基于DSP的電能質(zhì)量監(jiān)測儀的設(shè)計(jì)

王亞（江蘇省徐州經(jīng)貿(mào)高等職業(yè)學(xué)校，江蘇 徐州 221000）

基于DSP的電能質(zhì)量監(jiān)測儀的設(shè)計(jì)

王亞
（江蘇省徐州經(jīng)貿(mào)高等職業(yè)學(xué)校，江蘇 徐州 221000）

作者簡介： 王亞（1979-），男，江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院徐州經(jīng)貿(mào)分院講師，本科學(xué)歷，主要從事單片機(jī)等方面的教學(xué)與研究。

電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)可靠監(jiān)測是電能質(zhì)量控制的基礎(chǔ)，為準(zhǔn)確監(jiān)測電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，提出一種以DSP為運(yùn)行平臺(tái)的高性能電能質(zhì)量監(jiān)測儀設(shè)計(jì)。系統(tǒng)選用TMS320F28335高性能浮點(diǎn)DSP為核心數(shù)據(jù)處理器，并采用基于布萊克曼窗的加窗插值FFT算法，實(shí)現(xiàn)對電能質(zhì)量諧波參數(shù)的高精度測量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明本系統(tǒng)有較高的實(shí)時(shí)性和分析精度，且人機(jī)交互十分友好，具有良好的應(yīng)用參考價(jià)值。

電能質(zhì)量；諧波參數(shù)；加窗插值FFT；DSP

0　引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，大功率電力電子變流裝置在電力系統(tǒng)負(fù)載中所占比例越來越大，對電力系統(tǒng)帶來了前所未有的污染與沖擊，造成電網(wǎng)諧波、三相不平衡、高壓尖峰干擾等問題，使得電網(wǎng)污染問題日益嚴(yán)重[1]。這些負(fù)面影響還嚴(yán)重干擾了用電設(shè)備尤其是一些敏感設(shè)備的正常運(yùn)行，因此電能質(zhì)量問題受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。

算法是電能質(zhì)量監(jiān)測的重要內(nèi)容，目前主要研究方向在于提出或改進(jìn)新算法進(jìn)行信號(hào)提取、去噪與分析處理[2]。其中FFT變換作為一種比較成熟的算法，給電力系統(tǒng)諧波分析帶來很大方便，但FFT變換存在固有缺陷，如只能分析基波的整數(shù)倍諧波，對于有電弧爐等設(shè)備引起的電網(wǎng)簡諧波卻無能為力，同時(shí)FFT固有的“柵欄效應(yīng)”、頻譜長泄漏與短泄漏問題也降低了諧波分析的精度。為解決FFT算法存在的問題，很多學(xué)者對傳統(tǒng)FFT進(jìn)行了諸多改進(jìn)。如為了改善非帶限信號(hào)高頻部分在整個(gè)頻譜范圍內(nèi)造成的長泄漏，將窗函數(shù)引入FFT變換，提出加窗FFT變換；為了改善由于FFT變換的“柵欄效應(yīng)”引起的對相鄰諧波的頻譜段泄漏影響，對FFT變換結(jié)果做插值修正，使結(jié)果更加精確[3]。

本文在分析了國內(nèi)外在電能質(zhì)量監(jiān)測方面研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，根據(jù)電能質(zhì)量分析對實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性、界面友好性的要求，開發(fā)了一種集數(shù)據(jù)采集、處理、分析與存儲(chǔ)、具有良好人機(jī)交互性能的便攜式電能質(zhì)量分析儀，本設(shè)計(jì)采用DSP+PC的硬件架構(gòu)，既充分運(yùn)用了DSP的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力，又結(jié)合了PC機(jī)界面友好、易于后期軟件維護(hù)與升級的優(yōu)點(diǎn)。

1　電網(wǎng)諧波計(jì)算原理

電網(wǎng)諧波對電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行帶來嚴(yán)重影響，不僅會(huì)增加電力系統(tǒng)的電力損耗，還會(huì)干擾通訊信號(hào)并加速一些設(shè)備的老化，對于一些正常工業(yè)生產(chǎn)中的電力監(jiān)測帶來很大誤差。因此，在電能計(jì)算過程中，對于電網(wǎng)諧波的計(jì)算及其造成的誤差分析顯得非常重要[4]。

