（电工理论与新技术专业论文）基于dsp的电力系统谐波测量仪的设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t b e c a u s eo ft h ef a s td e v e l o p m e n to fe l e c t r i ca n de l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , t h eh a r m o n i c p r o b l e mh a sc a u s e dm o r e a n dm o r ec o n c e r n so fp e o p l ea n dd r a w nm u c ha t t e n t i o n i n c r e a s i n g l y o fe n t e r p r i s e sa n dp o w e rm a n a g e m e n ts e c t o r s ，w h i c ha c c e l e r a t e st h e d e v e l o p m e n to fs o l v i n gt h ep r o b l e m i no r d e r t om o n i t o rp o w e rs y s t e mh a r m o n i cr e a l t i m e l y a n da c c u r a t e l xa n dg r a s pt h ea c t u a lc o n d i t i o n so fp o w e rn e t w o r kh a r m o n i c ，ad e s i g no fn e w t y p ed i g i t a le l e c t r i cm o n i t o r i n gi n s t r u m e n tf o rp o w e rn e t w o r ki sd e m a n d e du r g e n t l y f o rt h e s u p e r i o rc a p a b i l i t yo fd s p , t h ed s pc h i p sh a v el e dt h ea p p l i c a t i o no fa p p a r a t u sa n d i n s t r u m e n t a na u t o m a t i cl o a d i n ga n dr u n n i n gh a r m o n i cm e a s u r e m e n ta n a l y s i si n s t r u m e n tw h i c hi s d i v o r c e df r o me m u l a t o ra n db a s e do nt h et m s 3 2 0 v c 5 4 0 2c h i po ft ic o i sp r o p o s e d t h e h a r d w a r ed e s i g ni n c l u d e st h em i n i m u ms y s t e mb a s e do nd s p , t h ed a t ac o l l e c t i o nc i r c u i t b o a r dw i t ha d 7 33 6 0 ，a n dt h ed e v i c ec o n n e c t e dt op e r s o n a lc o m p u t e r t h es o f t w a r ed e s i g n i n c l u d e sf f ta r i t h m e t i cw h i c hi su s e dt oa n a l y z eh a r m o n i c ，d a t ac o l l e c t i o n ，b o o tl o a d e ra n d p r o g r a m ，a n dd a t as e r i a lt r a n s m i s s i o n t h eh a r m o n i cm e a s u r e m e n td e v i c ed e s i g n e di nt h i sp a p e rc a ng e tt h ed a t ao fi n p u tv o l t a g e a n dc u r r e n ts i g n a l so fc n cm a c h i n et o o l ，a n dp r o v i d et h ea c c u r a t eh a r m o n i cd a t aa st h e d e s i g nr e f e r e n c eo ff i l t e r t h em e a s u r e dv a l u eo fg r i d s i d ev o l t a g e ，c u r r e n ta n dh a r m o n i c m e e tt h ec r i t e r i o n ，w h i c hv e r i f yt h a tt h ed e s i g nc a l lm e a s u r ea n da n a l y z eh a r m o n i c a c c u r a t e l y k