid is facing many challenges, among which smart meters are one of them. Therefore, this paper USES circuit design software Proteus to design a kind of power quality detector based on STM32 microcontroller, which can more quickly and accurately monitor the power grid related indicators.

This paper introduced the concept of power quality and the relevant national technical standards, especially in the field of power quality monitoring at home and abroad were elaborated research results and future development trend of harmonic detection theory, and the voltage, current, frequency, phase Angle and harmonic power grid operation parameters, such as put forward the monitoring scheme based on STM32 microcontroller, and according to the experimental measurement results of calibration and error analysis was carried out on the detector.

Based on STM32 microcontroller, this paper not only designs the hardware and software for the detection of related electric quantity, but also adds the functions of liquid crystal display with key tests, which is more in line with the modern needs. The experimental results also show that the power quality detector is accurate, real-time and reliable.

Key Words：Power quality detection；STM32F103R6；FFT；AD7322

目录

第1章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2电能质量的概念与国家标准 1

1.3 国内外的研究现状与发展趋势 2

1.3.1 国外研究动态 2

1.3.2国内研究动态 2

1.4本文主要研究内容 3

第2章 电能质量检测的原理 4

2.1 运行参数的计算方法 4

2.1.1 电压、电流检测 4

2.1.2 频率检测 4

2.1.3相角检测 5

2.2 电网谐波的检测算法 5

2.2.1 傅立叶变换 5

2.2.2 小波变换 6

2.2.3 希尔伯特-黄变换 6

2.2.4 本文的检测算法 6

第3章 电能质量检测仪的硬件设计 9

3.1 电能质量采集模块 9

3.1.1 电压采集 10

3.1.2 电流采集 12

3.1.3 频率、相角采集 13

3.2 数据处理模块 14

3.2.1 A/D转换电路 14

3.2.2 单片机电路 16

3.3 人机交互模块 17

3.4 上位机通信模块 19

第4章 电能质量检测仪的软件设计 20

4.1软件开发环境与设计思路 20

4.2 主函数程序 20

4.3 定时器模块 24

4.4 SPI通信模块 27

4.5 数据处理模块 29

4.6 LCD显示和按键检测模块 30

4.7 USART通信模块 31

第5章 电能质量检测仪的准确度检验 34

5.1 仿真调试 34

5.1.1 电压、电流采集模块调试 34

5.1.2 频率，相角采集模块调试 34

5.2 测量结果与准确度检验 35

5.2.1 电压、电流测量结果 36

5.2.2 频率测量结果 37

5.2.3 谐波测量结果 37

结论与展望 38

参考文献 39

致谢 41

附录 42

附录A：电压采集部分原理图 42

附录B：电流采集部分原理图 43

附录C：相频采集部分原理图 44

附录D：数据处理原理图 45

附录E：LCD显示原理图 46

附录F ：软件仿真结果 47

附录G：主函数程序 49

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

在当代的工业社会，电能由于具有实用性，经济性，清洁性，且便于控制和传输，已经在各个行业、领域内都得到了广泛的应用，与人们的生产生活也愈发密切，成为了目前最重要的能源之一^[1]。然而，在科学技术不断发展，高科技装备提高生产力，推动着社会前进的同时也对电能的供应网络提出了更高的要求。特别是近年来，伴随着社会全面信息化，起主导作用的计算机控制系统及其配套的电力电子设备对电力网络的运行环境造成了愈发严重的污染，降低了供应的电能质量。低质量电能的表现之一便是供应的电量谐波（间谐波）等扰动信号较大，这不仅会显著影响电力设备的寿命，而且有导致高精度、高敏感度控制系统误操作的隐患，需要保持高度警惕。

在国家制定“中国制造2025”的强国战略中，中国将在五年后基本实现工业化，而为了满足社会对电能质量不断飙升的需求，构建坚强智能电网已是电力行业发展的大趋势^[2]。为了合理评估电能质量，为净化电网环境提供依据，高速度、高精度的电力信号检测环节必不可少。但目前国内智能化的电能质量检测设备在实际应用中仍有较大缺口，研制一款能高精度实时监测电网信号变化并反馈数据的检测仪是治理电网污染的第一步。

