電能質(zhì)量檢測分析裝置的研究

王健

摘 要：本文提出了一種基于TMS320F2812的監(jiān)測電能質(zhì)量新方法。本系統(tǒng)主要利用DSP芯片強大的數(shù)據(jù)處理能力和豐富的系統(tǒng)資源，對同步采樣來的信號進行處理，從而對電能質(zhì)量的五項指標(biāo)進行分析、存儲。實驗結(jié)果表明，TMS320F2812對數(shù)據(jù)的處理速度滿足實時性要求，本系統(tǒng)能夠快速、準(zhǔn)確地反映出電力系統(tǒng)中電能質(zhì)量各項指標(biāo)的變化情況。因此，本系統(tǒng)很好地適應(yīng)了電力系統(tǒng)對電能質(zhì)量監(jiān)測的要求。

關(guān)鍵詞：電能質(zhì)量；DSP；FFT

1 電能質(zhì)量各項指標(biāo)測量方法

1.1 供電電壓允許偏差

電力系統(tǒng)正常運行的電壓偏移，稱為電壓偏差，以實測電壓與標(biāo)稱系統(tǒng)電壓之差或其百分值來表示。

1.2 電力系統(tǒng)頻率允許偏差

電力系統(tǒng)負(fù)荷在不斷地變動，致使系統(tǒng)頻率總是一直處于變動的狀態(tài)中。這種電力系統(tǒng)在正常的運行條件下，系統(tǒng)頻率的實際值與標(biāo)稱值之差稱為系統(tǒng)的頻率偏差。

1.3 電壓波動與閃變

電壓波動是指工頻電壓包絡(luò)線的一系列變動或周期性變化，常以兩個電壓最大值和最小值之差相對于額定電壓的百分?jǐn)?shù)表示。

2 電能質(zhì)量檢測裝置硬件電路設(shè)計

電能質(zhì)量監(jiān)測裝置是一個實時系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集部分以采樣頻率不斷地向監(jiān)測裝置輸入數(shù)據(jù)，監(jiān)測裝置的微型處理器必須要來得及在兩個相鄰采樣間隔時間內(nèi)，處理完對每一組采集值的各種操作和運算。傳統(tǒng)的51系列和96系列的單片機在多個通道同時采樣的情況下，無法滿足實時測量與運算的要求。而數(shù)字信號處理（DSP）技術(shù)的快速發(fā)展，為電能質(zhì)量實時監(jiān)測提供了理想的解決方案。

對于A/D轉(zhuǎn)換的位數(shù)，它決定了量化誤差的大小，反映了轉(zhuǎn)換的精度和分辨率，這一點對繼電保護和測量裝置十分重要。由于電力系統(tǒng)中高次諧波的含有量相對于基波分量而言是非常低的，諧波次數(shù)越高其含量越低。根據(jù)實測數(shù)據(jù)，如果采用12位分辨率的A/D轉(zhuǎn)換芯片，因為A/D轉(zhuǎn)換精度不夠，對15次諧波而言至少會引起1.67%的誤差，而且在實際諧波測量中一般要求測到30次諧波，這樣產(chǎn)生的誤差影響會更大，高次諧波測量數(shù)據(jù)將沒有可信性，因此現(xiàn)場監(jiān)測單元中A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率至少應(yīng)保證為14位，這是A/D轉(zhuǎn)換器的選擇原則。

2.1 核心處理器TMS320F2812

本檢測系統(tǒng)的核心處理器選擇TI公司的一款性價比較高的芯片TMS320F2812定點高速數(shù)字處理器，最高工作頻150M，該芯片采用改進的哈佛結(jié)構(gòu)，片內(nèi)有六條獨立并行的數(shù)據(jù)和地址總線，極大地提高了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐能力，32位的累加器、16位的硬件乘法器和輸入、輸出數(shù)據(jù)移位寄存器相結(jié)合能快速地完成復(fù)雜的數(shù)值運算。因此TMS320F2812的計算速度非常高，可以滿足系統(tǒng)的在線實時性的要求。