e yw o r d s ：d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) ；h a r m o n i c ；d a t as a m p l i n g ；n u m e r i c a lc o n t r o l m a c h i n e 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 匆不保密口，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：可p 小产指导老师签名： - 国躐 日期：如1 、s 日期 钞，多歹口 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 基于d s p 平台设计了一套电力系统谐波测量仪器。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名：前小 日期：知l o s 岖 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 ! i ii i i i 曼曼曼曼 第1 章绪论 i i 课题研究的背景及意义 早期电力系统的谐波主要是随着电机和变压器的设计和运行而产生的，变压器和 旋转电机在正常的稳态运行条件下，不会在网络中产生大的畸变分量，但是在暂态扰 动时和非正常运行时将会产生谐波分量；除此之外，电弧炉和荧光照明灯日常生活中 最常见的两种谐波源。随着现代电力电子的发展，相角控制换流器和逆变器已成为越 来越广泛的技术，特别是逆变器供电的交流驱动在数量和额定功率上都在增加，对电 力系统产生越来越重要的影响l l 弓j 。 随着电力系统的不断发展和用电负荷的不断增长，电力系统中的电能质量问题越 来越突出，一方面，大量敏感性负荷对电能质量的要求越来越高，而另一方面，越来 越多的非线性负荷不断接入电网，使电力系统总体的电能质量状况不断恶化。谐波是 电能质量中很重要的一个方面，谐波将对电力系统产生以下几个方面的危害【4 j ： 1 ) 增加了发、输、供和用电设备的附加损耗，使设备过热，降低设备的效率和利 用率。由于谐波电流的频率为基波频率的整数倍，高频电流流过导体时，因集肤效应 的作用，使导体对谐波电流的有效电阻增加，从而增加了设备的功率和电能损耗，使 导体的发热加剧。 2 ) 影响继电保护和自动控制装置的工作可靠性。谐波对电力系统中以基波负序量 为基础的继电保护和自动装置的影响十分严重，会引起发电机负序电流保护装置误动 作、变电站主变的复合电压启动过电流保护装置负序电压元件误动作，母线差动保护 的负序电压闭锁元件误动作等，严重威胁电力系统的安全运行。 3 ) 使测量和计量仪器的指示和计量不准确。由于电力计量装置都是按5 0h z 标准的 正弦波设计的，当供电电压或负荷电流中有谐波成分时，会影响感应式电能表的正常 工作。在有谐波源的情况下，谐波源用户处的电能表记录了该用户吸收的基波电能并 扣除- d , 部分谐波电能，从而谐波源不仅污染了电网，而且还少交了电费；而与此同 时，在线性负荷用户处，电能表记录的是该用户吸收的基波电能及部分的谐波电能， 这部分谐波电能不但使线性负荷性能变坏，而且还要多交电费。 4 ) 干扰通信系统的工作。电力线路上流过的3 、5 、7 和11 次等幅值较大的奇次低 频谐波电流通过磁场耦合，在邻近电力线路的通信线路中产生干扰电压，干扰通信系 统的工作，影响通信线路通话的清晰度，甚至在极端情况下，还会威胁通信设备和人 员的安全。另外，高压直流换流站换相过程中产生的电磁噪声会干挠电力载波通信的 正常工作，并使利用载波工作的闭锁和继电保护装置误动作。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 5 ) 对用电设备的影响。谐波会使电视机和计算机的图形畸变，画面亮度发生波动 变化，并使机内的元件出现过热，使计算机及数据处理系统出现错误。对于带有启动 用的镇流器和提高功率因数用电容器的荧光灯及汞灯来说，会因为在一定参数的配合 下，形成某次谐波频率下的谐振，使镇流器或电容器因过热而损坏。对于采用晶闸管 的变速装置，谐波可能使晶闸管误动作，或使控制回路误触发。 日本电气学会1 9 9 7 年发表了一项有关谐波危害的报告，该报告指出：进入9 0 年 代以后，每年由谐波引起的电网故障率比9 0 年代之前要高得多。在被调查的3 6 3 次事 故中，引起设备烧毁的故障次数最多，有1 2 4 次，是总数的3 4 3 ，其次是引起设备 工作异常的故障有8 9 次，是总数的2 4 6 。我国的情况大体与此类似。 随着谐波污染的日益严重和对电能质量要求的提高，对谐波抑制的要求也越来越 高，如何根据现场的谐波污染状况进行滤波器的投切也变得更加重要，针对这种情况， 需要对电力系统谐波进行测量与分析，为电力工作者提供实时谐波参数，从而可行性 的提出抑制谐波方法，使电力系统中谐波含量限制在5 以下，符合国家电能质量谐波 标准。 1 2 国内外发展现状 谐波问题涉及面很广，包括对畸变波的分析方法、谐波源分析、电网谐波潮流计 算、谐波补偿和抑制、谐波限制标准、谐波测量及在谐波情况下对各种电气量的测量 方法等。谐波测量是谐波问题中的一个重要分支，也是研究分析谐波问题的出发点和 主要依据。