电力系统谐波分析系统设计硬件系统(附件)
技术的进步，带来的是电网结构越来越复杂，谐波源也随之增加，谐波大量产生使得电网坏境日渐恶化，已经影响到日常的生产生活，所以就需要一种设备可以对谐波进行检测分析，从而针对性采取措施治理就显得至关重要。因此本文设计了一种电力系统谐波分析系统设计，目的就在于检测分析电网中谐波。本文采用STM32F103T6系列的芯片，该系列芯片芯片具有性能高、功耗低、实时性好等特点，其采用哈佛结构，指令和数据单独走一路，极大的提高了检测效率。系统前端加装变送器，采集的信号经过调理电路在进行A/D转换，最后再将信号送至芯片中，最后通过显示模块将所需数据显示出来。关键词 谐波，谐波检测，STM32F103T6，系统设计
目 录
1 绪论 1
1．1 课题研究的背景与意义 2
1．2 国内外研究现状 2
1．3 本文主要研究的内容 2
2 电力系统谐波 4
2．1 电力系统谐波的基本概念 4
2．2 谐波的产生 4
2．3 谐波的危害 5
2．4 谐波检测理论研究 5
3 元器件的选型及其相关介绍 6
3．1 核心芯片的选型 6
3．2 前端数据采集模块的选型 12
3．3 A/D转换模块模块选型 13
3．4 显示模块LCD的选型 14
4 谐波检测系统的硬件设计 14
4．1 硬件的总体设计图与总体流程 14
4．2 硬件的各个模块的设计 15
4．3 总电路图设计 26
5 系统仿真结果与分析 27
结 论 29
致 谢 31
参 考 文 献 32
1 绪论
1．1 课题研究的背景与意义
十九世纪30年初，电磁效应被发现以后，电能很快就被人们大规模的利用起来，从一开始简易发电机，到现在的大区域电力系统网，经过这几百年的发展，电能对人类社会生产生活的影响越来越大。由于电能本身是一种清洁的二次能源，可以很方面的从自然界中其他一次能源中转换过来，而且也能很轻易的转换成其他形式的 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
能量以满足不同场合的应用，这些优势使得电能得到了大规模的应用，大到国家经济社会的发展，小到普通家庭的照明，都有电能的影子，电能已经渗透到生活的各个角落，极大的促进了社会发展和科学进步。与此同时各种新型技术和非线性负载大规模应用，由此带来的是人们对电能需求的不断增大和传统电网不具备的问题，最为严重的就是谐波的问题，它使得电能质量无法满足一些特定场合的需求。所以对电力系统谐波分析的工作显得尤为重要。
电网的谐波问题对电力系统的安全稳定产生了极大的影响，让人不得不去重视。电网谐波会影响电能质量，电能质量又会影响终端设备和产品的寿命，严重时会影响正常的社会生产过程，造成巨大经济财产的损失。因此要想有效对谐波进行抑制与治理，就需要对谐波的成分进行分析，减少不必要的经济损失。
1．2 国内外研究现状
谐波的产生造成了电网运行环境的污染，因此由谐波引起的电能质量质量问题得到了国内外学者的广泛关注。其实早在十八世纪和十九世纪就已经打下了关于谐波的数学研究方法的基础，而国外的学者在上世纪二三十年代就开始研究谐波在电力系统的危害以及关于谐波治理方面的问题，国内关于谐波这方面的研究从80年代才开始，比起发达国家晚了很长时间。总体来说，发展到今天，根据不同的检测原理，谐波的检测和分析方法分为两种，分别是基于时域理论和基于频域理论的检测方法，这两种方法又可细分为如下几种典型的谐波检测方法，包括模拟滤波器法、傅立叶变换法、小波变换法、瞬时无功功率理论、希尔伯特—黄变换、神经网络等以及这些方法基础上拓展或改进的各种谐波检测分析的方法。针对电力系统谐波的特性，在谐波分析检测中最多使用的就是傅立叶变换法和小波变换法，以及本文将要提到的希尔伯特—黄变换法。关于希尔伯特—黄变换法在本文的后面章节会详细提到。