1.2电能质量的概念与国家标准

电能质量即电力系统供给用户的电力品质。对于一般用户的需求，电力供应的理想状态下电能是恒频恒幅的正弦波（余弦波），如我们日常使用的三相交流工频信号，就是三个幅值相等，频率相等，相位相差120°的正弦电压/电流^[3]。但是在电网的实际运行中，由于各种非线性或不对称的电力电子设备的运行以及电力系统自身的故障和干扰，导致理想状态的电力供应极难维持。

目前，电能质量的主要评估指标是电压、波形、幅值和频率。而按照电力行业相关部门的习惯和标准，将电能质量分为电压质量、电流质量、供电质量和用电质量四类。

电压质量：指理想状态电压与实际测量电压的偏差，包括电压暂升、电压暂降、电压尖峰、电压闪变、电压中断、振荡暂态、脉冲暂态以及谐波等^[4-6]。

电流质量：与电压质量密切相关，主要包括电流谐波和间谐波^[7]。对一般用户而言，交流电压与电流的相位越接近，电能的利用效率就越高。

供电质量：指供电部门对电力用户的服务质量，包括电能传输效率、供电可靠性等。

用电质量：特指非技术含义下用户的电流质量。

在本文的研究范围内，主要将电压/电流的幅值、频率、相角以及各次谐波/间谐波的大小作为电能质量的检测指标。

1.3 国内外的研究现状与发展趋势

为了保证社会的有序生产，维持电网的可靠运行，如何精确的检测电能质量成为了迫在眉睫的问题。目前世界上不少学者在电能质量的检测领域提出了许多宝贵的理论成果，也因此衍生出来许多行之有效的技术方案。下文将对国内外的研究进展进行介绍。

1.3.1 国外研究动态

国外的工业发展起步早，在20世纪60年代相关研究机构和知名企业就已经展开了电能质量检测的研究并取得的显著成就,到80年代末期，海外市场上就已经出现了用于专门分析电能质量的相关电子设备^[8]。经过近些年的发展，专门用于监测电网运行参数的理论和产品应用已经十分成熟了，其中具有代表性的有Hikoi公司的生产的PQ3198型电能质量与能量分析设备和Fluke公司所开发的Fluke434/435-II系列型电能质量监测装置。这些产品不仅能对三相交流电路的相电压，线电压，电流，功率和相角等稳态参数进行监测，也能对电压闪变，暂升，暂降，谐波，浪涌电流三相不平衡度等暂态参数实时记录。

1.3.2国内研究动态

受限于国情，我国的工业建设起步较晚，虽然我国自主研发的电力检测设备在功能、性能上进步明显，并稳步向国际先进水平靠拢，但在市场上的产品与国外的检测仪在采集精度，采集速度，寿命以及可靠性上还是存在一定的差距^[9]。如国电中科电气有限公司开发的GDDN-500C型在线检测终端，联智电气推出的LZ-PQ100B便携式电能质量分析仪和安科瑞公司的ACR230ELH型谐波检析仪等。这些设备的检测对象主要是电压、电流、谐波、功率和频率等稳态参数，而对电网运行的暂态参数的检测不多，精度不高。如何提升产品可靠性，提高检测精度是国内厂商面临的主要问题。

除此以外，研究机构在检测的硬件上也取得了许多进展。如双积分型电子式电压互感器（EVT）和低功率线圈型电流互感器（LCPT）。该结构的电压互感器利用主积分器频率响应范围宽和辅助积分器暂态响应速度快的优点，使得两个积分器配合工作，性能相互补充，从而实现对不同类型信号的积分，使EVT兼顾宽频带特性和良好的暂态特性^[10]。而低功率线圈型电流互感器最显著的特点就是低功率、低能耗，其在罗氏线圈的基础上发展而来的，且利用了光纤高绝缘性的优点，使其成本、体积都显著降低，同时也降低了功率消耗^[11-12]。与罗氏线圈相比，LCPT具有更高的精度和稳定度。

1.4本文主要研究内容

本文的主要研究内容是以基于STM32系列单片机的电能质量检测仪监测电网运行参数的基本原理和实现方法，主要包括发展概述，检测原理，硬件实现，软件算法，调试分析和实验总结等方面。

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