基于DSP 的电能质量闪变分析仪

1、基于DSP的电能质量闪变分析仪Research of Flickermeter Based On DSP(1.东华大学理学院;2.中科院等离子体物理研究所王勤湧1,罗家融1,舒双宝1,李实2(1.College of Science, Donghua University;2.Institute of Plasma Physics, Chinese Academy of SciencesWang Qin-yong1 Luo Jia-rong1 Shu Shuang-bao1 Li Shi2摘要:本文将对IEC推荐的电压波动闪变计算模型展开理论分析与研究,提出了基于DSP的数字闪变分析仪的设计与

2、实现;该闪变分析仪利用TI公司的TMS320F2821为主要平台,并以ARM平台为显示终端搭建而成;经福禄克公司Fluke 6100A电能功率标准源测试,结果满足闪变国家标准,为电压波动和闪变的测量提供了依据。关键字:闪变;数字滤波器;DSPAbstract: In this paper, we will discuss the theory of voltage flicker calculation model that recommended by IEC, and carry out a digital Flicker meter based on DSP. This Flicker

3、meter use TMS320F2821 which is provided by TI Company as the main platform and ARM operator module for terminal display. We also use Fluke 6100A as the standard source to test the flicker meter and meet the national standards of flicker. This device provides a basis for the measurement of voltage fl

4、uctuation and flicker.Keywords: flicker, digital filter, DSP0 引言中国科学院等离子体物理研究所全超导非圆截面核聚变实验装置EAST(Experimental Advanced Superconducting Tokamak由110KV变电所供电,其负荷对电网构成了极高容量的频繁冲击,可能破坏高压电网与电源系统的电磁兼容,造成电压波动1,使一些仪器无法正常工作甚至损坏2,闪变便是由电压波动引起的。国际电热协会(UIE和国际电工委员会(IEC经过多年的研究,制定了国际统一的闪变定义和评价标准,提出了闪变仪的数学模型和设计规范。其闪变仪模

5、型如图1所示3,4。 图1 闪变仪模型本文将以此模型为基础,利用TMS320F2812实现数字式闪变仪,并按照相关标准对闪变仪进行测试,测试结果表明,每经过10分钟,闪变仪都能及时地对大量数据进行处理,并能迅速得到相应的短时闪变 值,具有很强的实时性,而且计算结果能满足精度要求。作者简介:王勤湧(1985-,男,硕士研究生,主要从事电能质量在线监测系统的研究。1 闪变值计算的模型原理分析IEC 推荐的闪变仪按照框图可分为以下几个部分。框1是对信号进行调理,将市电电压调节到合适大小后输入,这部分不涉及算法。框2起模拟灯的作用,用平方检测方法从工频电压波动中解调出反映电压波动的调幅波。解调由截止频

6、率为35Hz 的六阶巴特沃斯低通滤波器和截止频率为0.05Hz 的一阶高通滤波器完成。六阶巴特沃斯低通滤波器的传递函数为166554433221/(/(/(/(/(/(1(+=c c c c c c s b s b s b s b s b s b s K 其中:;464.7;864.3;35242511=b b b b s c 1;141.963=b b在400Hz 采样率情况下,转化为Z 函数:=+=6161(k kkk kkz az bz H其中:-6.2495;6.6912;-3.9316;321=a a a 0.1218-0.9828;3.3605;654=a a a;100354.9

7、,105059.1451460×=×=b b b b 003.0;0023.0342=b b b一阶高通滤波函数传递函数:ccs s s K /1/(+=其中:105.02=s c 转化为Z 函数:119992.011(9996.0(=zz z H 框3的加权滤波器反映了人对 60W230V 钨丝灯在不同频率的电压波动下照度变化的敏感程度5。其传递函数为/1(/1(/12(4322121s s s s s s K s K +×+= 其中:;15494.92;05981.42;74802.11×=×=K 22535.12;27979.2232&#

8、215;=×=9.2124×=转化为Z 函数:=+=41401(k kk k kk z a zb z H其中:6103.0;776.2;7145.4-3.5488;4321=a a a a -0.0184;b ;102898.3b 0.0094;2410=×=b009.0b ;102898.3443=×=b框4包含一个平方器和时间常数为300ms 的低通滤波器, 用来模拟灯-眼-脑环节对灯光照度变化的暂态非线性响应和记忆效应。低通滤波器传递函数为:ss K 3.011(+=转化为Z 函数:119917.011(0041.0(+=zz z H 框5为闪变的

9、统计分析,即根据框4输出的S(t值进行在线统计分析。将S(t值分级并用积累概率函数CPF 的方法进行分析,在观察期内(10min ,对上述信号进行统计,利用5个规定值,计算得出短时闪变值,表达式如下5010311.008.028.00657.00525.00314.0P P P P P P st += 2 闪变分析仪的硬件结构 闪变仪的硬件结构大致分为3个部分。结构如图2所示。图2 硬件结构图第一部分为前端信号调理及AD 采集电路,前端信号调理电路将输入的工频信号调整到-10V+10V 的范围,并经过LM2902集成运放器提高输入阻抗后再输入AD。AD 芯片采用AD7656,AD7656为6通

