1.引言
隨著電力系統(tǒng)新型負荷及非線性負荷的大量增加，電力系統(tǒng)的電壓和電流波形會發(fā)生嚴重畸變，從而給電力系統(tǒng)帶來很大的“電網(wǎng)污染”。特別是用戶內(nèi)部短路以及開關(guān)操作、變壓器或電容器組投切時的短時中斷均會引起電能質(zhì)量擾動問題。同時電網(wǎng)系統(tǒng)中的諧波成份也越來越復雜，嚴重的電力“污染”對某些行業(yè)（如醫(yī)院的精密儀器、微計算機系統(tǒng)以及智能電子、工業(yè)過程控制中的微處理器等）構(gòu)成了巨大的威脅，甚至造成“瀑布”式的連鎖反映，從而引發(fā)電網(wǎng)崩潰的事件。所以，電力系統(tǒng)中電網(wǎng)數(shù)據(jù)的精確采集、故障判斷、數(shù)據(jù)處理已成為電網(wǎng)正確運行的焦點。
因此，在供電系統(tǒng)的設(shè)計中，對諧波、負荷電流水平和功率因數(shù)等電網(wǎng)參數(shù)進行合理的估算，并采取相應的措施(如加設(shè)濾波和無功補償裝置)是非常必要的。隨著微處理器技術(shù)的快速發(fā)展、工業(yè)生產(chǎn)自動化程度的不斷提高，為本系統(tǒng)的成功研制提供了前提條件。本設(shè)計的研制主要針對我國電力系統(tǒng)供配電的實際情況，通過基于DSP的傅立葉變換算法，采用交流采樣技術(shù)實現(xiàn)多種電力參數(shù)的在線實時測量，為電網(wǎng)的安全經(jīng)濟運行提供可靠保證。同時借鑒國內(nèi)外研制同類裝置的經(jīng)驗，研制和開發(fā)一種實用高效的電力參數(shù)測試儀，以適應電力系統(tǒng)自動化發(fā)展的需要。通過網(wǎng)絡(luò)隨時監(jiān)測供電有關(guān)信息，以便為調(diào)度、運行、檢修提供服務，將會大大提高供電質(zhì)量。
2.系統(tǒng)整體設(shè)計
電力參數(shù)檢測系統(tǒng)的主體設(shè)計思想是采用DSP芯片TMS320C5402構(gòu)成數(shù)字處理系統(tǒng)，并以下位機為主體實現(xiàn)實時采樣、數(shù)據(jù)處理、分析和短時儲存，然后與上位機進行數(shù)據(jù)通訊，同時可以實現(xiàn)電壓、電流等電力參數(shù)的實時顯示和數(shù)據(jù)庫存儲管理等功能，系統(tǒng)的整體框圖如圖1所示。具體操作如下：
2.1．變壓器監(jiān)測終端首先把經(jīng)過CT, PT的三相電壓、電流，轉(zhuǎn)換為標稱值為100V和5A的電壓、電流，再把該信號經(jīng)過傳感器轉(zhuǎn)換為跟隨式的標稱值為5V的電壓信號。
2.2．由DSP完成軟件濾波、FFT運算以及電壓、電流、功率、諧波等電力參數(shù)的計算檢測并進行各種判斷，將需要的數(shù)據(jù)進行存貯。如果判斷讀出的數(shù)據(jù)值越限，DSP就控制相應的輸出繼電器動作，進行外部供電系統(tǒng)報警信息的發(fā)送。用看門狗進行刷新、復位并實時檢測系統(tǒng)。
2.3．鎖相環(huán)鎖定捕捉到的信號頻率，同時通過軟件編程和DSP控制可對六路同時采樣的高速A\D轉(zhuǎn)換器來完成六路信號的數(shù)據(jù)采集。
2.4．系統(tǒng)配有鍵盤輸入和LCD顯示，調(diào)試人員可以在現(xiàn)場通過鍵盤輸入命令，直接進行控制并從LCD讀出所需數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的電源部分采用開關(guān)電源模塊，使裝置能在較寬的電壓范圍內(nèi)正常工作。
3.系統(tǒng)的硬件設(shè)計
3.1模擬抗混疊低通撼波電路
