基于DSP的电能质量在线监测装置的设计与实现

1、密 号：密 号：密号研究生请勿填写大学研究生课程考试答 题 纸题号分 数阅卷人123456789101112总分 姓 名 学 号 专 业 考 试 科 目 电能质量分析与控制 考 试 时 间 注意事项1. 以上各项除试卷密号之外必须填写清楚。2. 可正反两面书写。3. 答题字迹要清楚、保持卷面清洁。注意：此半页研究生请勿填写摘要随着电力电子器件和敏感性负载在电力系统中越来越频繁的使用，很多年前电能质量就引起了电力工程师的注意，尤其是最近几年，对电能质量的关注不断提升。电能质量问题被定义为：频率、电压所导致的问题，如电压跌落、电压闪变、电压短时中断、谐波、功率因数以及三相不平衡度。针对当前电能质量

2、监测需求的不断提升，本文提出了一种基于单片 DSP TMS320F2812 的电能质量在线监测装置的设计与实现。本系统主要利用 TMS320F2812 的多通道缓冲串行口和多通道高速同步 AD 采样芯片 AD73360 的结合实现电力参数的实时采集，同时利用该 DSP 芯片与网络芯片 W5100 结合实现与以太网通信，从而实现对电能质量的各项指标进行实时分析、存储及远程上报，而且 DSP 与内嵌式网络接口使系统结构紧凑、易于实现、成本降低，很好地适应了电力系统对电能质量监测的要求。关键词：电能质量；在线监测；AD73360；TMS320F2812ABSTRACTWith the increas

3、ing usage of power electronic devices and sensitive loads in power systems, power quality has attracted the attention of power engineers over the past years. The interest in power quality has increased during the latest years. A power quality problem can be defined: problem due to frequency, voltage

4、 regulation, voltage dips, flicker, transients, harmonics, and power factor and 3 phase imbalance. With the rising of the power quality monitoring current demand, this paper presents a design and realization of power quality on-line monitoring device based on a single-chip DSP TMS320F2812. This syst

5、em mainly uses TMS320F2812s multi-channel buffered serial port (McBSP) and multi-channel high-speed synchronous AD sampling chip AD73360 to realize the power parameters of the real-time acquisition. This design takes advantage of the DSP chip and network-chip W5100 to achieve the Ethernet communicat

6、ion. So the design realizes the real-time analysis, storage and remote reporting of various indicators of power quality. The system based on single-chip DSP in order to make it compact, easy to implement, cost reduction, and well adapted to the power quality monitoring requirements of power system.K

7、eywords：power quality, on-line monitoring, AD73360, TMS320F28121 电力系统的谐波分析及其测量1.1 谐波定义与分类发电厂出线端电压一般具有很好的正弦特性，但在接近负荷端，由于大容量电力设备、用电整流或换流设备以及其他非线性负荷的影响，会在电力系统中产生高频的电压、电流分量，其频率为工频的整数倍，从而造成波形发生较大的畸变。这些分量的危害在于：使变压器及电动机的铁心损耗明显增加、电动机转子发生振动现象、电力系统发生电压谐振、对附近的通信设备和通信线路产生信号干扰。另外，由于功率因数，其中 THD 为谐波畸变率，为基波电压与电流的相位

8、，所以可以看出，谐波含量也影响着电力系统的功率因数。如图 1-1 所示，为包含基波和丰富谐波的电压波形。 图 1-1 谐波对电压波形的影响 整数次谐波，通常简称为“谐波”国际上公认的整数次谐波定义为：“谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍”。在国际电工委员会(internationalelectrotechnical commission，IEC)标准 IEC-555-1982 中，对整数次谐波的定义为：“谐波分量为周期量的傅里叶级数中大于 1 的 n 次分量，其中 n 是以谐波频率和基波频率之比表达的整数”。IEEE-519-1992 标准中定义为：“整数次谐波为一周期

