基于DSP的電力系統(tǒng)諧波測(cè)量裝置設(shè)計(jì)

張旭

摘 要：要想保證監(jiān)測(cè)電力系統(tǒng)諧波的準(zhǔn)確性，就要先掌握電網(wǎng)中諧波的存在情況，進(jìn)而研發(fā)一些能夠滿足測(cè)量需求、具有實(shí)用性的電力參數(shù)監(jiān)測(cè)設(shè)備。從基于DSP的電力系統(tǒng)諧波測(cè)量裝置在我國(guó)的發(fā)展情況入手，詳細(xì)分析了該裝置設(shè)計(jì)過程中存在的難點(diǎn)，進(jìn)而優(yōu)化設(shè)計(jì)流程。

關(guān)鍵詞：DSP；電力系統(tǒng)；諧波測(cè)量；測(cè)量裝置設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TM764.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.06.116

使用諧波測(cè)量工具可以收集數(shù)控機(jī)床中的進(jìn)線電壓和電流信號(hào)，還可以進(jìn)一步研究諧波的相關(guān)情況，為數(shù)控機(jī)床濾波器的設(shè)計(jì)提供更具科學(xué)性的諧波數(shù)據(jù)。相關(guān)工作人員可以從諧波數(shù)據(jù)的角度出發(fā)設(shè)計(jì)無(wú)源濾波器，過濾掉高次諧波，從而完成電網(wǎng)端電壓和電流波形等方面的測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，該諧波測(cè)量設(shè)備完全可以滿足諧波測(cè)量的基本需求。

1 硬件電路設(shè)計(jì)

1.1 信號(hào)調(diào)理電路

信號(hào)調(diào)理電路的主要作用是，保證電壓、電流互感器傳輸出的強(qiáng)電信號(hào)可以通過轉(zhuǎn)變的方式變?yōu)椴杉梢越邮盏娜蹼娦盘?hào)。其內(nèi)部構(gòu)成要素主要包含互感器、放大線路等?；ジ衅鞯闹饕饔檬寝D(zhuǎn)換信號(hào)，而輔助測(cè)量放大電路的主要工作就是將電流信號(hào)轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)，并且要將轉(zhuǎn)化后的信號(hào)通過一定的比例放大。因?yàn)殡妷夯ジ衅骶哂幸欢ǔ潭鹊母綦x作用，所以，它可以保證外部干擾不會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性的影響。但是，在設(shè)計(jì)過程中，必須考慮到其對(duì)諧波信號(hào)帶來(lái)的負(fù)面影響。因此，在調(diào)理電路的過程中，要避免電容，減少濾波和相移。信號(hào)調(diào)理電路如圖1所示。

1.2 過零檢測(cè)電路

為了保證主芯片的同步采樣工作可以順利完成，有效提升數(shù)據(jù)處理工作的真實(shí)性，在電路中要融入一些過零檢測(cè)電路。這一措施對(duì)諧波分析同步采樣工作造成了巨大的影響，可以通過其將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成相同頻率的方波信號(hào)，再讓DSP獲取方波信號(hào)，從而跟蹤電網(wǎng)頻率。具體的過零檢測(cè)電路如圖2所示。

1.3 鎖相倍頻采樣電路

在處理電力信號(hào)的過程中，先要完善頻譜泄露問題。如果出現(xiàn)頻譜泄露的情況，必然會(huì)影響測(cè)量的精確度，并且所有的采樣周期、采樣間隔都需要通過電網(wǎng)基波頻率來(lái)設(shè)定，利用該方式可以有效控制頻譜泄露所產(chǎn)生的誤差。鎖相倍頻測(cè)量是與硬件設(shè)備同步進(jìn)行的一種測(cè)量方式，通過鎖相環(huán)帶來(lái)的頻率對(duì)其進(jìn)行采樣，當(dāng)鎖相環(huán)產(chǎn)生一個(gè)上跳變時(shí)，就會(huì)采集一次數(shù)據(jù)。

1.4 采樣電路

利用DSP多通道緩沖串口接收傳入其中的信號(hào)數(shù)據(jù)。由于TMs320vc5402有高速全雙工串行口，所以，可以與系統(tǒng)中其余的期間和編碼器等實(shí)現(xiàn)接口對(duì)接。從整體結(jié)構(gòu)上看，McBS還可以劃分成數(shù)據(jù)通道和控制通道，詳細(xì)的MeBsp硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

數(shù)據(jù)通道可以發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，全方位地掌握通道內(nèi)完成的任務(wù)，包含時(shí)鐘的產(chǎn)生和產(chǎn)生的同步信號(hào)燈，并且信號(hào)控制程度可以通過多通道來(lái)選擇。同時(shí)，它還控制通道中所誕生的中斷信號(hào)，并將其送至CPU，進(jìn)而產(chǎn)生同步控制器。CPU和DMA可以從數(shù)據(jù)寄存器當(dāng)中讀取部分?jǐn)?shù)據(jù)，也可以編寫待發(fā)送的數(shù)據(jù)。從RD端口接收到的數(shù)據(jù)可以通過位移寄存器這一設(shè)備將其復(fù)制到緩沖器中，再?gòu)?fù)制到DRR中，最終利用CPU和DMA讀取得出結(jié)果的數(shù)據(jù)。這種利用多緩存方式得到的內(nèi)部數(shù)據(jù)搬移和相應(yīng)的數(shù)據(jù)通信都可以通過相同的方式完成，從而控制通道內(nèi)部任務(wù)的穩(wěn)定性。