1．3 本文主要研究的内容
本文主要研究电力系统谐波分析系统的硬件设计，简要分析谐波的危害与产生，如何设计谐波检测系统的硬件电路，以及所需要用到的电路图、原理图，总设计图，各个模块等等，最后通过仿真检测论文所设计的系统的可用性、实用性，具体的一些安排如下：
第一章：简单介绍本次课题研究的背景与意义，包括国内外谐波的研究现状，谐波检测的一些方法，并根据自己的实际需求，提出谐波检测的常用方法。
第二章：介绍电力系统谐波的基本概念及其如何产生的，还包括谐波对电网的危害，只有搞明白谐波的危害以及了解是如何产生的这几点才能从源头上抑制谐波，进而降低谐波的危害，减少不必要的经济财产的损失。本章节还介绍本文所采用的算法，及其原理。相比于传统的谐波分析方法，HHT在某些方面还是很有优势的，例如傅立叶变换适合分析稳态线性的谐波信号，在时域上却没有局限性，所以FFT不能用于分析非稳态的谐波信号的局部变换。又如小波变换，虽然理论上可以分析非稳态非线性的谐波信号，但是实际中却只能分析非平稳线性的信号。
第三章：接着介绍嵌入式微处理器的选型，本文采用stm32系列的芯片，型号为stm32F103T6，介绍系统的总体设计图和总体流程，接着根据芯片的选型，介绍各个模块的选型，包括前端信号采集模块、电路调整模块、A/D转换器、锁相环倍频还有ARM核心芯片以及显示模块，这里面还可细分成一些基本的电路，例如采样电路，放大电路、加减法电路电路等等。此章和第四章将是本篇论文的重点，因为硬件的选型与设计是软件设计的基础，如果硬件设计出了问题，会影响仿真实验的结果。当然软件也同样重要，两者组合在一起才能构成一个完整的系统结构。
第四章：本章主要介绍系统的硬件设计，包括系统的总体设计流程及其总设计图，然后分别介绍各个子模块设计，包括前端数据采集模块设计、核心ARM芯片设计、通讯模块设计。在设计各模块电路电路之前，需要对所需芯片的引脚功能有所了解，这样才能按照要求设计出符合预期目标功能的系统。其次还要对各种基础电路有所了解，举个例子，本设计中所用到的交流电流变送器中的全波整流电路，该电路核心就是一个运算放大器电路，这个时候就需要对放大电路的相关计算要足够熟悉，能计算相关数值。
目 录
1 绪论 1
1．1 课题研究的背景与意义 2
1．2 国内外研究现状 2
1．3 本文主要研究的内容 2
2 电力系统谐波 4
2．1 电力系统谐波的基本概念 4
2．2 谐波的产生 4
2．3 谐波的危害 5
2．4 谐波检测理论研究 5
3 元器件的选型及其相关介绍 6
3．1 核心芯片的选型 6
3．2 前端数据采集模块的选型 12
3．3 A/D转换模块模块选型 13
3．4 显示模块LCD的选型 14
4 谐波检测系统的硬件设计 14
4．1 硬件的总体设计图与总体流程 14
4．2 硬件的各个模块的设计 15
4．3 总电路图设计 26
5 系统仿真结果与分析 27
结 论 29
致 谢 31
参 考 文 献 32
1 绪论
1．1 课题研究的背景与意义
十九世纪30年初，电磁效应被发现以后，电能很快就被人们大规模的利用起来，从一开始简易发电机，到现在的大区域电力系统网，经过这几百年的发展，电能对人类社会生产生活的影响越来越大。由于电能本身是一种清洁的二次能源，可以很方面的从自然界中其他一次能源中转换过来，而且也能很轻易的转换成其他形式的 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
能量以满足不同场合的应用，这些优势使得电能得到了大规模的应用，大到国家经济社会的发展，小到普通家庭的照明，都有电能的影子，电能已经渗透到生活的各个角落，极大的促进了社会发展和科学进步。与此同时各种新型技术和非线性负载大规模应用，由此带来的是人们对电能需求的不断增大和传统电网不具备的问题，最为严重的就是谐波的问题，它使得电能质量无法满足一些特定场合的需求。所以对电力系统谐波分析的工作显得尤为重要。
