基于DSP的交流電參量測量儀的研究

1、歡迎訪問Freekaoyan論文站基于DSP的交流電參量測量儀的研究歡迎訪問Freekaoyan論文站    歡迎訪問Freekaoyan論文站    摘要： 在電力系統(tǒng)諧波環(huán)境下，采用傳統(tǒng)儀器或常規(guī)微機(jī)測量算法會使電參量測量出現(xiàn)一定程度的誤差。應(yīng)用傅氏變換原理及FFT快速算法消除諧波對測量的影響，同時與DSP技術(shù)相結(jié)合，研制了以TI公司TMS320F240DSP為核心的測控裝置，分析了儀器的硬件電路原理，實現(xiàn)了對交流電參量快速、準(zhǔn)確、實時的測量。實驗結(jié)果表明，本裝置達(dá)到了國家標(biāo)準(zhǔn)對諧波測量儀器的要求。關(guān)鍵詞： 電

2、參量；諧波；快速傅立葉變換；數(shù)字信號處理器 0引言1實時準(zhǔn)確的DSP算法11快速傅立葉級數(shù)算法1） 諧波算法的實現(xiàn)非正弦波是周期性電氣量，根據(jù)傅立葉級數(shù)分析，可分解成基波分量和具有基波頻率整數(shù)倍的諧波分量，基波和諧波分量的測量算法主要為快速傅立葉變換（FFT）。本文在進(jìn)行諧波計算時，對兩個連續(xù)信號u（t）、i(t) 在一個周期內(nèi)進(jìn)行N點等間隔同步采樣，得到 FR（K）和FI（K）分別是F（K）的實部和虛部。 因此，進(jìn)行一次N點復(fù)序列FFT，就可以同時求得電壓和電流的頻譜，得到各次諧波的電壓電流的幅值UL和IL，進(jìn)而利用公式求出諧波下的三相電壓和三相電流值： 其中: i表示相別，L表示諧波次數(shù)。

3、采用FFT算法原理在求解電網(wǎng)參數(shù)中首先可以對各次諧波狀況有第一手材料，根據(jù)現(xiàn)場實際要求，可求保留到K次諧波，因此，其精度是完全可以調(diào)整的。在DSP指令集中，平方累加、相乘累加在重復(fù)命令下都是單周期指令，這使得上述運算得以快速實現(xiàn)。利用F240特殊的指令可以很容易實現(xiàn)FFT或濾波操作。FFT采用基-2、按時間抽取、原位運算。F240間接尋址選項*BR0+提供了位反轉(zhuǎn)變址尋址的能力，可以對基-2FFT程序中數(shù)據(jù)點重排序以完成原位運算操作。2) 頻率的測量頻率是電能質(zhì)量的重要指標(biāo)，本系統(tǒng)利用DSP芯片自帶的捕獲功能，即當(dāng)捕獲引腳上出現(xiàn)指定電平時，DSP能捕獲指定定時器的讀數(shù)。因此我們將跟蹤頻率的方波

4、信號作為捕獲引腳的輸入信號，令連續(xù)兩次捕獲信號是定時器上的讀數(shù)之差為N，DSP定時器的頻率為fs，則交流信號的頻率f=fs/N。由于定時器的最大頻率為20MHz，所以測量的誤差極小，為減小偶然因素對測量的影響可測多個周期取平均值。12提高測量速度、測量精度的方法 1) 測量速度響應(yīng)時間是衡量電參量微機(jī)測量方法的主要指標(biāo)。在需要測量電網(wǎng)電壓和電流的各次諧波時，為減小計算量，提高測量反應(yīng)速度，常采用下述方法： 盡量選用乘法次數(shù)較少的FFT算法本文FFT采用基2算法減少復(fù)數(shù)乘法次數(shù)以提高計算速度，運算效率提高12個數(shù)量級，同時邏輯關(guān)系較為簡單，易于編程。 數(shù)值運算采用定點制在利用FFT進(jìn)行諧波分析過

