電能質量檢測分析裝置的研究

王健

摘 要：本文提出了一種基于TMS320F2812的監測電能質量新方法。本系統主要利用DSP芯片強大的數據處理能力和豐富的系統資源，對同步采樣來的信號進行處理，從而對電能質量的五項指標進行分析、存儲。實驗結果表明，TMS320F2812對數據的處理速度滿足實時性要求，本系統能夠快速、準確地反映出電力系統中電能質量各項指標的變化情況。因此，本系統很好地適應了電力系統對電能質量監測的要求。

關鍵詞：電能質量；DSP；FFT

1 電能質量各項指標測量方法

1.1 供電電壓允許偏差

電力系統正常運行的電壓偏移，稱為電壓偏差，以實測電壓與標稱系統電壓之差或其百分值來表示。

1.2 電力系統頻率允許偏差

電力系統負荷在不斷地變動，致使系統頻率總是一直處于變動的狀態中。這種電力系統在正常的運行條件下，系統頻率的實際值與標稱值之差稱為系統的頻率偏差。

1.3 電壓波動與閃變

電壓波動是指工頻電壓包絡線的一系列變動或周期性變化，常以兩個電壓最大值和最小值之差相對于額定電壓的百分數表示。

2 電能質量檢測裝置硬件電路設計

電能質量監測裝置是一個實時系統，數據采集部分以采樣頻率不斷地向監測裝置輸入數據，監測裝置的微型處理器必須要來得及在兩個相鄰采樣間隔時間內，處理完對每一組采集值的各種操作和運算。傳統的51系列和96系列的單片機在多個通道同時采樣的情況下，無法滿足實時測量與運算的要求。而數字信號處理（DSP）技術的快速發展，為電能質量實時監測提供了理想的解決方案。

對于A/D轉換的位數，它決定了量化誤差的大小，反映了轉換的精度和分辨率，這一點對繼電保護和測量裝置十分重要。由于電力系統中高次諧波的含有量相對于基波分量而言是非常低的，諧波次數越高其含量越低。根據實測數據，如果采用12位分辨率的A/D轉換芯片，因為A/D轉換精度不夠，對15次諧波而言至少會引起1.67%的誤差，而且在實際諧波測量中一般要求測到30次諧波，這樣產生的誤差影響會更大，高次諧波測量數據將沒有可信性，因此現場監測單元中A/D轉換器的分辨率至少應保證為14位，這是A/D轉換器的選擇原則。

2.1 核心處理器TMS320F2812

本檢測系統的核心處理器選擇TI公司的一款性價比較高的芯片TMS320F2812定點高速數字處理器，最高工作頻150M，該芯片采用改進的哈佛結構，片內有六條獨立并行的數據和地址總線，極大地提高了系統的數據吞吐能力，32位的累加器、16位的硬件乘法器和輸入、輸出數據移位寄存器相結合能快速地完成復雜的數值運算。因此TMS320F2812的計算速度非常高，可以滿足系統的在線實時性的要求。

2.2 高速A/D采樣電路

AD轉換器是模數轉換電路中的核心器件，在整個電氣測量系統中占有重要地位。如果模數轉換的位數低時將引起較大的測量誤差，本裝置選用TI公司的高性能A/D芯片ADS8364做模/數轉換。該芯片是一種高速、低能耗、6通道同步采樣、單+5V供電的16位高速并行接口的高性能模/數轉換芯片。片上帶2.5V 基準電壓源，可用作ADS8364的參考電壓。每片ADS8364由3個模/數轉換器（ADC）構成，每個ADC有2個模擬輸入通道，每個通道都有采樣保持器，3個ADC組成3對模擬信號輸入端，可同時對6路輸入信號采樣保持，然后逐個轉換。由于6個通道可以同時采樣，很適合用于需同時采集多個信號的場合。

2.3 鎖相倍頻電路設計原則

雖然我國電網的頻率規定為50Hz，但實際電網的頻率受供用電負荷不平衡影響會有一些波動。如果長對電力系統的信號進行采樣，會使實際每個工頻周期內采樣點的起止時刻、采樣點個數出現差異，這種差異將導致柵欄效應和頻譜泄漏，使信號頻譜分析的結果產生誤差。為了盡量減小這種誤差，設計鎖相倍頻電路跟蹤系統頻率的波動，同時根據設計的每周期采樣點數用一個計數器對系統頻率進行倍頻，倍頻后的信號作為A/D轉換的采樣觸發信號。鎖相環電路現在一般使用集成鎖相環芯片CD4046，利用其相位比較器Ⅱ，中心頻率設為12K。

3 軟件設計

一是跟硬件有密切關系的驅動程序，包括DSP內置外圍電路的驅動、AD轉換啟動、數據的實時采集，這些驅動程序完成對硬件的底層操作，常要求及時處理，應在中斷處理模塊中完成；二是與硬件無關的應用程序，實時性要求不高，包括應用層的頁面顯示程序、電能質量分析的算法程序、數據的存儲、向上位機的通信等，應在系統主程序中完成。

4.1 FFT算法的實現

FFT快速算法較之DFT的計算量減少許多，但FFT要做到多點實時運算，計算量還是比較大的。一方面，FFT需要對原始自然序列進行碼位倒置排列；另一方面，由于是復數運算，需要多次查表進行相關的乘法才能實現。TMS320F2812就是針對這些需求而設計的，已具有反序（位碼倒置）間接尋址指令等針對FFT的獨特指令。

4.2 數字濾波程序設計

數字濾波器從本質來說是按事先設計好的程序，將一組輸入的數字序列通過一定的運算后轉變為另一組輸出的數字序列，從而改變信號的形式和內容，達到對信號加工或濾波以符合技術指標的要求。數字信號處理器（DSP）作為處理數字信號的專用微處理器，為信號處理而采用的特殊硬件結構設計，配合特殊指令，因而處理速度更快，效率更高。

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