10、道16位、快速、低功耗、逐次逼近型ADC,输入范围可选择-10V+10V 或-5V+5V。其内核采用4.5V 至5.5 V 单电源供电,最高采样率可达250 kSPS。该器件内置低噪声、宽带宽采样保持放大器,可处理最高8 MHz 的输入频率,在本案中设置其采样率为400Hz,用DSP 的定时器模块定时触发AD 采样。第二部分为DSP 相关电路,包括电源模块电路,复位电路,晶振电路,SCI 模块,存储模块等。DSP 与AD 的硬件连接如图3所示。AD7656内部含2.5V 参考电压同时也支持外部参考电压,复位时默认为外部参考,本案设计使用的是内部参考电压。当H/SSEL=0且REFEN=1时,内

11、部2.5V 参考电压启用,再将RANGE 引脚接低电平,AD 的输入范围便为V VREF 104±=×±。DSP2812的定时器发出定时中断并由GPIOA0引脚输出一个上升沿启动AD 转换,在转换期间BUSY 信号为高电平,转化完成后BUSY 变为低电平,所以可通过BUSY 向2812发出下降沿外部中断请求,并在此中断请求处理函数中完成对数字信号的存储。 图3 DSP 与AD 芯片的硬件连接第三部分为实时显示部分,由ARM 模块实现,ARM 核心采用三星公司s3c2410芯片,外部扩展了LCD 触摸屏,用户可通过触摸屏控制闪变仪工作。3 闪变分析仪的软件设计下面介

12、绍DSP软件算法结构。在采样率为400Hz时,若经10分钟后才对数据(约234k进行处理,数据量很大,处理过程将很慢,严重影响实时性能。本文采用分时处理方法,AD采集6s的数据后,马上对这6s的数据进行处理,算出此6s的瞬时闪变值并进行存储,当处理掉100个6s也即计算时间到达10分钟时,将对这10分钟内的瞬时闪变值进行统计分析,最终得到5个特征值后代入公式得到短时闪变值。图4为程序流程图。其中ARM模块承担着开始/结束控制信号的发送和最终结果的显示等终端功能的实现,用户可通过触摸屏发送开始/结束控制信号,DSP在收到信号后将开始/结束定时器工作,进而开始/结束AD采样。图4 程序流程图4 测

13、试结果与分析对闪变仪的测试采用Fluke 6100A功率标准源校准电能表作为标准源,6100A可通过用户设定的调制深度和频率对电压进行调幅来模拟闪变,其对闪变的测量方法由IEC标准IEC-61000-3-3所定义,是目前最准确、最全面、最灵活的电能功率标准源。仪器测试结果如下电压变动 频率(Hz电压变动(%测试值相对误差(%13.5 0.402 0.9732 2.68%0.91667 0.725 0.9616 3.84%0.325 0.906 0.9646 3.54%0.058333 1.459 0.9581 4.19%表1 测试结果表中使用了高频,中频和低频区域中的几个较有代表性的频率进行测

14、量,闪变测试值较理论值1的相对误差都在5%的上限要求之内,较好的满足了国标的精度要求。闪变仪在低频区域的误差较大,包含下面几个方面的原因。 (1加权滤波函数在低频频段存在一定的误差6,由此给低频段的滤波带来一定影响;(2AD转化具有一定的量化误差;(3采样频率越高,精度也将得到一定提高,但设计时也要考虑到运算量的大小;(4在对瞬时闪变的统计分析中,将S(t分为4000个等级,由此也引入了一定的量化误差。5 结束语本论文创新点:本文将IEC推荐的闪变模型进行数字化设计,以TMS320F2812为主要计算平台,并以ARM平台和触摸屏为输入、输出终端。其性能经福禄克公司Fluke 6100A电能功率

15、标准源测试,满足闪变国家标准。为EAST核聚变实验装置引起的电压波动和闪变的测量提供了依据。项目经济效益约50万元。参考文献:1.陈国磊,罗家融,舒双宝,季振山.基于TMS320F2812的电网谐波监测系统J.微计算机信息.2009, 25(2-2:144-1452.肖湘宁.电能质量分析与控制M.北京:中国电力出版社, 20043.IEC 61000-4-15.FlickermeterFunctional and design specifications.IEC.2003-024.孙树勤.电压波动与闪变M.北京:中国电力出版社,19995.电能质量 电压波动和闪变.GB/T 12326-20

16、00S. 北京:中国标准出版社6.赵刚,施围,林海雪.闪变值计算方法的研究J.电网技术.2001,25(11:15-18作者简介:王勤湧(1985-,男,浙江人,东华大学理学院在读硕士研究生,主要从事电能质量在线监测系统的研究;罗家融(1948-男,研究员,东华大学理学院博士生导师,长期从事等离子体物理实验研究;舒双宝(1981-,男,安徽舒城人,东华大学理学院博士后,主要研究方向为计算机采集与控制,模式识别。Biography: Wang Qin-yong (1985-, male, ZheJiang province, a graduate student of Donghua University, majors in power quality online monitoring system.(1.201620 东华大学理学院;2.230031中科院等离子体物理研究所王勤湧1 罗家融1 舒双宝1