5、程中，要進(jìn)行大量的加減法和乘法運算。為提高諧波測量速度，可采用定點制運算。為保證精度，定點制運算時數(shù)值表示必須有足夠的字長。一般當(dāng)字長為3字節(jié)時，足夠滿足一般測量精度的要求。 將兩個實序列構(gòu)成一個復(fù)序列求傅立葉變換諧波計算時，為縮短計算時間可將電流和電壓兩個時間序列交互采樣構(gòu)成一個復(fù)序列u(n)+ji(n)，先對復(fù)序列進(jìn)行變換，然后再將變換結(jié)果按有關(guān)公式轉(zhuǎn)換成u(n)和i(n)的FFT變換結(jié)果，從而一次FFT運算就可同時完成一對電流電壓的諧波分析。2） 測量精度本文采用下述方法提高測量精度，下文對測量結(jié)果做了分析。 保證一定的采樣頻率根據(jù)采樣定理，采樣頻率應(yīng)不低于信號中最高頻率的2倍，一般情況

6、下，電網(wǎng)中各次諧波含量是隨次數(shù)的增高而逐漸減少的，對電網(wǎng)觀測的結(jié)果表明，電網(wǎng)中19次以上的諧波含量已很低，因此本算法分析取到19次諧波，采樣頻率至少要在1900 Hz（每周波采樣38點）以上。事實上，為了減少噪聲對測量的影響，諧波測量時往往采用更高的采樣頻率，所以每周波采樣64點或128點（由鎖相環(huán)輸出決定）從根本上解決了測量精度和實時性之間的矛盾。 保證同步精度為了保證采樣的同步性,我們采用了倍頻鎖相技術(shù)，通過比較器（LM311）、鎖相環(huán)（CD4046）去控制信號進(jìn)行采樣及A/D轉(zhuǎn)換。2系統(tǒng)硬軟件設(shè)計2.1系統(tǒng)硬件設(shè)計1） 數(shù)字信號處理部分：采用TI公司的TMS320F240是16位定點處理

7、器。它將高性能的DSP內(nèi)核和豐富的微控制器外設(shè)功能集于單片之中，使得外圍電路簡化 ，軟件編程也變得容易。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和交流采樣計算、跳變沿捕捉、“看門狗”、程序的存儲等都由F240實現(xiàn)。為完成高速FFT運算，F(xiàn)240外面擴(kuò)展了64 k數(shù)據(jù)存儲器用于數(shù)據(jù)的運算處理和存儲。2) 采樣保持和A/D轉(zhuǎn)換： 模擬信號經(jīng)采樣保持和運算放大單元接入A/D進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和處理。TMS320F240內(nèi)含兩組8路10位A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換速度達(dá)100 kHz，而且采用多種采樣啟動方式。我們采用外部引腳觸發(fā)啟動方式，每次觸發(fā)后依次對模擬量進(jìn)行采樣，并將采樣結(jié)果存入數(shù)據(jù)存儲器RAM中。3) 鎖相同步單元：為了保證采樣的

8、同步性，采用鎖相倍頻技術(shù)取一相電壓信號經(jīng)比較器 （LM311）輸出跟蹤電網(wǎng)的頻率方波信號，作為鎖相環(huán)（CD4046）的輸入信號，同時也是頻率監(jiān)測的信號源。方波經(jīng)鎖相倍頻后作為采樣保持器（LF398）采樣保持和A/D轉(zhuǎn)換的觸發(fā)信號。4) 通信電路：采用RS232傳輸儀器與PC機(jī)間的數(shù)據(jù)和命令，便于將DSP處理后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C即做進(jìn)一步分析處理或用PC機(jī)對儀器實現(xiàn)遠(yuǎn)程操作控制。5) 鍵盤和顯示電路：采用320×240點陣的高分辨率微彩液晶屏顯示測量參數(shù)。通過F240的I/O完成4×4鍵盤的設(shè)計，鍵盤行線通過四輸入端與門連接到F240外部中斷XINT1引腳，以實現(xiàn)鍵盤中斷響應(yīng)。

9、6) 雙口RAM：采用IDT7133實現(xiàn)AT89C52 和TMS320F240通信。IDT7133是一種高速2 k×16雙口靜態(tài)RAM，且?guī)瑑?nèi)總線仲裁電路，它具有兩組數(shù)據(jù)總線和地址總線，兩組總線可以同時訪問不同的存儲器單元，當(dāng)兩組地址總線完全相同時，由片內(nèi)總線仲裁邏輯向后訪問的一方發(fā)出等待信號，使該方進(jìn)入等待，待另一方訪問結(jié)束后等待撤消，等待方繼續(xù)訪問這一地址。由于雙端口RAM的特殊結(jié)構(gòu)，使得雙機(jī)可以方便快速地進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，從而大大提高了AT89C52 和TMS320F240的并行處理能力。2.2系統(tǒng)軟件設(shè)計DSP程序設(shè)計：TMS320F240應(yīng)用程序開發(fā)過程分為程序編寫與模擬調(diào)試