抗混疊模擬濾波器的作用是濾掉高頻信號成分。使輸入到A/D轉(zhuǎn)換器的信號為有限帶寬信號，并且以很小的衰減讓有效的頻率信號通過，而抑制這個頻帶以外的頻率信號，從而防止信號的頻譜發(fā)生混疊及高頻干擾。為了提高測量精度，結(jié)合數(shù)字濾波的方法，可以降低對模擬抗混疊濾波器的技術(shù)要求。
本設(shè)計采用兩級RC低通抗混疊濾波器，根據(jù)采樣定理，數(shù)字系統(tǒng)所能正確分析的信號的最高頻率成分應小于采樣頻率的二分之一，即：fh<1/2fs，這樣才不致于產(chǎn)生混疊誤差，對于高于1/2fs的信號頻率成分應在采樣之前濾除，以免產(chǎn)生混疊誤差，考慮到不可能制造出截止特性非常銳陡的低通濾波器，所以fh與fs－fh之間需要一個保護帶，所以人fs/fh = 2.5～3?？紤]到本系統(tǒng)的采樣頻率約為6.4KHz （50Hz×128 = 6400Hz，即每周波采樣128點），且根據(jù)國家對諧波測量儀器的要求，A級儀器頻率測量范圍是0～2500Hz，所以將模擬低通濾波器的截止頻率定為2. 5KHz。由基本的電路知識不難算出兩階RC低通濾波器的截止頻率公式 ，取濾波電阻2.4K ，濾波電容0.01 ，就可以滿足設(shè)計要求
3.2 A/D采集電路
多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將電流互感器和電壓互感器隔離變換后的3路電壓、3路電流信號經(jīng)采樣緩沖后通過AD73360進行6路同步采集，其中AD73360的采樣頻率由鎖相倍頻電路鎖定電網(wǎng)頻率得到，AD73360采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)TMS320C5402A的串行口與CPU通信。為了提高系統(tǒng)抗干擾性能，A/D采集采用差動輸入，輸入范圍為－5V～+5V，為了使輸入信號適合A/D采集芯片的處理要求，首先對輸入信號進行緩沖和預處理。因為AD73360采用的是 轉(zhuǎn)換原理，具有優(yōu)良的內(nèi)置反混迭性能，模擬通道不需要配置高階低通濾波器，而只用簡單的一階RC低通濾波器。
AD73360的模擬輸入共有四種方式：直流耦合的差分輸入、交流耦合的差分輸入、直流耦合的單端輸入和交流耦合的單端輸入。交流耦合的差分輸入的連接如圖2所示，其中C1和C2起隔直作用，R1，C3和R2，C4分別為一階低通濾波器，R3和R4的作用是把參考信號引入到輸入端。
3.3 CPLD的應用
由于MS320LF2407僅有一個同步通訊口，因而設(shè)計中采用DSP的UART擴展。同時由于輸入輸出接口的資源有限，故采用了CPLD擴展。在本系統(tǒng)中，為了減小系統(tǒng)面積，以及加快設(shè)計步伐，采用了XILINX的XC95108芯片。它的宏單元數(shù)為108個，最大I/0數(shù)為108個，系統(tǒng)時鐘可達200MHz，采用快閃存儲技術(shù)，功耗明顯降低。系統(tǒng)中，XC95108主要解決缺相檢測、采樣脈沖產(chǎn)生、地址譯碼、鍵盤抖動和重鍵等問題。
3.4系統(tǒng)按鍵與顯示電路
在保證能完成各種功能的情況下，為了使操作簡單，選用了盡量少的按鍵數(shù)，并且采用了獨立式按鍵結(jié)構(gòu)，實行功能復用，此方法雖然在判斷哪一個按鍵按下的程序上顯得復雜了一些，但它可以節(jié)省很多的數(shù)據(jù)地址空間或I/O口線，配置靈活，硬件結(jié)構(gòu)簡單。本系統(tǒng)的按鍵部分直接采用SPCE061A的I/O口作為輸入。
作為小型的智能儀器，LCD是不可缺少的部分，操作人員可以根據(jù)需要來人工設(shè)置各種運行參數(shù)或?qū)崟r顯示各種參數(shù)。液晶顯示器由于具有顯示信息豐富，功耗低，體積小，重量輕等優(yōu)點，因而是單片機應用系統(tǒng)中最理想的顯示器件，近年來被廣泛的用于單片機控制的智能儀器、儀表、工業(yè)控制領(lǐng)域和家用電器當中。系統(tǒng)選用的是內(nèi)藏T6963 C控制器點陣圖形式的液晶顯示模塊。
