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01.引言

    隨著電力系統(tǒng)新型負荷及非線性負荷的大量增加，電力系統(tǒng)的電壓和電流波形會發(fā)生嚴重畸變，從而給電力系統(tǒng)帶來很大的“電網(wǎng)污染”。特別是用戶內(nèi)部短路以及開關操作、變壓器或電容器組投切時的短時中斷均會引起電能質(zhì)量擾動問題。同時電網(wǎng)系統(tǒng)中的諧波成份也越來越復雜，嚴重的電力“污染”對某些行業(yè)（如醫(yī)院的精密儀器、微計算機系統(tǒng)以及智能電子、工業(yè)過程控制中的微處理器等）構(gòu)成了巨大的威脅，甚至造成“瀑布”式的連鎖反映，從而引發(fā)電網(wǎng)崩潰的事件。所以，電力系統(tǒng)中電網(wǎng)數(shù)據(jù)的精確采集、故障判斷、數(shù)據(jù)處理已成為電網(wǎng)正確運行的焦點。

    因此，在供電系統(tǒng)的設計中，對諧波、負荷電流水平和功率因數(shù)等電網(wǎng)參數(shù)進行合理的估算，并采取相應的措施(如加設濾波和無功補償裝置)是非常必要的。隨著微處理器技術的快速發(fā)展、工業(yè)生產(chǎn)自動化程度的不斷提高，為本系統(tǒng)的成功研制提供了前提條件。本設計的研制主要針對我國電力系統(tǒng)供配電的實際情況，通過基于DSP的傅立葉變換算法，采用交流采樣技術實現(xiàn)多種電力參數(shù)的在線實時測量，為電網(wǎng)的安全經(jīng)濟運行提供可靠保證。同時借鑒國內(nèi)外研制同類裝置的經(jīng)驗，研制和開發(fā)一種實用高效的電力參數(shù)測試儀，以適應電力系統(tǒng)自動化發(fā)展的需要。通過網(wǎng)絡隨時監(jiān)測供電有關信息，以便為調(diào)度、運行、檢修提供服務，將會大大提高供電質(zhì)量。

2.系統(tǒng)整體設計

    電力參數(shù)檢測系統(tǒng)的主體設計思想是采用DSP芯片TMS320C5402構(gòu)成數(shù)字處理系統(tǒng)，并以下位機為主體實現(xiàn)實時采樣、數(shù)據(jù)處理、分析和短時儲存，然后與上位機進行數(shù)據(jù)通訊，同時可以實現(xiàn)電壓、電流等電力參數(shù)的實時顯示和數(shù)據(jù)庫存儲管理等功能，系統(tǒng)的整體框圖如圖1所示。具體操作如下：

    1．變壓器監(jiān)測終端首先把經(jīng)過CT, PT的三相電壓、電流，轉(zhuǎn)換為標稱值為100V和5A的電壓、電流，再把該信號經(jīng)過傳感器轉(zhuǎn)換為跟隨式的標稱值為5V的電壓信號。

    2．由DSP完成軟件濾波、FFT運算以及電壓、電流、功率、諧波等電力參數(shù)的計算檢測并進行各種判斷，將需要的數(shù)據(jù)進行存貯。如果判斷讀出的數(shù)據(jù)值越限，DSP就控制相應的輸出繼電器動作，進行外部供電系統(tǒng)報警信息的發(fā)送。用看門狗進行刷新、復位并實時檢測系統(tǒng)。

    3．鎖相環(huán)鎖定捕捉到的信號頻率，同時通過軟件編程和DSP控制可對六路同時采樣的高速A\D轉(zhuǎn)換器來完成六路信號的數(shù)據(jù)采集。

    4．系統(tǒng)配有鍵盤輸入和LCD顯示，調(diào)試人員可以在現(xiàn)場通過鍵盤輸入命令，直接進行控制并從LCD讀出所需數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的電源部分采用開關電源模塊，使裝置能在較寬的電壓范圍內(nèi)正常工作。