1.1諧波計(jì)算分析方法

分析電力系統(tǒng)諧波污染程度，一般用單次諧波含有率和總諧波畸變率來表示[5]。單次諧波含有率是研究單次諧波對系統(tǒng)的污染情況，總諧波畸變率是研究整個(gè)系統(tǒng)畸變程度的物理量。

第k次諧波含有率定義為第k次諧波方均根與基波方均根之比，計(jì)算公式如下：去掉畸變波形中的基波分量為諧波分量，其方均根值定義為諧波含量UH、IH，相應(yīng)計(jì)算公式如下：而總諧波畸變率定義為諧波分量與基波分量均方根之比：

傅里葉變換法是一種成熟的諧波分析算法，一次變換即可算出基波和所有高次諧波，目前在諧波分析中得到了最廣泛的應(yīng)用。但傅里葉變換計(jì)算量較大且需要一定長度的采樣序列，會(huì)影響傅里葉分析的實(shí)時(shí)性，且傅里葉變換是基于平穩(wěn)信號(hào)的算法，對于頻率快速變化的信號(hào)分析誤差較大[6]。國內(nèi)外學(xué)者通過改進(jìn)算法對其進(jìn)行優(yōu)化，如利用加窗的方法來抑制某頻率的成分在整個(gè)頻譜內(nèi)的泄漏。本設(shè)計(jì)在國內(nèi)外研究的基礎(chǔ)上，采用加窗插值FFT變換對諧波進(jìn)行分析。

1.2加窗插值FFT算法原理

傳統(tǒng)FFT分析出現(xiàn)的頻譜泄露問題主要是由信號(hào)截?cái)嘣斐傻模盘?hào)截?cái)嘣斐尚盘?hào)部分能量泄露，因此選擇合適的窗函數(shù)對信號(hào)進(jìn)行截?cái)嘀陵P(guān)重要。常見的窗函數(shù)主要有矩形窗、漢明窗、布萊克曼窗等[7]。其中布萊克曼窗具有較小的主瓣寬度及較好的旁瓣衰減性能，更適合于電能質(zhì)量諧波分析。加窗FFT變換操作過程較為簡單，即在信號(hào)序列變換之前，根據(jù)選擇的窗口函數(shù)對信號(hào)序列進(jìn)行加權(quán)[8]，然后對加權(quán)過后的窗口進(jìn)行FFT變換。

由于電網(wǎng)頻率存在一定的波動(dòng)，因此很難做到對電網(wǎng)信號(hào)的同步采樣，使得FFT分析時(shí)頻域分辨點(diǎn)與信號(hào)的實(shí)際頻率之間出現(xiàn)錯(cuò)位，造成諧波幅值分析出現(xiàn)較大誤差。插值校正通過相鄰兩個(gè)頻率分辨點(diǎn)幅值對信號(hào)真實(shí)頻率幅值進(jìn)行修正，可以有效抑制非同步采樣帶來的諧波分析誤差影響[9-10]。

1.3基于加窗插值FFT的電能質(zhì)量諧波分析

如圖1所示，對電能質(zhì)量進(jìn)行加窗插值FFT分析主要分以下步驟：

第一步 FIR數(shù)字濾波：對以fs為采樣頻率采樣的電流、電壓信號(hào)離散序列進(jìn)行FIR數(shù)字濾波，用于抑制后期FFT分析的頻譜混疊現(xiàn)象；

第二步 加窗截?cái)啵簩?jīng)FIR濾波處理的信號(hào)序列進(jìn)行加窗（布萊克曼窗）處理，用于抑制后期頻譜泄漏帶來的諧波幅值誤差；

第三步 實(shí)數(shù)FFT變換：對加窗處理后的信號(hào)序列進(jìn)行實(shí)數(shù)FFT變換，降低FFT計(jì)算復(fù)雜度，得到諧波幅值；

第四步 插值修正：對FFT分析結(jié)果進(jìn)行插值修正，抑制因信號(hào)的非同步采樣引起的頻譜泄漏現(xiàn)象，更進(jìn)一步提高諧波分析精度。

圖1　電能質(zhì)量諧波分析示意圖Fig.1 The harmonic analysis figure of power quality

2　硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件采用DSP+PC的架構(gòu)，由于加窗插值FFT算法計(jì)算復(fù)雜，為了提高系統(tǒng)信號(hào)處理能力，選用TI公司推出的TMS320F28335作為中央處理器[11-12]。此外，為提高系統(tǒng)采樣性能和諧波分析精度，采用TI公司6通道高速同步交流采樣芯片ADS8364作為系統(tǒng)采樣AD，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The structure drawing of system hardware