由于谐波具有固有的非线性、随机性、分布性、非平稳性和影响因素的复 杂性等特征，因此难以对谐波进行准确测量，为此许多学者对谐波测量问题进行广泛 研究【l 】o 电能质量，特别是谐波问题，早在2 0 世纪2 0 年代和3 0 年代就引起了人们的注意。 当时在德国，由于使用静止汞弧变流器而造成了电流波形畸变。1 9 4 5 年j c r e a d 发表了有关变流器谐波的论文，是早期谐波研究比较有影响的论文【引。到了2 0 世纪5 0 年代和6 0 年代，由于高压直流输电技术的发展，使得谐波污染加剧，人们对其研究的 力度加大，发表了一些有学术价值的研究电力系统谐波的论文【6 】。近年来，各种非线性 负载，特别是新型电力电子器件在电力系统、工业各部门和家用电器产品中的日益广 泛应用，使得谐波电流和无功电流大量流人电网。在日本，换流装置在2 0 0 0 年的普及 率和增长率为1 9 8 7 年的2 5 倍，谐波电流和电力系统容量的比例上升到1 9 9 0 年的2 倍左右；在美国，电力电子装置1 9 9 9 年上升到1 9 9 2 年的4 5 倍左右，电力谐波上升 到1 9 9 2 年的2 5 倍左右【7 1 。随着我国改革开放政策的实施，国民经济的高速发展，直 流输电和柔性交流输电技术的采用，电气化铁道的快速发展，化工、冶金和煤炭等工 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 曼曼曼曼曼曼曼曼曼吕皇曼曼曼i 一i m 一i 一一一i ! i ! 业部门中大量应用电力电子设备，以及节能工作中电力电子技术的应用等，因而谐波 污染源的使用数量不断增加，电网电压畸变率不断上升，使得电力系统的谐波问题日 益严重。总之，现在世界各地的谐波污染问题呈逐渐上升趋势。 同时电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置的日益广泛应用，谐波污染的 日趋严重，谐波问题己在世界范围内得到了广泛的关注。1 9 8 2 年，国际电工委员会第 一次制定了通用电器设备产生谐波的限制标准i e c 一5 5 ，并且在以后的执行过程中 不断地进行了修订和完善，是一部最早的最具权威的谐波限制标准，在欧美等发达国 家己被强制执行 8 1 。1 9 9 3 年，美国电气和电子工程师学会在以上标准的基础上进行了 修改和补充，制定了i e e e 5 1 9 谐波限制标准【9 】。另外，国际大电网会议、国际供电会 议等国际性学术组织，也相继成立了专门的电力系统谐波工作组，并已制定出了限制 电力系统谐波的相关标准。国际国内召开了多次有关谐波问题的学术会议，探讨和交 流谐波治理的方法和经验。奥地利g e o r g ej w a k i l e h2 0 0 1 年出版的( ( p o w e rs y s t e m s h a r m o n i c s ) ) 是国外谐波治理的代表作。我国也将谐波的管理、监测和治理等摆到了十 分重要的位置，也先后于1 9 8 4 年和1 9 9 3 年分别制定了限制电力谐波的规定和国家标 准。吴竞昌等人1 9 8 8 年出版的电力系统谐波，夏道止等人1 9 9 4 年出版的高压直 流输电系统的谐波分析及滤波，王兆安等人1 9 9 8 年出版的谐波抑制和无功功率补 偿是我国近年来在谐波治理方面发表的具有较大影响的著作。 新的谐波检测方法层出不穷，如a k a 西h 等学者提出的基于瞬时无功功率理论的 谐波电流检测方澍加】，该方法具有较好的实时性，而且既能治理谐波又能补偿无功功 率；又如基于傅立叶变换的谐波检测方法【l0 1 ，该方法具有检测精度较高、实现简单、 功能多和使用方便等诸多优点，因而在频谱分析和谐波检测两个方面均得到了比较广 泛的应用。针对现有的各种谐波电流检测方法都存在延时问题，近年来提出了一些新 型谐波电流预测方法，如基于加权一阶局域理论的谐波电流预测方法。这些成果的取 得无疑促进了有源电力滤波技术的发展，特别是进入8 0 年代以后，由于新型电力半导 体开关器件的出现，p w m 控制技术的发展，以及新型谐波电流检测方法的提出，有源 电力滤波技术( a c t i v ep o w e rf i l t e r 简称a p f ) 得以迅速发展。国外有源电力滤波器的研 究以日本为代表，1 9 8 2 年第一台实用的有源电力滤波器装置投入实际运行，现已步入 实用化阶段。尽管如此，由于a p f 初期投入大，补偿容量难以做大等原因，使得a p f 未能普及应用。因此，目前在理论和应用两方面都存在许多问题，需要进一步研究和 解决。 近l o 多年来，对电力谐波问题的研究已经大大超过了电力系统自身的研究范围， 渗透到电工理论、非线性系统理论、数字信号处理、电力电子等学科领域，对电力谐 波的研究己取得了前所未有的进展，并有了许多重要发展。谐波问题逐渐被认识和了 解，对其产生的原因，计算方法的分析，危害与影响的机理，测量与评估标准的制定， 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 i i 以及研究综合治理措施等方面的探索也在不断深入。但由于谐波问题复杂，涉及领域 宽，目前仍有大量问题需要解决。谐波研究工作概括起来可以划分为4 个方面【4 1 ： 1 ) 谐波功率理论研究； 2 ) 谐波及其危害和影响的分析，制定限制谐波的标准； 3 ) 谐波有关的测量问题； 4 ) 谐波的补偿和抑制。 1 3i ) s p 技术的发展 数字信号处理器( d s p ) 是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器， 主要用于实时快速实现各种数字信号处理的算法。