3.系統(tǒng)的硬件設計

    3.1模擬抗混疊低通撼波電路

    抗混疊模擬濾波器的作用是濾掉高頻信號成分。使輸入到A/D轉(zhuǎn)換器的信號為有限帶寬信號，并且以很小的衰減讓有效的頻率信號通過，而抑制這個頻帶以外的頻率信號，從而防止信號的頻譜發(fā)生混疊及高頻干擾。為了提高測量精度，結(jié)合數(shù)字濾波的方法，可以降低對模擬抗混疊濾波器的技術要求。

    本設計采用兩級RC低通抗混疊濾波器，根據(jù)采樣定理，數(shù)字系統(tǒng)所能正確分析的信號的最高頻率成分應小于采樣頻率的二分之一，即：fh<1/2fs，這樣才不致于產(chǎn)生混疊誤差，對于高于1/2fs的信號頻率成分應在采樣之前濾除，以免產(chǎn)生混疊誤差，考慮到不可能制造出截止特性非常銳陡的低通濾波器，所以fh與fs－fh之間需要一個保護帶，所以人fs/fh = 2.5～3。考慮到本系統(tǒng)的采樣頻率約為6.4KHz （50Hz×128 = 6400Hz，即每周波采樣128點），且根據(jù)國家對諧波測量儀器的要求，A級儀器頻率測量范圍是0～2500Hz，所以將模擬低通濾波器的截止頻率定為2. 5KHz。由基本的電路知識不難算出兩階RC低通濾波器的截止頻率公式 ，取濾波電阻2.4K ，濾波電容0.01 ，就可以滿足設計要求 

    3.2 A/D采集電路

    多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將電流互感器和電壓互感器隔離變換后的3路電壓、3路電流信號經(jīng)采樣緩沖后通過AD73360進行6路同步采集，其中AD73360的采樣頻率由鎖相倍頻電路鎖定電網(wǎng)頻率得到，AD73360采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)TMS320C5402A的串行口與CPU通信。為了提高系統(tǒng)抗干擾性能，A/D采集采用差動輸入，輸入范圍為－5V～+5V，為了使輸入信號適合A/D采集芯片的處理要求，首先對輸入信號進行緩沖和預處理。因為AD73360采用的是 轉(zhuǎn)換原理，具有優(yōu)良的內(nèi)置反混迭性能，模擬通道不需要配置高階低通濾波器，而只用簡單的一階RC低通濾波器。

    AD73360的模擬輸入共有四種方式：直流耦合的差分輸入、交流耦合的差分輸入、直流耦合的單端輸入和交流耦合的單端輸入。交流耦合的差分輸入的連接如圖2所示，其中C1和C2起隔直作用，R1，C3和R2，C4分別為一階低通濾波器，R3和R4的作用是把參考信號引入到輸入端。

    3.3 CPLD的應用

    由于MS320LF2407僅有一個同步通訊口，因而設計中采用DSP的UART擴展。同時由于輸入輸出接口的資源有限，故采用了CPLD擴展。在本系統(tǒng)中，為了減小系統(tǒng)面積，以及加快設計步伐，采用了XILINX的XC95108芯片。它的宏單元數(shù)為108個，最大I/0數(shù)為108個，系統(tǒng)時鐘可達200MHz，采用快閃存儲技術，功耗明顯降低。系統(tǒng)中，XC95108主要解決缺相檢測、采樣脈沖產(chǎn)生、地址譯碼、鍵盤抖動和重鍵等問題。

    3.4系統(tǒng)按鍵與顯示電路

    在保證能完成各種功能的情況下，為了使操作簡單，選用了盡量少的按鍵數(shù)，并且采用了獨立式按鍵結(jié)構(gòu)，實行功能復用，此方法雖然在判斷哪一個按鍵按下的程序上顯得復雜了一些，但它可以節(jié)省很多的數(shù)據(jù)地址空間或I/O口線，配置靈活，硬件結(jié)構(gòu)簡單。本系統(tǒng)的按鍵部分直接采用SPCE061A的I/O口作為輸入。