由圖2可看出，電網(wǎng)信號(hào)經(jīng)過采樣調(diào)理電路被送到ADS8364轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。DSP與ADS8364之間通過DSP內(nèi)置XINTF實(shí)現(xiàn)無縫對接，采樣得到的數(shù)字信號(hào)序列被送到DSP進(jìn)行分析處理，得到要計(jì)算的電能質(zhì)量參數(shù)，結(jié)果通過串口發(fā)送到PC上位機(jī)。為使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)長期的在線監(jiān)測還配備了SD卡存儲(chǔ)器，DSP與SD卡之間通過SPI接口讀寫[13-14]。

2.1前端調(diào)理電路設(shè)計(jì)

前端調(diào)理電路主要作用是對原始信號(hào)進(jìn)行放大、濾波等處理。根據(jù)ADS8364對采樣信號(hào)的要求，采樣信號(hào)采用差分輸入時(shí)，加在芯片采樣引腳的電壓應(yīng)在0～5V之間，而且從互感器出來的信號(hào)是一個(gè)電流信號(hào)，因此前端電路的一個(gè)作用就是將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)并滿足ADS8364對輸入信號(hào)的要求。由于本系統(tǒng)要求分析2～32次電網(wǎng)諧波，因此濾波截止頻率為2*32*50=3200Hz，ADS采樣頻率被確定為3200*2=6400Hz，進(jìn)一步可以算出ADS8364采樣時(shí)鐘頻率為6400*20=128KHz，前端調(diào)理電路原理圖如圖3所示。

圖3　前端調(diào)理電路原理圖Fig.3 The front-end circuit principle diagram

2.2采樣芯片與DSP接口電路設(shè)計(jì)

ADS8364采樣芯片具有最高可達(dá)250Kps的采樣頻率，與DSP之間通過內(nèi)置XINTF接口實(shí)現(xiàn)無縫連接，通過此連接并配合ADS8364控制時(shí)序，DSP可像訪問本身內(nèi)存一樣對ADS8364進(jìn)行讀寫控制。

如圖4所示，IOPA2～I(xiàn)OPA4連接HOLDx引腳用于控制被采樣的輸入通道，EA12～EA15 是DSP的XINTF接口地址總線，D0～D15為XINTF數(shù)據(jù)總線，他們之間恰當(dāng)配合用于使能ADS8364，并從中讀取采樣數(shù)據(jù)。DSP的PWM1輸出用于供給AD采樣時(shí)鐘，將ADS8364的EOC引腳接到DSP外部中斷引腳EXT_INT1上用于通知DSP采樣完成，DSP在中斷服務(wù)程序完成采樣數(shù)據(jù)讀取。

圖4　ADS8364與DSP間接口示意圖Fig.4 The interface diagram of ADS8364 and DSP

3　軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

軟件系統(tǒng)主要包括AD采樣程序、數(shù)據(jù)處理程序、SD卡存儲(chǔ)及上位機(jī)串口通信程序、上位機(jī)應(yīng)用軟件四部分。AD采樣程序主要用于驅(qū)動(dòng)ADS8364并將轉(zhuǎn)換后的結(jié)果讀到DSP內(nèi)存中；數(shù)據(jù)處理程序負(fù)責(zé)電能質(zhì)量各參數(shù)的計(jì)算；SD存儲(chǔ)及上位機(jī)串口通信程序負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及將計(jì)算結(jié)果上傳PC機(jī)顯示；PC上位機(jī)應(yīng)用軟件負(fù)責(zé)上傳數(shù)據(jù)的顯示以及進(jìn)一步分析，軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5　軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.5 The software system structure

3.1ADS8364驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

ADS8364是16位并行輸出的AD轉(zhuǎn)換芯片，易與DSP38335無縫連接。設(shè)計(jì)時(shí)配置XINTF模塊和端口A、E、F相關(guān)引腳，用于控制ADS8364工作時(shí)序，配置16位XINTF總線寬度用于接收并行數(shù)據(jù)總線傳來的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，并將ADS8364的EOC引腳信號(hào)作為主機(jī)的一個(gè)外部中斷源，在中斷中完成一組數(shù)據(jù)的讀取。如圖6展示了ADS8364完整采樣、讀數(shù)的一組工作時(shí)序。