9、波或量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍”。在我国国家技术监督局 1993 年颁布的 GB/T-14549-93 标准电能质量公用电网谐波标准中，谐波分量的定义为：“对周期性交流量进行傅里叶级数分解，得到频率为基波频率大于 1 的整数倍分量”。 非整数次谐波即间谐波(interharmonic)和次谐波(subharmonic)按照 IEC 61000-4 的定义，间谐波是指频率不是基波频率的整数倍的谐波成分，即介于基波频率和整数次谐波之间的成分。次谐波的定义为频率低于基波频率的分量，如频率为 20Hz 的次谐波。在电力系统中，还经常遇到对称三相电路的高次谐波分析，对称三相非正弦周期电压，

10、即三相非正弦周期电压的波形相同，但在时间上依次滞后 T/3 周期的电压，在工程计算上，对于这类电路中的谐波又做了更进一步的分类。1) 三相电压中的 1、7、13、 等各次谐波在相角上依次滞后的角度均为 2/3，分别形成一组正序谐波(positive-sequence harmonics)。2) 三相电压中的 5、11、17、 等各次谐波在相角上依次超前的角度均为 2/3，分别形成一组负序谐波(negative-sequence harmonics) 。3) 三相电压中的 3、9、15、 等三的倍数次谐波的相角相同，则分别形成一组零序谐波(zero-sequence harmonics)。1.2

11、 电能质量监测中的谐波测量标准GB/T 145491993电能质量公用电网谐波标准对谐波允许限值规定如表表 3-1 各级电网谐波电压限值(%)电压(kV)说 明：衡量点为 PCC(即 Point of Common Coupling 公共供电点，指的是电力系统中一个以上用户的连接处)，取实测 95%概率值；对用户允许产生的谐波电流，提供计算方法；对测量方法和测量仪器做出规定；对同次谐波随机性合成提供算法。1.3 谐波测量方法电力谐波的检测是分离畸变电压、电流信号中不同频率成分的过程，所以谐波检测的取样方法要合理反映电网电能质量状况，尽量避免在对信号做预处理的同时，滤除了需要分析的高次谐波含量，

12、或者使待测信号产生了较大的相位误差延时。随着电子技术和数字信号处理技术的发展，产生了频域、时域、时频分析等多种谐波检测方法，根据测量原理的不同，主要有以下几类：1)基于模拟带通或带阻滤波器的谐波检测方法，2)基于傅里叶变换的谐波检测方法，3)基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法，4)基于小波变换的谐波检测方法，5)基于神经网络的谐波检测方法，6)基于支持向量机的谐波检测方法，7)基于现代谱估计的谐波检测方法。其中前三种方法是目前常规的谐波测量方法。最早的谐波测量是采用模拟滤波器实现的，其特点是电路简单、造价低，但是也有很多缺点，如滤波器的中心频率对元件参数过于敏感，受外界环境影响大，精度上不满足

13、系统谐波的需求。基于傅立叶变换的谐波测量是现在最常用的一种方法，精度较高，使用方便，但有可能会产生频谱泄漏，也难以避免栅栏效应的影响。基于瞬时无功功率的谐波测量，其最大的优点是有良好的的实时性，缺点是硬件设备多，花费大。虽然谐波测量算法向复杂化和智能化发展，但是对于产品应用而言，算法应该简洁、可靠、准确，且硬件成本要小。傅里叶变换仍是目前谐波测量仪器中广泛应用的理论依据，它的高精度和使用的方便性受到了大家的认可。 FFT 算法及其改进FFT 运算已是极为成熟和常用的谐波分析算法，在很多 DSP 芯片中甚至可以将其作为库函数直接调用，如 TI 公司的 DSP 芯片。值得一提的是，对于主频为 15

14、0MHz 的 F2812 DSP 而言，做 1024 点 FFT 运算时间只需要约 6.83 微秒即可。在调用 FFT 库函数对采样数据进行处理后输出，可得到第 k 次谐波的实部、虚部，分别为, 则第 k 次谐波电压电流的幅值分别：电压有效值： 电流有效值： 其中，U0、I0为交流电压、电流信号中的直流分量，Uk、Ik分别为交流电压电流信号中第 k 次谐波的幅值，k=1，2，3，M 或者 L(其中L、M 分别为交流电压、电流信号中包含的最高次谐波的次数)。在利用 FFT 算法计算有功、无功及视在功率时，可先求出复功率，再分解成有功、无功两部分为第 k 次谐波的有功、无功。总的有功、无功 P、Q