4.系統(tǒng)的軟件設(shè)計
系統(tǒng)的軟件由兩個部分構(gòu)成：DSP軟件設(shè)計單元和上層監(jiān)控軟件設(shè)計單元。DSP主要用于判別按鍵、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集、對采樣量化的數(shù)據(jù)進行分析和計算以及通信控制等操作；上層監(jiān)控單元提供友好的人機界面，便于參數(shù)的顯示及控制，直觀地、實時地反映當前電網(wǎng)的運行情況。本文中主要分析DSP軟件設(shè)計單元。數(shù)據(jù)處理模塊首先是對數(shù)據(jù)采集單元得到的離散化信號進行FIR濾波處理，后運用各種算法實現(xiàn)對各項電網(wǎng)參數(shù)的計算與分析。離散化信號經(jīng)FFT變換后，以分離出基波分量和各次諧波分量，以便進行諧波分析。數(shù)據(jù)處理程序流程圖如圖3所示：
另一部分是單片機程序，主要完成讀CPLD接口數(shù)據(jù)，送到LCD電路顯示出來，掃描串口通訊，在符合語音條件時進行語音播放等功能。
傳統(tǒng)的匯編語言編程存在諸多不利因素：工作量大、地址安排復雜、調(diào)試困難、通用性差等，而采用高級語言進行軟件設(shè)計，就具有開發(fā)速度快、可靠性高、可讀可移植性高等優(yōu)點。由于TMS320C5402芯片計算速度非常快，采用高級語言編程也能夠滿足系統(tǒng)實時性的要求。采用C語言編程的軟件結(jié)構(gòu)清晰，易于理解，便于調(diào)試、連接、修改和移植，節(jié)省了軟件工作量，提高了工作效率，所以DSP程序采用C語言編寫。
仿真
在CCS平臺上，對DSP程序進行編譯后，用Emulator對之進行仿真，得到如圖4和圖5所示結(jié)果。
圖4中nADCIn0為對電路零序電壓波形的64點采樣值，nADCIn1為對電路零序電流波形的64點采樣值，圖5中電壓值76為零序電壓波形的有效值，電流值12為零序電流波形的有效值，功率值881為某電路的零序有功功率。由圖中可以看到各項預定計算功能都得到了實現(xiàn)，經(jīng)計算驗證仿真計算結(jié)果完全符合設(shè)計的要求。
6.結(jié)論與展望
我國對電網(wǎng)質(zhì)量研究起步較晚，目前使用的電網(wǎng)質(zhì)量檢測設(shè)備與發(fā)達國家還有一定距離，因此，電網(wǎng)污染問題仍然有待于進一步解決，傳統(tǒng)的采樣裝置有待于進一步優(yōu)化提高，本文首先根據(jù)當前電力參數(shù)測量領(lǐng)域中存在的實際問題，提出了研制新型電力參數(shù)測試儀的必要性和可行性。在介紹了國內(nèi)外在電量測量技術(shù)發(fā)展情況的基礎(chǔ)上，簡要分析了目前電力參數(shù)測量儀表研制過程中所采用的部分技術(shù)及各自的優(yōu)劣點。本文將得到日益廣泛應用的數(shù)字信號處理芯片與精確的傅立葉變換運算這兩種先進的軟硬件技術(shù)有效地結(jié)合起來，設(shè)計了一種基于諧波分析的多功能電力參數(shù)測試儀。
參考文獻：
[1]丁光美.高西全.數(shù)字信號處理[M].西安.電子科技大學出版社.2002
[2]施奕平.基于DSP的電能質(zhì)量監(jiān)測儀[J].電測與儀表.2002 (1)
[3]劉和平.TMS320LF240X DSP結(jié)構(gòu)、原理及應用[M].北京.北京航空航天大學出版社.2003
[4]王潞鋼.DSP C2000程序員高手進階[M].北京.機械工業(yè)出版社.2004
[5]張鳳蕊.郭俊杰.基于DSP電力參數(shù)測試系統(tǒng)的研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù).2006.(20)
（轉(zhuǎn)載）