圖6　ADS8364工作時(shí)序圖Fig.6 The chart of ADS8364 working sequential

3.2串口通信程序的設(shè)計(jì)

DSP與PC機(jī)之間通過串口（內(nèi)置SCI模塊）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信，這部分程序主要涉及通信協(xié)議的設(shè)計(jì)以及如何封裝和解析數(shù)據(jù)幀。發(fā)往PC機(jī)的數(shù)據(jù)幀里封裝了一次完整分析后產(chǎn)生的結(jié)果，用于PC機(jī)應(yīng)用軟件界面的顯示；接收來自PC的數(shù)據(jù)幀主要用于告知DSP應(yīng)用軟件是否準(zhǔn)備好以及發(fā)出其他修改系統(tǒng)參數(shù)的命令。

4　系統(tǒng)仿真與測試

由于整個(gè)DSP軟件系統(tǒng)較復(fù)雜，在調(diào)試過程中分模塊先后進(jìn)行仿真調(diào)試。信號(hào)的加窗插值傅里葉變換是電能質(zhì)量諧波分析的主要內(nèi)容，此部分程序的仿真調(diào)試分為三步：首先在MATLAB軟件上用M語言編寫代碼并驗(yàn)證算法的正確性，作為后面代碼移植是否正確的比照；其次是將M語言轉(zhuǎn)化成C語言的形式在VC++6.0開發(fā)平臺(tái)上仿真運(yùn)行，通過對比MATLAB運(yùn)行結(jié)果驗(yàn)證程序的正確性；最后將在PC機(jī)上運(yùn)行的C語言程序移植到DSP平臺(tái)上運(yùn)行，通過CCS3.3的在線仿真功能驗(yàn)證最后的移植工作是否成功。

給系統(tǒng)施加一個(gè)頻率為50.15Hz，基波和各次諧波幅值分別為316.0V、 12.5V、 9.3V、 1.54 V、15.5 V、 0.93 V、 6.2 V、 4.5 V、 3.5 V、 2.1 V，相位分別為0.3π、0.8π、0.7π、0.6π、0.5π、0.3π、0.2π、0.1π、0.2π、0.1π的測試信號(hào)，運(yùn)行結(jié)果如表1所示。

從表1中可以看出，在系統(tǒng)保留兩位小數(shù)的情況下，DSP諧波分析程序計(jì)算結(jié)果與實(shí)際值完全一致，因此系統(tǒng)電能質(zhì)量諧波分析具有較高精度。

圖7　串口通信程序流程圖Fig.7 The program flow chart of serial port communication

5　結(jié)論

該系統(tǒng)經(jīng)過模擬測試，監(jiān)測儀與上位機(jī)之間通信可靠，DSP讀寫SD卡正常，DSP計(jì)算電能質(zhì)量參數(shù)具有較高精度，且PC上位機(jī)應(yīng)用軟件滿足顯示與數(shù)據(jù)后期處理要求，測試結(jié)果表明本系統(tǒng)有以下特點(diǎn)：（1）硬件系統(tǒng)配備了大容量SD存儲(chǔ)卡，使系統(tǒng)具備對電能質(zhì)量長期在線監(jiān)測的功能；（2）軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)始終遵循 “自頂向下，逐步求精”的思想，既降低開發(fā)難度又提高了軟件系統(tǒng)的可靠性；（3）設(shè)計(jì)了基于布萊克曼窗的加窗插值FFT變換算法，諧波分析精度得到有效提高。電能質(zhì)量監(jiān)測儀的設(shè)計(jì)理念涉及多方面知識(shí)的運(yùn)用，本文提出的基于DSP的電能質(zhì)量監(jiān)測儀的設(shè)計(jì)，人機(jī)交互十分友好，能為相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。

表1　各次諧波實(shí)際值與DSP計(jì)算值對照表Tab.1 The comparison table of every harmonic actual value and DSP calculation value

[1] 肖湘寧，徐詠梅. 電能質(zhì)量問題剖析[J]. 電網(wǎng)技術(shù)，2001，25 （3）：66-69.

Xiao xiangning，Xu Yonghai. Power quality analysis and its development[J]. Power System Technology，2001，25（3）: 66-69.

[2] 時(shí)平，劉桂英. 現(xiàn)代電能質(zhì)量檢測技術(shù)[M]. 北京：中國電力出版社，2008.