15、 算计如下：其中， Pk、 Qk为第 k 次谐波的有功、无功。总的有功、无功P、Q 计算如下然后由功率三角形求出视在功率 S，即 S=U*I。值得一提的是：虽然当前的谐波的计算众多，也各有优劣，然而最常用的谐波分析主要还是以傅里叶变换为基础的，而且越来越多的研究人员也对其做了更一步的改进，下面简单介绍改进的基于傅叶变换的谐波分方法。 加窗插值 FFT 算法FFT 要求处理的采样点数以 2 为基数，采集的点数必须是整周波或者整周波的倍数，因为 FFT 从整体上看是在信号整周波求信号加权平均值，如果由于采集频率与信号频率不同步，即没有进行整周波采集，势必会造成采集值的积分与实际整周波积分值之间存在

16、偏差，使测量结果偏离实际值，同时在真实谱线两侧其它基波整数倍频率点上出现一些幅值较小的假谱，产生所谓的频谱泄漏问题，所以 FFT 存在固有的频谱泄漏和混叠误差。加窗可以减少频谱泄漏，插值可以减少栅栏效应引起的误差。目前国际电工委员会(IEC)推荐的是汉宁(Hanning)加窗的傅立叶变换，该窗函数的单边离散表达式为：Hanning 加窗的傅立叶变换的频谱 Xw(k)可以表示为矩形窗傅立叶变换频谱 X(k)的线性组合： 另外，窗函数为矩形窗或汉宁窗，采用插值公式对计算结果进行修正时，采样窗口的宽度不得低于 8 个基频周期，所以，这种算法需要很大的数据存储空间，同时也降低了对电量参数监测的实时性。

17、1.4 基于准同步 DFT 的谐波算法 准同步 DFT 计算谐波的原理分析基于同步采样法的交流电量测量方法实际上是一种等间隔同步采样， 它的优点在于当满足一定的采样要求时， 理论上没有测量方法误差，此时测量误差仅取决于采样、A/D 转换、计算机运算等环节及干扰所产生的误差。但困难的是，在“ 实际同步采样”中，很难达到理想同步采样，尤其是在非正弦情况下，按目前现有的技术条件，必须考虑同步误差。同步采样理论上有 m*To=n*T (m 为输入信号的周期个数，To 为信号周期，n 为采样次数，T 为采样间隔) ，即这时无同步误差，而实际同步采样中很难达到 m*To=n*T，即所采集的 n 个等间隔时

18、域样本点不会正好落在 m ( m>= 1的正整数) 被测信号周期内，从而产生同步误差T = ( n*Tm*To)/ m*To，因此同步误差己经限制了同步采样系统准确度的进一步提高。准同步采样算法是在同步采样的基础上，通过适当增加采样点及采用相应的算法进行数据处理的一种新技术，它比较好地解决了同步误差对测量准确度的影响问题。准同步采样算法降低了对硬件要求，而且第一次对采样的起点没有任何要求，在低频的情况下可以得到很好的效果。如果对基波频率为 f 的周期信号采用固定采样频率 fs 进行等间隔采样。其中 f = fs N+， 为频率偏差。不论周期信号波形为正弦或非正弦值，对它的特征量进行测量可

19、看作是进行一种积分求均值运算。即对被测量信号的离散量进行积分运算。根据数值计算的相关理论，对于数值积分运算，可以采用不同的积分算法，如复化矩形，复化梯形，复化辛普生等。经过分析各种积分算法的特点，确定某种求积公式，得相应的加权系数，做递推运算，即可求出相应的值。1) 信号有效值的计算首先对全部的 J×N+1( J 为采样周波数，一般为 35 周波数)个采样数据按复化梯形求积公式( 1 ) 进行递推运算：式中上标“ 1 ” 表示第 1 次求积运算， 为相应数据求积公式所对应的加权系数。接下来把全部的 J×N+1 个采样数据，分别按公式(311) 进行递推运算：式中 J 为采样