电网的谐波问题对电力系统的安全稳定产生了极大的影响，让人不得不去重视。电网谐波会影响电能质量，电能质量又会影响终端设备和产品的寿命，严重时会影响正常的社会生产过程，造成巨大经济财产的损失。因此要想有效对谐波进行抑制与治理，就需要对谐波的成分进行分析，减少不必要的经济损失。
1．2 国内外研究现状
谐波的产生造成了电网运行环境的污染，因此由谐波引起的电能质量质量问题得到了国内外学者的广泛关注。其实早在十八世纪和十九世纪就已经打下了关于谐波的数学研究方法的基础，而国外的学者在上世纪二三十年代就开始研究谐波在电力系统的危害以及关于谐波治理方面的问题，国内关于谐波这方面的研究从80年代才开始，比起发达国家晚了很长时间。总体来说，发展到今天，根据不同的检测原理，谐波的检测和分析方法分为两种，分别是基于时域理论和基于频域理论的检测方法，这两种方法又可细分为如下几种典型的谐波检测方法，包括模拟滤波器法、傅立叶变换法、小波变换法、瞬时无功功率理论、希尔伯特—黄变换、神经网络等以及这些方法基础上拓展或改进的各种谐波检测分析的方法。针对电力系统谐波的特性，在谐波分析检测中最多使用的就是傅立叶变换法和小波变换法，以及本文将要提到的希尔伯特—黄变换法。关于希尔伯特—黄变换法在本文的后面章节会详细提到。
1．3 本文主要研究的内容
本文主要研究电力系统谐波分析系统的硬件设计，简要分析谐波的危害与产生，如何设计谐波检测系统的硬件电路，以及所需要用到的电路图、原理图，总设计图，各个模块等等，最后通过仿真检测论文所设计的系统的可用性、实用性，具体的一些安排如下：
第一章：简单介绍本次课题研究的背景与意义，包括国内外谐波的研究现状，谐波检测的一些方法，并根据自己的实际需求，提出谐波检测的常用方法。
第二章：介绍电力系统谐波的基本概念及其如何产生的，还包括谐波对电网的危害，只有搞明白谐波的危害以及了解是如何产生的这几点才能从源头上抑制谐波，进而降低谐波的危害，减少不必要的经济财产的损失。本章节还介绍本文所采用的算法，及其原理。相比于传统的谐波分析方法，HHT在某些方面还是很有优势的，例如傅立叶变换适合分析稳态线性的谐波信号，在时域上却没有局限性，所以FFT不能用于分析非稳态的谐波信号的局部变换。又如小波变换，虽然理论上可以分析非稳态非线性的谐波信号，但是实际中却只能分析非平稳线性的信号。
第三章：接着介绍嵌入式微处理器的选型，本文采用stm32系列的芯片，型号为stm32F103T6，介绍系统的总体设计图和总体流程，接着根据芯片的选型，介绍各个模块的选型，包括前端信号采集模块、电路调整模块、A/D转换器、锁相环倍频还有ARM核心芯片以及显示模块，这里面还可细分成一些基本的电路，例如采样电路，放大电路、加减法电路电路等等。此章和第四章将是本篇论文的重点，因为硬件的选型与设计是软件设计的基础，如果硬件设计出了问题，会影响仿真实验的结果。当然软件也同样重要，两者组合在一起才能构成一个完整的系统结构。
第四章：本章主要介绍系统的硬件设计，包括系统的总体设计流程及其总设计图，然后分别介绍各个子模块设计，包括前端数据采集模块设计、核心ARM芯片设计、通讯模块设计。在设计各模块电路电路之前，需要对所需芯片的引脚功能有所了解，这样才能按照要求设计出符合预期目标功能的系统。其次还要对各种基础电路有所了解，举个例子，本设计中所用到的交流电流变送器中的全波整流电路，该电路核心就是一个运算放大器电路，这个时候就需要对放大电路的相关计算要足够熟悉，能计算相关数值。
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