在2 0 世纪8 0 年代以前，由于受实 现方法的限制，数字信号处理的理论还不能得到广泛的应用，直到2 0 世纪8 0 年代初， 世界上第一快单片可编程d s p 芯片的诞生，才使理论研究成果广泛应用到实际的系统 中，并且推动了新的理论和应用领域的发展。可以毫不夸张地说，d s p 芯片的诞生及 发展对近2 0 年来通信、计算机、控制等领域的技术发展起到了十分重要的作用。 在数字信号处理芯片没有得到广泛应用之前，传统上常采用单片机进行应用系统 设计，但是由于单片机的计算能力不强，比如在运行一些数字信号处理的基本算法时 就呈现出劣势，比如说在实现6 4 点以上的f f t 算法时，会出现计算速度慢的特点，往 往不能满足实时性的要求，尤其是现在的应用系统算法日渐复杂，对数据处理的要求 也越来越高，如果继续采用单片机，在功能和实时性方面已经不能满足一些复杂系统 的需要，而采用基于d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 的应用系统设计方法，就可以充分 发挥d s p 芯片的数字信号处理优势，系统中复杂软件算法就可很容易实现，运算速度 也得了很大程度的提高，显著地提高了系统的处理效率，并且最大限度的提高了硬件 系统的性价比。 近年来，集成电路技术和制造工艺的突飞猛进，大大推动了数字信号处理方法和 应用的研究。高速数字信号处理技术的发展及其制造成本的降低，使数字信号处理技 术在电力系统的各个研究领域得到了广泛的应用，人们已经开始将d s p 技术应用于某 些电力产品的开发研制中。 目前，d s p 芯片发展非常迅速。d s p 芯片的信号处理能力更加完善，而且系统开 发更加方便、程序编辑调试更加灵活、功耗进一步降低、成本不断下降，尤其是各种 通用外设集成到片上，大大地提高了数字信号处理能力。d s p 芯片不仅在通信、计算 机领域得到了广泛的应用，而且逐渐渗透到了人们日常消费领域。 目前，t i 公司提出一种新的概念“d s p s ”( d s ps y s t e m ) ，受到广泛的重视。d s p s 即d s p 芯片制造商为d s p 芯片提供的应用系统解决方案，它是以d s p 为核心，配合 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 i i 先进的混合信号电路、a s i c 电路、软件及开发工具等集成在一起的完整的参考方案。 d s p 的兴起、d s p s 概念的提出，大大促进了仪器智能化的进程。 数字信号处理不同于普通的科学计算与分析，它强调运算的实时性。因此，d s p 除了具备普通微处理器所强调的高速运算的控制能力外，针对实时数字信号处理的特 点，在处理器结构、指令系统、指令流程上做了很大的改进，其主要特点如下： 1 采用哈佛结构。d s p 芯片普遍采用数据总线和程序总线分离的哈佛结构或改进 的哈佛结构，比传统处理器的冯诺依曼结构有更快的指令执行速度。 2 采用多总线结构。d s p 芯片都采用多总线结构，可同时进行取指令和多个数据 存取操作，并由辅助寄存器自动增减地址进行寻址，使c p u 在一个机器周期内可多次 对程序空间和数据空间进行访问期间，大大提高了d s p 的运行速度。 3 采用流水线技术。每条指令可通过片内多功能单元完成取指、译码、取操作数 和执行等多个步骤，实现多条指令的并行执行，从而不提高系统时钟频率的条件下减 少每条指令的执行时间。 4 配有专用的硬件乘法累加器。为了适应数字信号处理的需要，当前的d s p 芯 片都配有专用的硬件乘法累加器，可在一个周期内完成一次乘法和一次累加操作，从 而可实现数据的乘法累加操作。 5 具有特殊的d s p 指令。为了满足数字信号处理的需要，在d s p 的指令系统中， 设计了一些完成特殊功能的指令。如为了实现f f t 运算，当前的d s p 大多在指令系统 中设置了“循环寻址”及“位码倒置”指令和其它特殊指令，使得在进行这些运算时， 其寻址、排序及计算速度大大提高。 6 快速的指令周期。由于采用哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法累加器、 特殊的指令及集成电路的优化设计，使指令周期可2 0 n s 以下。 7 硬件配置强。新一代的d s p 芯片具有较强的接口能力，除了具有串行口、定 时器、主机接口、d m a 控制器、软件可编程等待状态发生器等片内外设外，还配有中 断处理器、p l l 、片内存储器、测试接口等单元电路。可以方便地构成一个嵌入式自封 闭控制的处理系统。 1 4 课题研究的主要内容和任务 本论文对电网谐波进行实时的测量和分析，为电网的运行和管理提供了详细可靠 的运行参数。研制实用、完全脱离仿真器的电力系统谐波测量分析装置，为滤波器的 设计提供可靠的电力谐波参数，保证电力系统电能质量的“绿色环保”。 本课题主要研究内容和任务： 1 ) 回顾和分析当前电力系统谐波测量与分析的发展概况； 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 ! ii i 曼, , 皇曼曼曼曼曼曼曼量曼曼曼曼皇! 曼曼皇曼曼皇曼曼曼蔓量曼! 皇曼皇曼蔓曼曼! 曼曼曼曼曼曼皇曼曼! 曼曼曼舅舅! 曼曼曼皇曼曼! 