20、周期数，一般取 J= 3，4 或者 5，递推 J 次后便可求出 =A。其中 A就是所求信号的有效值。2) 信号谐波的计算首先把全部的 J×N+1 个采样数据 f(t )按复化矩形求积公式(11)、(12)进行递推运算：式中上标“1” 表示第 1 次求积运算，k 表示第 k 次谐波， 为对应的数据求积公式所对应的加权系数。接下来把全部的 J×N+1 个采样数据， 分别按公式(314)(315)进行递推运算 ：其中，J = 2,3,式中：和为谐波的实和虚部。递推 J 次后便可得到第 k 次谐波的模，即为所求信号对应的 k 次谐波的幅值，同时也可由公式3-6求出信号的 k 次谐波

21、相位的近似值。. 准同步计算的仿真实现本文采用 C 语言编程实现准同步算法计算谐波的仿真。仿真程序中，一次加权的系数的计算如下 程序中的数组 r_rmsi即为算法分析中的一次加权系数 ，如图 1-2 为一次加权的系数 r_rmsi构成的波形，反映了准同步窗函数的时域特性。图 1-3 为正弦波在经过准同步窗处理前后的对比图，反映了准同算法对待测信号的处理过程。 图1-2准同步窗函数时域特性曲线图图3-3正弦波在准同步一次加权前后波形1.5 本章小结本章首先分析了电力系统中谐波的定义和分类，然后结合电能质量国家标准中对谐波测量的要求，讨论了几种常见的谐波测量方法，包括 FFT 算法及其改进算法、基

22、于准同步 DFT 的谐波算法、瞬时无功功率理论的谐波算法，指出了它们各自的优缺点，并给出了本文所选择的谐波测量方案。最后，结合本次设计的平台给出了一种间谐波的简单测量方法。2 电能质量监测装置的软硬件实现2.1 装置的总体设计本装置的总体设计包括硬件总体设计和软件总体设计，硬件设计方面，以 DSPTMS320F2812 为核心控制器件，加上由其它外围芯片和电路组成的功能模块搭建成一个完整的系统。软件设计方面，采用功能模块化、自顶而下的设计方法，以 C 语言为编程语言。采用 C 语言编程，优点是比较直观、模块化强、移植性强，有利于系统软件的升级。2.2 硬件总体设计方案提出及框图 设计方案提出电

23、能质量在线监测装置提供给电力部门大量实时、精确的电能质量数据信息，为电力部门的安全生产提供了保证。所以近年来，电能质量在线监测的设计方案也在不断推陈出新。 硬件总体框图本装置基于高速 DSP 芯片 TMS320F2812 设计，充分利用其丰富的内部资源。TMS320F2812 具有一个高速同步串行通信接口 (SPI)，两个异步串行通信接口(SCIA、SCIB)，改进的局域网络(eCAN)，多通道缓冲串行口(McBSP，MultichannelBuffered Serial Port)。其中 McBSP 口具有特色的 FIFO 单元使得通信操作变得更为可靠、快速，编程更加方便。装置的硬件结构如图

24、 2-1 所示。本监测装置由单片 DSP、信号调理电路、AD采样电路、时钟电路、SDRAM、液晶显示、键盘、通讯模块组成。被监测电压/电流分别通过 PT/CT(电压/电流互感器)变换、电阻取样和电容滤波变换为适合 AD芯片采集的信号，然后输入 AD 芯片进行采样转换，转换后的数据由 DSP 的高速同步缓冲口(McBSP)输入 DSP，然后根据计算需要抽取采样点，完成电力参数在时域、频域的计算、存储，或者记录连续的波形以完成录波功能。同时对需要监测的电压做过零点检测，以获得其频率。数据经 DSP 处理完备后，通过 CAN 总线方式实现各装置之间的数据通讯，通过 RS485 总线方式与上位机通讯，