2 軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)共分為DSP初始化處理、McBSP處理和AD處理，并且可以通過DSP和PC串口通信、并行的方式來(lái)完成程序引導(dǎo)。初始化處理屬于面對(duì)相關(guān)量的一種設(shè)置方式，在處理采集到的數(shù)據(jù)時(shí)，F(xiàn)FT是核心的算法。工作人員可以通過對(duì)McBSP和AD73360進(jìn)行初始化設(shè)置，這樣便可以保證其相互通訊。待后者初始化設(shè)置之后，已經(jīng)打開串口的接收便會(huì)被中斷，相應(yīng)地中斷服務(wù)程序，并接收由A/D轉(zhuǎn)化而來(lái)的數(shù)據(jù)。這表明，軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)是正確的，它可以在數(shù)據(jù)采集過程中起到正面、積極的作用，能夠有效保證后續(xù)數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性。在進(jìn)行諧波計(jì)算之前，要先計(jì)算FFT數(shù)據(jù)，然后從所有諧波有效值和含有率方面入手進(jìn)行后續(xù)的計(jì)算。數(shù)據(jù)傳輸工作主要包含了串口初始化和數(shù)據(jù)的接收、發(fā)送等。

此次設(shè)計(jì)使用了實(shí)數(shù)FFT算法，原始實(shí)輸入序列可以構(gòu)成N點(diǎn)復(fù)序列，再計(jì)算復(fù)序列N點(diǎn)FFT，之后通過N點(diǎn)復(fù)數(shù)輸出將其拆散成2N點(diǎn)復(fù)數(shù)序列，該序列和原始2N點(diǎn)序列DFT輸出是相同的。使用該方式來(lái)完成組合輸入和組合拆散輸出，F(xiàn)FT運(yùn)算量會(huì)減少50%，所以，如果在實(shí)際運(yùn)算過程中妥善地使用該方式計(jì)算實(shí)輸入序列DFT，那么，計(jì)算效率是常規(guī)方法的2倍。同時(shí)，可以利用這種方式來(lái)提升系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。從轉(zhuǎn)換結(jié)果入手進(jìn)行傅里葉變換FFT，使用變換結(jié)果計(jì)算所有諧波幅值，從而得出最終的電力參數(shù)。在諧波計(jì)算過程中，可以明確所有諧波的實(shí)部和虛部，計(jì)算相角正切函數(shù)的精準(zhǔn)函數(shù)值，也可以將其變換使用，計(jì)算對(duì)應(yīng)相角。

為了讓系統(tǒng)可以脫離仿真器正常的加載程序，要在系統(tǒng)中添加并行自舉引導(dǎo)程序。在CCS環(huán)境的影響下，PC機(jī)完全可以通過JTAG電纜目標(biāo)系統(tǒng)中存在的DSP通信完成調(diào)試。當(dāng)軟件編寫完成以后，可以脫離CCS環(huán)境，要求目標(biāo)系統(tǒng)在連接電路后，自動(dòng)執(zhí)行代碼完成諧波采集和諧波測(cè)量等工作。由于系統(tǒng)執(zhí)行代碼儲(chǔ)存均在外部，不能將其存到儲(chǔ)存器內(nèi)，所以，當(dāng)系統(tǒng)通電時(shí)，可以利用Bootloader將儲(chǔ)存在外部?jī)?chǔ)存器中的代碼轉(zhuǎn)移到內(nèi)部?jī)?chǔ)存器中，進(jìn)而構(gòu)成自啟動(dòng)基本條件。電壓、電流模擬信號(hào)為今后的采樣工作和相應(yīng)諧波的計(jì)算打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，它能有效保證諧波測(cè)量裝置的正常運(yùn)行。

3 結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，它為電力系統(tǒng)帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)，所以，必須要通過不斷完善電力系統(tǒng)的方式讓電力系統(tǒng)更好地為社會(huì)發(fā)展服務(wù)。本文從諧波測(cè)量的角度入手，闡述了脫離仿真器自行加載程序諧波測(cè)量分析裝置的設(shè)計(jì)模式，并且實(shí)現(xiàn)了通過串口和PC機(jī)來(lái)傳輸相關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步提升了數(shù)據(jù)傳輸效率和儲(chǔ)存效率。使用小波變換的方式計(jì)算特定時(shí)間頻率，能夠有效地保證諧波分析的準(zhǔn)確性和科學(xué)性，為日后電力系統(tǒng)更好的發(fā)展提供前提條件，進(jìn)而提升國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的速率。

參考文獻(xiàn)

[1]柳揚(yáng)意，危韌勇，李志勇，等.一種基于ANN理論的電力系統(tǒng)諧波測(cè)量新方法[J].電源世界，2012，11（28）：222-224.