篡曼曼曼寡曼 2 ) 为满足在线监测实时性要求，选用t i 公司的t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 为系统的c p u ， 并规划了谐波测量系统的总体方案； 3 ) 谐波测量软硬件系统分析与设计； 硬件部分主要包括：信号调理电路、d s p 外围电路、数据采集芯片a d 7 3 3 6 0 与 d s p 连接电路，谐波测量装置与p c 机的连接电路； 软件设计主要包括：对d s p 初始化设置，m c b s p 初始化设置、a d 转换设置初始 化设置，a d 转换及数据采集、优化的实数f f t 谐波分析算法，串口的设置数据的串 口传输； 4 ) 对数控机床进行了谐波测量并分析。首先对数控空机床电源进线端接入无源滤 波器和不接入滤波器进行谐波测量，采集到的数据进行f f t 运算，得出谐波的含量和 各谐波的次数，表明谐波测量系统能准确地测量谐波数据。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 皇曼曼曼璺曼曼曼曼曼曼曼皇i i ii 一i i 曼曼曼! 曼曼舅曼曼! 鼍曼曼皇 第2 章谐波测量系统总体方案设计 由于电能质量公用电网谐波标准的实施，电力部门加强了对谐波源和供电电 压或电流的谐波含量的监测，及时掌握谐波产生的时间、地点、原因及规律，并采取 措施抑制谐波，保证电力系统的安全可靠地运行，对电力系统谐波污染的治理己成为 电力工作者的重要任务。为电力工作者提供实时的谐波数据，设计出能监测谐波含量 的装置成了迫在眉睫的问题。电力系统电能质量测量方法处理的数据量大，实时性要 求较高，普通的微处理器如5 1 、9 6 系列单片机已不能满足速度、精度等方面的要求， 而d s p 处理器以n s 级指令系统和改进哈佛结构、流水线技术等显著的计算能力和实时 性，正广泛应用到电力系统中。本章基于t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 芯片，介绍了谐波测量系统 的整体设计方案。 2 1 系统设计总体方案 电力谐波测量系统是基于计算机控制、自动测试平台和虚拟仪器技术，按信号处 理次序由传感器、信号采集、模数转换、接口电路和计算机组成。对电网质量的改善、 管理必须对电网进行实时监测、分析，对数据处理采用d s p 芯片完成数据的实时采集 和底层处理，发挥其运算能力强的特长。硬件系统总体结构如图2 1 所示。 本装置的设计以t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 芯片为核心，是基于结构简单、造价低廉、易于 操作、功能强大等特点设计的。谐波测量装置在任何时刻能对电力信号进行数据采集， 能够快速准确的分析电压、电流等电力基本参量，能够直观的显示分析并存储结果。 图2 1 硬件系统总体结构 整个硬件系统由数据采集单元、数据处理单元( d s p 单元) 和上层监控单元组成。数 据采集单元由两部分组成：一、电压互感器( p t ) 和电流互感器( c t ) 将高电压和大电流转 换为合适的电压、电流；二、数据采集卡实现模拟量到数字量的转换。三、数据处理 单元完成对采集到的信号进行f f t 运算，对谐波含量进行分析。p c 机主要用来实现数 据的存储、打印和分析。 ( 1 ) 信号调理部分：完成强电信号到弱电信号的转换，以及信号范围到a d 所要求 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 输入范围的转换。 ( 2 ) 模数转换部分：对待测信号进行a d 变换，将转换得到的数据值存储在特定的 存储单元中。 ( 3 ) d s p 部分：对数字信号进行f f t 运算，得到各次谐波含量，经过计算得到总的 谐波畸变率( t h d ) 。 ( 4 ) 外设接口部分：通过串口写p c 机相连，完成数据的存储。 ( 5 ) 电源管理部分：为系统各个模块提供电源。 2 1 1 系统硬件设计思路 谐波测量系统的硬件设计思路如下：三相电流经过电流互感器( c t ) ，三相电压经 过电压互感器( p t ) 后，信号调理电路、过零检测电路及锁相倍频采样电路，由a d 采 样转化成d s p 可以处理的数字信号，并存储中d s p 的内部r a m 中，d s p 对这些数据 进行f f t 运算，得到各次谐波含量及总的谐波畸变率，然后通过串口把数据传输出到 p c 机，实现数据的存储，供工作人员查询，以便掌握谐波情况。 2 1 2 系统软件设计思路 系统要实现对电网数据实时采集分析计算，做到在线监测目的，在系统软件设计 上采用模块化设计方法。在软件的设计上要求实时性和快速性，要实现对电网数据实 时采集分析计算，不间断的采集数据达到在运行期间的同步计算；在硬件上要求采集 和计算芯片的高速性，软件上要求算法的高效率，从而可以在每1 2 8 点采样间隔的时 间内完成各个电能质量参数的计算和数据存储。 系统软件由两部分组成：d s p 软件设计单元和人机接口显示的设计。d s p 单元主 要完成对数据的采集和对数据进行分析计算。人机接口单元完成上位机的通信和数据 的显示。程序采用模块化、程序化设计思想。 其总体流程图如图2 2 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 皇ii i i 笪蔓曼! 鼍曼曼曼曼曼曼曼皇舅曼曼曼曼曼曼皇皇曼曼苎曼曼皇皇曼曼篁曼曼蔓鼍量曼曼! 