25、通过独立的以太网接口，实现远程数据通讯图2-1 装置软件总体流程图及其解构本装置软件按功能主要分为：系统初始化(包括 DSP 初始化、AD 初始化)、数据采集程序、参数计算(包括时域均方根计算、FFT 计算谐波、Hilbert 滤波计算无功等)、参数处理(包括参数保存、显示、参数派生量计算)，以及参数远程传输(包括以太网、CAN 总线、串口通信)等。主程序的具体流程图，如图 2-2 所示，主要是对整个系统的初始化，其中最主要的是对 DSP 芯片、网络通讯芯片和采样芯片的初始化，在系统配置完成之后，程序进入一个死循环，循环执行各调度任务。图 2-3，2-4 分别是对主程序进一步细化， 其中图 2

26、-3 是对 DSP 初始化的主要步骤和内容；图 2-4 是主程序中死循环部分需要完成的调度任务，主要是参数的计算、数据的存储以及数据的显示和通讯。图2-2 主程序流程图 图2-3 DSP 初始化 图2-4 主任务循环程序流程2.3 数据采集的实现2.3.1 AD 采样芯片的选择在电量采集过程中，由于存在谐波等干扰因素，因此如何准确、快速地采集电力系统中的各个模拟量一直是电力系统研究中的热点。电力系统中经常需要测量多路电压及电流信号，当电网频率变化时，必须采用同步技术才能保证采样计算的精度。本文采用美国 AD 公司的 AD73360 型 A/D 变换器及美国 TI 公司推出的 2000 系列 D

27、SP TMS320F2812 很好地实现了高速同步采样，并且实现电力参数在时域的计算。AD73360 使用六线工业标准同步串行接口与 CPU 接口，由于接口信号线的数目只有 6 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。TMS320F2812 支持 6 线工业标准同步串行接口，所以 AD73360 与 DSP 经过极其简洁的连接后即可实现高速同步交流采样。另外，由于单片 AD73360 具有 6 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系统。AD73360 采用 -A/D 转换原理，相对传统的逐次比较 ADC，- 转

28、换器中的模拟部分非常简单(类似于一个 1bit ADC)，而数字部分要复杂得多，按照功能可划分为数字滤波和抽取单元。由于更接近于一个数字器件，- ADC 的制造成本非常低廉。与一般的 ADC 不同，- 型 ADC 不是直接根据抽样第一个采样值的大小进行量化编码，而根据前一个量值与后一个量值的差值即所谓的增量的大小来进行量化编码。从某种意义讲，它是根据信号波形的包络线进行量化编码的。- ADC 由于采样过采样技术、抽取滤波技术和噪声整形技术，使信号带宽内的噪声大大减小，而放大了信号带宽外的噪声，相当于将噪声能量从低频段推到了高频段，而对信号本身不起整形作用。在 - 调制器后加入抽取滤波，有效地滤

29、除信号带宽外的量化噪声，从获得很高的转换精度，也具有良好的内置抗混叠性能，所以对模拟前端滤波器的要求不高，用一阶 RC 低通滤波器就能满足要求。由于采用串口通信，相对于一般并行的 AD 采样芯片而言，体积更小、结构更紧凑、系统也更稳定。其主要特征有：(1)内部具有 6 个独立通道的 16 位 A/D 转换器；(2)75dB的模数转换信噪比；(3)输入采样频率可选择值有：8kHz、16kHz、32kHz、64kHz可由软件独立设置；(4)8 个可编程控制寄存器，可方便的对 ADC 进行增益、采样频率及传输频率等特征的控制，增益可编程性，使电路省去了外接运算放大器；(5)模拟信号带宽为音频带宽，典

30、型值为 DC4kHz；(6)较低的组延时，典型值 25S/通道；(7)供电电压为单+2.7V+5.5V；(8)输出参考电压为 1.25V 和 2.5V 可程控；(9)灵活的串口允许多个器件级联，AD73360 在级联使用时，最多可将 8 个级联在一起。模拟量输入通道的最大数目可方便地扩展到 48 路，在模拟量输入通道数目的扩展方面极其方便；(10)80mW 的功耗(+2.7V 工作)；(11)片内电压基准。2.4 信号调理电路设计 电压电流的强弱转换在实际测量中，必须对输入的电压电流进行必要的处理，才能作为采样单元的输入。本文选用了霍尔电流电压传感器模块，相对于一般的电流电压互感器，其优越性在