    作為小型的智能儀器，LCD是不可缺少的部分，操作人員可以根據(jù)需要來人工設置各種運行參數(shù)或?qū)崟r顯示各種參數(shù)。液晶顯示器由于具有顯示信息豐富，功耗低，體積小，重量輕等優(yōu)點，因而是單片機應用系統(tǒng)中最理想的顯示器件，近年來被廣泛的用于單片機控制的智能儀器、儀表、工業(yè)控制領域和家用電器當中。系統(tǒng)選用的是內(nèi)藏T6963 C控制器點陣圖形式的液晶顯示模塊。     

4.系統(tǒng)的軟件設計

    系統(tǒng)的軟件由兩個部分構(gòu)成：DSP軟件設計單元和上層監(jiān)控軟件設計單元。DSP主要用于判別按鍵、參數(shù)設置、數(shù)據(jù)采集、對采樣量化的數(shù)據(jù)進行分析和計算以及通信控制等操作；上層監(jiān)控單元提供友好的人機界面，便于參數(shù)的顯示及控制，直觀地、實時地反映當前電網(wǎng)的運行情況。本文中主要分析DSP軟件設計單元。數(shù)據(jù)處理模塊首先是對數(shù)據(jù)采集單元得到的離散化信號進行FIR濾波處理，后運用各種算法實現(xiàn)對各項電網(wǎng)參數(shù)的計算與分析。離散化信號經(jīng)FFT變換后，以分離出基波分量和各次諧波分量，以便進行諧波分析。數(shù)據(jù)處理程序流程圖如圖3所示：

    另一部分是單片機程序，主要完成讀CPLD接口數(shù)據(jù)，送到LCD電路顯示出來，掃描串口通訊，在符合語音條件時進行語音播放等功能。

    傳統(tǒng)的匯編語言編程存在諸多不利因素：工作量大、地址安排復雜、調(diào)試困難、通用性差等，而采用高級語言進行軟件設計，就具有開發(fā)速度快、可靠性高、可讀可移植性高等優(yōu)點。由于TMS320C5402芯片計算速度非常快，采用高級語言編程也能夠滿足系統(tǒng)實時性的要求。采用C語言編程的軟件結(jié)構(gòu)清晰，易于理解，便于調(diào)試、連接、修改和移植，節(jié)省了軟件工作量，提高了工作效率，所以DSP程序采用C語言編寫。

5.DSP仿真

    在CCS平臺上，對DSP程序進行編譯后，用Emulator對之進行仿真，得到如圖5和圖6所示結(jié)果。

    圖4中nADCIn0為對電路零序電壓波形的64點采樣值，nADCIn1為對電路零序電流波形的64點采樣值，圖5中電壓值76為零序電壓波形的有效值，電流值12為零序電流波形的有效值，功率值881為某電路的零序有功功率。由圖中可以看到各項預定計算功能都得到了實現(xiàn)，經(jīng)計算驗證仿真計算結(jié)果完全符合設計的要求。

6.結(jié)論與展望

    我國對電網(wǎng)質(zhì)量研究起步較晚，目前使用的電網(wǎng)質(zhì)量檢測設備與發(fā)達國家還有一定距離，因此，電網(wǎng)污染問題仍然有待于進一步解決，傳統(tǒng)的采樣裝置有待于進一步優(yōu)化提高，本文首先根據(jù)當前電力參數(shù)測量領域中存在的實際問題，提出了研制新型電力參數(shù)測試儀的必要性和可行性。在介紹了國內(nèi)外在電量測量技術發(fā)展情況的基礎上，簡要分析了目前電力參數(shù)測量儀表研制過程中所采用的部分技術及各自的優(yōu)劣點。本文將得到日益廣泛應用的數(shù)字信號處理芯片與精確的傅立葉變換運算這兩種先進的軟硬件技術有效地結(jié)合起來，設計了一種基于諧波分析的多功能電力參數(shù)測試儀。

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