曼曼舅量皇曼皇曼曼曼舅曼曼曼曼蔓量皇 系统初始化 上 电压、电流计算 1 i r 信号采集 谐波计算( f f t 运算) l 启动a d 7 3 3 6 0 进行a 巾转换0 1 l r 各次谐波含量计算、总谐波 畸变率计算 d s p 运算 1 l r ； 启动t l16 c 5 5 0 数据传输 中断开始 i 测试结果送p c 显示 图2 2 系统软件部分流程图 软件设计分为：对d s p 的初始化，m c b s p 的初始化，a d 的初始化，数据的采集， 对采集到数据进行f f t 运算，d s p 与p c 机进行串口通信。 2 2d s p 芯片选择 设计d s p 应用系统，选择d s p 芯片是非常重要的环节，d s p 芯片的选择应根据实 际的应用系统需要来确定，一般来说，选择d s p 芯片时应考虑如下几个因素： 1 ) d s p 芯片的运算速度：运算速度是d s p 芯片最重要的性能指标，也是选择d s p 芯片需要考虑的一个主要因素。 2 ) d s p 芯片的价格：根据实际应用情况，确定一个价格适中的d s p 芯片，一般 来说，芯片制造商的主流芯片价格都比较便宜。 3 ) d s p 芯片的硬件资源：这是指总线结构、直接存储器存储( d m a ) 、i o 总线 结构是否便于连接，片内、片外存储器容量大小等。 4 ) d s p 芯片的开发工具：目前t i 公司d s p 芯片约占国内市场份额的7 5 。国内 从2 0 世纪9 0 年代开始从事d s p 的开发和推广，现已有完善的d s p 开发工具。 5 ) 其它因素：指芯片的功耗、封装形式、质量标准、使用寿命等。 d s p 应用系统的运算量是确定选用d s p 芯片的基础。对于电力系统谐波测量，采 用基于f f t 变换的谐波分析方法，为了计算谐波，必须采集一个周波，电力信号的一 周波为2 0 m s ，对于三路电压和电流的采集，每2 0 m sf f t 算法应循环六次，所以d s p 芯片必须满足在2 0 m s 内完成一周波的处理能力和运算量。对于t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 循环 一次2 5 6 点的f f t 大约需要5 0 u s ，处理六路信号大约3 0 0 u s ，其它幅值、谐波分析、 功率计算等需要计算时间，故选择t m s 3 2 0 v c 5 4 x 系列可满足实时要求。另外考虑价 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 兰曼曼舅曼曼曼皇曼曼寰曼曼曼皇皇曼舅曼皇曼量皇曼曼曼皇皇皇曼! 曼曼蔓蔓蔓曼曼曼曼曼曼曼曼蔓曼皇曼! 曼! 舅曼皇寞! 皇曼蔓曼曼曼曼曼孽量曼鼍曼鼍曼曼曼曼皇曼皇曼曼 格，芯片的硬件资源，还有实验室现有资源等原因，本课题的谐波测量系统选择 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 芯片。 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 是t i 公司1 9 9 8 年后推出的一种定点数字信号处理器，它采用先进 的修正哈佛结构，片内8 条总线、c p u 、在片存储器和在片外围电路等硬件，加上高 度专业化的指令系统，使c 5 4 x 具有功耗小、高度并行等优点，可以满足众多领域实时 处理的要求。t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2d s p 的硬件组成框图如图2 3 所示。 图2 - 3t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 的内部硬件组成框图 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 的主要特性如下所示： 1 ) c p u 先进的多总线结构( 1 条程序总线、3 条数据总线和4 条地址总线) ； 4 0 位算术逻辑运算单元( a l u ) ，包括一个4 0 位桶形移位寄存器和两个独立的4 0 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 位累加器； 1 7 1 7 位并行乘法与4 0 位专用加法器相连，用于非流水线式单周期乘法累加 ( m a c ) 运算； 比较、选择、存储单元( c s s u ) 用于v i t e r b i 操作的加法比较选择； 双地址生成器包括8 个辅助寄存器和两个辅助寄存器算术运算单元( a r a u ) ； 2 ) 存储器 6 4 k 字程序存储器、6 4 k 字数据存储器以及6 4 k 字i o 空间。程序存储器可以扩 展； 3 ) 指令系统 单指令重复和块指令重复操作； 块存储器传送指令； 3 2 位长操作数指令； 同时读入两个或3 个操作数的指令； 并行存储和并行加载的算术指令； 条件存储指令； 从中断快速返回指令； 4 ) 在片外围电路 软件可编程等待状态发生器； 可编程分区转换逻辑电路； 带有内部振荡器或用外部时钟的片内锁相环( p l l ) 时钟发生器； 外部总线关断控制，以断开外部的数据总线、地址总线和控制信号； 数据总线具有总线保持特性； 可编程定时器； 时分多路串行口( t d m ) 、缓冲串行1 3 ( b s p ) 、多通道缓冲串行1 3 ( m c b s p ) ； 并行主机接1 3 ( h p i ) ： 5 ) 电源 可用i d l e l 、i d l e 2 、和i d l e 3 指令系统控制功耗，以工作在省电方式； 可以控制关断c l k o u t 输出信号； 6 ) 在片仿真接口 具有符合i e e e l1 4 9 1 标准的在片仿真接1 3 ( j t a g ) ； 7 ) 速度 单周期定点指令的执行时间为1 0 n s ( 1 0 0 m i p s ) 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 2 3 本章小结 本章主要是从整体设计上选择d s p 芯片，对其特点进行简要介绍。