31、于它良好的电性能，是一种先进的能隔离主电流回路与电子控制电路的电检测元件，它综合了互感器和分流器的所有优点，克服了互感器和分流器的不足。图 2-5 霍尔电压传感器实现电压转换电路(仅以 A 相电压为例)值得注意的是：1) 为了获得正向电流输出，原边电流必须按HT 到HT 方向流动；2) 使用时首先接通工作电源及输出电路，再通过被测电流；3) HT 到HT 主回路输入电压1KV。2.4.2 信号调理单元AD73360 有四种输入方式，分别为差分直流耦合方式、差分交流耦合方式、单端直流耦合和单端交流耦合方式。本装置选用差分直流耦合方式输入。由于输入信号经霍尔电流、电压传感器后输出为电流信号，需经过

32、信号调理单元转换成合适的电压信号后才能送给 AD76630 采样。由于 AD73360 采用的是-A/D 转换原理，具有优良的内置抗混叠性能，因此不需要高阶的抗混叠滤波单元，只在其前端加入简单的一阶 RC 滤波，滤除掉 50 次以上的谐波，只对 50 次以下的谐波信号进行分析。模拟量差分输入电路实现如图 5-7 所示。首先，输入信号经过由 R21、R39 、R43 组成分压电路进行适当分压，分压配置关系式为：然后，输入信号经过由 R39 和 C24、R43 和 C25 均构成的一阶低通滤波器滤除信号中的高频分量，其上限截止频率，根据 RC 滤波电路的特性可知，当输入信号的频率 f<0.1

33、fp，即 f<3.388kHz 时，对信号的幅度衰减为零。REFOUT1 为 AD73360 所产生的基准输出，用来偏置模拟输入端的电平，可根据需要配置为 1.25V 或 2.5V，本装置由于选用 3.3V 电源为芯片供电，故配置 REFOUT1=1.25V。此时 AD73360 模拟通道可以接受的输入电压幅度为VREF + (VREF - 0.32875) VREF+(VREF+0.32875)，即 0.84V1.66V。R40 和 R42 的作用是把偏置电平引导到模拟输入端。图 2-7 模拟输入通道的电路设计（仅以 A 相电压为例）2.5 数据通讯的实现电能质量监测数据特点是数据量庞

34、大、数据属性多、数据共享性。为了适应电能质量有关的测量数据和模拟数据的存储、通讯，IEEE 标准委员会提出了一种通用的文件格式，作为通用的平台。2.5.1 RS485 总线通信RS485 通信方式具有良好的抗噪声干扰性，长的传输距离和多点连接能力优点。各节点通过 RS485 总线连接组成半双工网络，采用两线双端半双工差分方式发送和接收数据，无公共地线，抗共模干扰能力强。DSP 片内带有双线的串行通信接口(Serial Communication Interface，简称SCI)。SCI 支持了与采用非归零格式的异步外围设备之间的数字通信，它的接收器和发送器各具有一个 16 级深度的 FIFO，并具有独立的使能位和中断位，可以在半双工通信中独立工作，或在全双工中同时进行操作，SCI 串口通过SCIRXD、SCITXD 引脚与 RS485 接口电路连接。2.5.2 CAN 总线通信本装置通过 CAN 总线方式实现各装置之间的数据通讯，以实现分布式电能质量监测的目的。CAN 总线是目前世界范围内应用最为广泛的现场总线技术之一，它具有着高速、可靠、抗干扰性强、成本低廉和传送报文简短、高效并带有优先级等诸多优点。因而，将 CAN 总线技术引入馈线自动化通信系统已成为近年来电力行业通讯技术应用和发展的热点。3 总结3.1 课题总结本课题