Shi Ping，Liu Guiying. Modern power quality detection technology[M]. BeiJing: China Electric Power Press，2008. [3] 李林. 電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[M]. 黑龍江：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2009.

LiLin. The design and research of power quality monitoring system[M]. HeiLongjiang: Harbin industrial university press，2009.

[4] 余健明，同向前，蘇文成. 供電技術(shù)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

Yu Jianming，Tong Xiangqian，Su Wencheng. Power supply technology[M]. BeiJing: Mechanical industry press，2007.

[5] 謝勝，陳航，于平. 基于平均幅度譜的高精度頻率估計(jì)方法[J]. 新型工業(yè)化，2011，1（3），31-36.

Xie Sheng，Chen Hang，Yu Ping. High-Accuracy Frequency Estimator Based On Average Amplitude Spectrum[J]. The Journal of New Industrialization ，2011，1（3），31-36.

[6] 祝純，鄭競宏. DSP和小波理論在電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 電工技術(shù)雜志，2004，（4）：32.

Zu Chun，Zheng Jinghong. Application of DSP and Wavelet Transform for Power Quality Monitoring System[J]. Electrotechnical Journal，2004，（4）: 32.

[7] 趙健，王賓，馬苗. 數(shù)字信號(hào)處理[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2011，86-131.

Zhao Jian，Wang bin，Ma Miao. Digital Signal Processing[M] . Tsinghua University Press，2011，86-131.

[8] 方志紅，張長耀，俞根苗．利用逆序循環(huán)實(shí)現(xiàn)FFT運(yùn)算中倒序算法的優(yōu)化[J]．信號(hào)處理，2004，（5）：533-535.

Fang Zhihong，Zhang Changyao，Yu Genmiao. Use Bit Reverse Loop to realize the optimization of Bit scramble algorithm in FFT[J]. Signal Processing，2004，（5）：533-535.

[9] 陳飛，岳寧，吳林峰. 一種實(shí)序列FFT新算法與C語言實(shí)現(xiàn)[J]．信息電子工程，2008，（6）：437-439.

Chen Fei，Yue Ning，Wu Linfeng. A New FFT Algorithm with Real Input and Implementation in C Language[J]. Information and Electronic Engineering，2008，（6）：437-439.

[10] 管天云. 擴(kuò)展頻譜時(shí)域反射法的理論與實(shí)驗(yàn)研究[J]. 新型工業(yè)化，2014，1（1）: 84-89.

Guan Tianyun. Theoretical and Experimental Study of Spread Spectral Domain Reflectome[J]. Industrialization Straregy，2014，1（1）: 84-89.

[11] 劉陵順，高艷麗，張樹團(tuán)，等．TMS320F28335 DSP原理及開發(fā)編程[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

Liu Lingshun，Gao Yanli，Zhang Shutuan，et al. The DSP principle and development programming of TMS320F28335[M]. Beijing:Beijing University of Aeronautics and Astronautics Press，20011.

[12] Sanjit K. K. Mitra. Digital Signal Processing: A Computer-Based Approach[J]. Older Edition，2000.

[13] Shao Chunsheng. Design of Power Quality Monitoring System Based on DSP and GPRS[J]. International Conference on Electronics and Optoelectronics，2011.

[14] Baifen Liu，Ying Gao. Research on power quality monitoring system based on DSP and GPR[J]. Industrial Electronics and Applications : IEEE，2012.

Design of Power Quality Monitor Based on DSP

WANG Ya
(Advanced vocational school of Xuzhou economy and trade, Xuzhou 221000, China)

The base of the power quality control is the real-time reliable monitoring of grid operation state. This paper presents a high-performance electric power quality monitor based on DSP for monitoring the grid operation state accurately. The system selects high-performance floating-point DSP TMS320F28335 as the core data processor, and adopts window interpolation FFT algorithm based on blackman window to realize high precision measuring of power quality harmonic parameters. The experimental results show that this system has higher instantiate and analytical precision. And the human-computer interaction is very friendly, having a good reference value in application.

Power quality; Harmonic parameters; Window interpolation FFT; DSP

10.3969/j.issn.2095-6649.2015.10.008

WANG Ya. Design of Power Quality Monitor Based on DSP[J]. The Journal of New Industrialization，2015，5（10）: 42-47.

本文引用格式：王亞.基于DSP的電能質(zhì)量監(jiān)測儀的設(shè)計(jì)[J]. 新型工業(yè)化，2015，5（10）：42-47.