进行系统部分 设计，将系统分为硬件设计和软件设计两部分。分别对系统设计总体方案、系统硬件 设计思路、系统软件设计思路作了总体规划。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 第3 章硬件电路设计 本章根据上一章的谐波测量系统的硬件总体结构图，对系统各个模块进行分析说 明，如图3 一l 所示，包括信号调理电路、过零检测电路、锁相倍频采样电路、a d 采样 电路设计、d s p 外围电路及接口通信电路。 3 1 信号调理电路 图3 - 1 硬件电路框架图 信号调理电路的功能是将电压电流互感器输出的强电信号转换到数据采集卡所要 求范围的弱电信号。其组成包括互感器、辅助测量放大电路。互感器负责将二次测的 强电信号转换到弱电信号；辅助测量放大电路完成将互感器转换得到的电流信号转换 成电压信号，并将电压信号按照一定比例放大。在图3 1 的信号调理电路中采用微型精 密电压互感器，将输入端电压信号转化为毫安级的电流信号，经过电阻取得电压信号， 再把此电压信号经过放大，跟随、上拉变成d s p 可以采集的3 3 v 电压信号，由于电压互 感器的隔离作用，使外部干扰不易对系统内部产生影响，考虑到对谐波信号的影响， 设计信号调理电路时尽量避免电容，以免产生不必要的滤波和相移。信号调理电路如 图3 2 所示。 图中电压互感器采用北京星格公司所生产的电压互感器s p t 2 0 4 a 。s p t 2 0 4 a 采用 高隔离度耐冲击的全树脂密封，精密小巧很适合焊接在p c b 板上。采用高阻型运算放 大器l f 3 4 7 n ，对电压信号经过放大，跟随，l f 3 4 7 n 是一种高放大倍数的直接耦合器， 其特点是输入阻抗高，输入偏置电流非常小。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼皇曼曼曼曼曼曼皇曼量曼曼量曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼毫曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼蔓曼曼曼曼舅舅曼皇曼曼皇曼鼍曼曼曼笪曼曼寡u 曼曼蔓 3 2 过零检测电路 图3 - 2 信号调理电路 为了使主芯片能够实现同步采样，进而提高数据处理的真实性，因此，在电路中 应该加入过零检测电路，过零检测电路也就是方波发生电路，它对谐波分析同步采样 起着很重要的作用，它将电压信号变为同频率的方波信号，d s p 通过捕获方波的上升 沿来跟踪电网频率，为保证同步采样提供了条件。具体的过零检测电路如图3 3 所示。 - = 5 v 3 3 锁相倍频采样电路 5 v 图3 - 3 过零检测电路 在对电力信号进行分析和处理时，必须解决频谱泄漏问题。频谱泄漏将严重影响 测量精度，由于电网基波频率不是恒定不变的，因此，每个采样周期的采样间隔都必 须根据采样时刻的电网基波频率来重新设定，消除频谱泄漏误差。为消除采样不同步 和周期测量误差对测量精度的影响，采用锁相倍频采样测量方法。锁相倍频的测量方 法实际上是硬件同步的测量方法，用锁相环产生的频率来同步a d 采样的频率和时刻， 锁相环每发出一个脉冲( 上跳变) 都启动采样电路进行一次数据采集。谐波测量系统应用 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 的锁相倍频电路如图3 4 所示。 三 图3 - 4 锁相倍频采样电路 图中，c d 4 0 1 4 6 施密特触发器的作用是将所要输入的电网电压信号转化为同频率 的方波信号，连接到4 0 4 6 的信号输入引脚，c d 4 0 2 4 作为1 2 8 倍分频器，将其接在压控 振荡器及相位比较器中，作为c d 4 0 4 6 的反馈，则整个电路输出频率为输入信号频率的 1 2 8 倍，从而稳定地达到输出信号与输入信号之间稳定准确率。电网基波频率是5 0 h z ， 则信号的采样频率是6 4 k h z ，在信号的一个基波整周期内要等间隔采样1 2 8 点，供f f t 分析和计算。 3 4a d 采样电路 3 4 1a d 选择 a d 选用a n a l o gd e v i c e s ( a d ) 公司的a d 7 3 3 6 0 t 2 4 - 2 7 。a d 7 3 3 6 0 是具有六个模拟量输 入通道，每个通道可以输出长度为十六位的数字量。这六个通道可同时采样，并且无须 c p u 干预，从而有效减少了由于采样时间不同而产生的相位误差，各个通道的采样速 率可以方便地利用控制字在8 k 、16 k 、3 2 k 和6 4 k 中进行设定。每个通道可以允许从直流 到4 k h z 的模拟信号通过。