10、、現(xiàn)場調(diào)試和脫離開發(fā)環(huán)境獨立運行三個階段。其中第二個階段需要在PC機(jī)和測試儀兩種環(huán)境交替進(jìn)行，需要頻繁地啟動和停止系統(tǒng)運行，檢查運行結(jié)果數(shù)據(jù)等，甚至直接修改程序代碼；第三階段則要求測量儀獨立運行情況下，提供一定的顯示信息。我們采用了匯編語言和C語言的混合編程完成了19次諧波運算，為了提高程序代碼的效率，采樣中斷子程序、數(shù)字濾波器和FFT算法都采用了匯編語言編程，主程序采用C語言編程，提高了代碼可讀性和程序結(jié)構(gòu)的清晰性。采用TI的CCS動態(tài)調(diào)試軟件，通過開發(fā)系統(tǒng)JTAG電纜，寫入F240片內(nèi)SRAM中進(jìn)行調(diào)試。最后將程序固化在串行Flash存儲器中，系統(tǒng)上電復(fù)位自動加載到F240片內(nèi)SRAM中，

11、用于獨立運行環(huán)境。單片機(jī)AT89C52程序設(shè)計：將編好的單片機(jī)程序通過51開發(fā)系統(tǒng)，對串口、顯示及鍵盤等電路分別調(diào)試，最后將程序通過編程器直接固化串行PROM中。3實驗結(jié)果電網(wǎng)中19次以上的諧波含量已很低，因此本算法分析取到19次諧波。下面是一組電壓信號測量及誤差結(jié)果。系統(tǒng)測量誤差主要來源于系統(tǒng)模擬處理和數(shù)字處理的誤差，模擬處理引入的誤差包括電阻的精度，運放的失偏，A/D轉(zhuǎn)換精度等。數(shù)字處理的誤差主要來自定點處理中的有限字節(jié)長效應(yīng)。表1所示為電壓信號測量結(jié)果，圖2所示為測量數(shù)據(jù)與理論值的誤差曲線，橫坐標(biāo)為諧波次數(shù)，縱坐標(biāo)為諧波幅值誤差。可以看出，直到19次諧波，檢測儀的測量誤差小于3%，測量精

12、度達(dá)到國標(biāo)對B級諧波測量儀的要求。4結(jié) 語通過以上分析可以得出如下結(jié)論：1) 采用數(shù)字信號處理器構(gòu)成的雙CPU計算機(jī)控制,保證了測量儀實時性的要求;2) 雙口RAM IDT7133的使用解決了雙機(jī)間數(shù)據(jù)的大量快速雙向傳送，且可靠性高；3） 諧波污染對電網(wǎng)設(shè)備構(gòu)成威脅和損害，該測量儀能有效對電力系統(tǒng)實行實時在線諧波監(jiān)測，確定諧波污染情況，以便采取相應(yīng)的措施進(jìn)行控制；4） 本裝置在實驗室進(jìn)行了測量實驗，結(jié)果表明，所選DSP是目前用于電量測量方面比較理想的選擇，其價格低于通常模擬電路的價格，系統(tǒng)有很高的性價比，精度較高，滿足諧波測量儀的要求，具有廣泛的應(yīng)用前景。參考文獻(xiàn)1張雄偉，曹鐵勇（ZHANG

13、Xiongwei,CAO Tieyong）.DSP芯片原理與開發(fā)應(yīng)用(Digital Signal Processing Principle & Application).北京:電子工業(yè)出版社(Beijing:Publishing House of Electronics Industry),2000.2吳湘淇（WU Xiangqi）.信號系統(tǒng)和信號處理(Signal System & Signal Processing). 北京:電子工業(yè)出版社(Beijing:Publishing House of Electronics Industry),1996.3吳競昌（WU Jingchang）.電力系統(tǒng)