2.2 高速A/D采樣電路

AD轉(zhuǎn)換器是模數(shù)轉(zhuǎn)換電路中的核心器件，在整個電氣測量系統(tǒng)中占有重要地位。如果模數(shù)轉(zhuǎn)換的位數(shù)低時將引起較大的測量誤差，本裝置選用TI公司的高性能A/D芯片ADS8364做模/數(shù)轉(zhuǎn)換。該芯片是一種高速、低能耗、6通道同步采樣、單+5V供電的16位高速并行接口的高性能模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。片上帶2.5V 基準(zhǔn)電壓源，可用作ADS8364的參考電壓。每片ADS8364由3個模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）構(gòu)成，每個ADC有2個模擬輸入通道，每個通道都有采樣保持器，3個ADC組成3對模擬信號輸入端，可同時對6路輸入信號采樣保持，然后逐個轉(zhuǎn)換。由于6個通道可以同時采樣，很適合用于需同時采集多個信號的場合。

2.3 鎖相倍頻電路設(shè)計原則

雖然我國電網(wǎng)的頻率規(guī)定為50Hz，但實際電網(wǎng)的頻率受供用電負(fù)荷不平衡影響會有一些波動。如果長對電力系統(tǒng)的信號進行采樣，會使實際每個工頻周期內(nèi)采樣點的起止時刻、采樣點個數(shù)出現(xiàn)差異，這種差異將導(dǎo)致柵欄效應(yīng)和頻譜泄漏，使信號頻譜分析的結(jié)果產(chǎn)生誤差。為了盡量減小這種誤差，設(shè)計鎖相倍頻電路跟蹤系統(tǒng)頻率的波動，同時根據(jù)設(shè)計的每周期采樣點數(shù)用一個計數(shù)器對系統(tǒng)頻率進行倍頻，倍頻后的信號作為A/D轉(zhuǎn)換的采樣觸發(fā)信號。鎖相環(huán)電路現(xiàn)在一般使用集成鎖相環(huán)芯片CD4046，利用其相位比較器Ⅱ，中心頻率設(shè)為12K。

3 軟件設(shè)計

一是跟硬件有密切關(guān)系的驅(qū)動程序，包括DSP內(nèi)置外圍電路的驅(qū)動、AD轉(zhuǎn)換啟動、數(shù)據(jù)的實時采集，這些驅(qū)動程序完成對硬件的底層操作，常要求及時處理，應(yīng)在中斷處理模塊中完成；二是與硬件無關(guān)的應(yīng)用程序，實時性要求不高，包括應(yīng)用層的頁面顯示程序、電能質(zhì)量分析的算法程序、數(shù)據(jù)的存儲、向上位機的通信等，應(yīng)在系統(tǒng)主程序中完成。

4.1 FFT算法的實現(xiàn)

FFT快速算法較之DFT的計算量減少許多，但FFT要做到多點實時運算，計算量還是比較大的。一方面，F(xiàn)FT需要對原始自然序列進行碼位倒置排列；另一方面，由于是復(fù)數(shù)運算，需要多次查表進行相關(guān)的乘法才能實現(xiàn)。TMS320F2812就是針對這些需求而設(shè)計的，已具有反序（位碼倒置）間接尋址指令等針對FFT的獨特指令。

4.2 數(shù)字濾波程序設(shè)計

數(shù)字濾波器從本質(zhì)來說是按事先設(shè)計好的程序，將一組輸入的數(shù)字序列通過一定的運算后轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪唤M輸出的數(shù)字序列，從而改變信號的形式和內(nèi)容，達到對信號加工或濾波以符合技術(shù)指標(biāo)的要求。數(shù)字信號處理器（DSP）作為處理數(shù)字信號的專用微處理器，為信號處理而采用的特殊硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計，配合特殊指令，因而處理速度更快，效率更高。

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