由于各个通道都有内置的抗混叠滤波器，所以对其输入端抗 混叠滤波器的要求大为降低。而仅需要简单的一阶r c 滤波器即可。 a d 7 3 3 6 0 使用六线工业标准同步串行接口与c p u 接口。由于接口信号线的数目只 有六条，所以这样不仅节约了印制板的面积，而且也有效地减小了电磁干扰，从而使 得系统运行更加稳定。a d 7 3 3 6 0 特别适合于要求同时采样的工业控制应用，它不仅适 合大信号应用，也适合小信号应用。由于a d 7 3 3 6 0 有内置的程控可变增益放大器，所 以对小信号应用尤其简洁高效。 由于a d 7 3 3 6 0 具有六个同时采样的模拟量输入通道，所以特别适合于三相制电力 运行参数测控类应用( - - 个相电压和三个相电流同时采样) 系统。a d 7 3 3 6 0 共有八个控制 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 寄存器，分别是c r a c r h ，它们所占用的地址为旺7 ，长度为8 位，芯片的工作是由 内部的八个寄存器控制，各个寄存器功能如下表3 1 所示。 表3 1a d 7 3 3 6 0 各个控制寄存器功能 3 4 2 多通道缓冲串 ( m c b s p ) 本次试验中利用了d s p 的多通道缓冲串口( m u l t i c h a n n e lb u f f e r e ds e r i a lp o r t 且p m c b s p ) 来接收a d 传入的信号数据。t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 具有高速的，全双工串行口，可 用来与系统中的其他c 5 4 x 器件，编码解码器，串行a d ，d a 转换器以及其它的串行器 件直接接口。它支持全双工通信，双缓冲数据寄存器，允许连续的数据流。可以与工 业标准的编解码器，a i c s 接口。支持多种方式的传输接口如t 1 e 1 帧协议、m v i p 帧方 式、h 1 0 0 帧方式、s c s a 帧方式、i i s 兼容设备等。可与多达1 2 8 个通道进行收发。支持 传输的数据字长可以8 b i t ，1 2 b i t ，1 6 b i t ，2 0 b i t ，2 4 b i t 或3 2 b i t 。内置一律和彳一律压扩硬 件。m c b s p 在结构上可以分为一个数据通道和一个控制通道。如图3 5 所示。 图3 - 5m c b s p 硬件结构 孤 似 嗽 嗽 驭 戳 吣 孤 似 一 一 嗽 嗽 一 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 数据通道完成数据的发送和接收。控制通道完成的任务包括内部时钟的产生，帧 同步信号产生，对这些信号的控制以及多通道的选择等。控制通道还负责产生中断信 号送往c p u ，产生同步事件通失i d m a 控制器。其中数据通道完成数据的发送和接收。 c p u 或d m a 控制器从数据接收寄存器( d r r 1 ，2 】) 读取接收的数据，向数据发送 ( d x r 1 ，2 】) 写待发送的数据。写至i j d r r 1 ，2 】数据通过数据移位寄存器x s r 1 ，2 移出到 d x 端。同样的，在从d r 端接收的数据通过接收移位寄存器( r s r 1 ，2 1 ) 先复制到接收缓 冲器( r b r 1 ，2 ) ，然后再复制到d r r 1 ，2 】，最后等待c p u 或d m a 将数据读走。这种多 级缓冲方式使得片内的数据搬移和外部数据的通信可以同时进行。控制通道完成的任 务包括内部时钟的产生，帧同步信号产生，对这些信号的控制以及多通道的选择等。 控制通道还负责产生中断信号送往c p u ，产生同步事件通矢n d m a 控制器。 同5 1 9 6 系列单片机一样，对t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 串行口的操作也是通过设置各控制寄 存器来进行的。这些控制寄存器有串行口控制寄存器s p c r l 2 ；接收控制寄存器 r c r l 2 ；发送控制寄存器x c r l 2 ；多通道寄存器m c r l 2 等。需要注意的是，要对某 一控制寄存器寻址，只能采用加子地址寻址方式。( 1 ) 全双工同步通信；( 2 ) 双缓冲发送 和三缓冲接收；( 3 ) 发送和接收均提供独立的时钟和帧信号；( 4 ) 可以与串行a d ，d a 直接 接口；( 4 ) 支持高达1 2 8 通道的数据传输，且字长可选8 ，1 2 ，1 6 ，2 0 ，2 4 ，3 2 ；( 5 ) 内部提供 一个时钟和帧信号发生器。 对t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 串行口的操作是通过设置一系列存储器映射寄存器来进行配置 和操作。m c b s p 采用子地址寻址方案，其直观表示如图3 6 所示。 子地址 0 x 0 0 0 0 0 x 0 0 0 1 0 x 0 0 0 2 0 x 0 0 0 e l 兰! 兰竺l 图3 - 6m c b s p 子地址映射图 它通过一个子寄存器控制一个多切换器，将一组寄存器切换到一个单一的存储器 映像地址。用子数据存储器( s p s d x ) 对指定的子地址模式寄存器进行读写数据的操作。 如果要访问某一特定子地址模式寄存器，需要将此寄存器的子地址写入子地址