（电力系统及其自动化专业论文）基于dsp的交流电量采集及其电磁兼容性能研究.pdf

摘要 电厂或变电站自动化系统中的交流电量采集是监控电力系统运行状态的重 要数据来源。电量以交流采集方式获取的过程中，主要应解决好电量变换、模数 转换、电压电流和频率计算以及真无功计算、谐波计算等问题，这样才能保证最 终输出数据精度和响应速度满足规定的要求。在交流采集设备的硬件和软件设计 中，还需要重点解决设备的电磁兼容性能，以提高设备的抗干扰水平和可靠性。 本文主要分析了交流电量采集系统中基于d s p 5 6 f 8 0 7 的硬件原理设计、采 样精度、真无功计算问题以及改进频率测量精度等问题。在软件和算法设计上， 论文采用“过采样”的原理，结合d s p 5 6 f 8 0 7 的高速a d c 和d s p 擅长的f f t 算法，以每周波1 2 8 点的采样率和全周波计算，来弥补a d c 本身相对较弱的1 2 位分辨率，提高了最终数据输出的精度。同时，结合高采样率和f f t 算法，论 文对各次谐波的u 、i 、p 、q 、c o s 中都进行了计算，从而保证最终真无功计算 的正确性和精确度。在频率计算上，论文采用以正序分量为基础数据，利用富氏 测频原理测算频率，从而提高了测频的稳定度和精度。 在电磁兼容方面，论文从接地和地系统设计、屏蔽、滤波以及p c b 和软件 设计等多方面入手，系统地改善设备的整体e m c 水平，也只有这样，才能很好 的解决e m c 问题，使e m c 试验通过严酷的检测等级。论文对单极性a d c 前向 电路中的二阶滤波回路进行了研究，并利用p s p i c e 软件对来自不同干扰源下的 回路滤波效果进行了分析，得出类似应用下的滤波回路设计优选方案。 关键词：d s p 交流电量采集频率测量p c b 电磁兼容 a b s t r a c t i t i st h ei m p o r t a n td a t as o n r c eo fm o n i t o r i n gt h er u n n i n gs t a t eo ft h ep o w e r s y s t e mt h a tt h ea cd a t aa c q u i r i n gi np o w e rp l a n to rs u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e m i n t h ec o n r s et h a td a t ai so b t a i n e db yw a yo fa cs a m p l i n g ，s h o u l ds e t t l ep r o b l e m so f e l e c t r i cs i g n a lt r a n s f o r m i n g ，a dc o n v e r t i n g ，a n dv o l t a g e ，c u r r e n t ，f r e q u e n c y , t r u e r e a c t i v ep o w e ra n dh a r m o n i cc a l c u l a t i n g ，c o u l dg u a r a n t e ei nt h i sw a yt h ef i n a lo u t p u t d a t a p r e c i s i o na n dr e s p o n s es p e e dm e e tt h es t a t e dr e q u i r e m e n t s i nh a r d w a r ea n d s o f t w a r ed e s i g no fa cs a m p l i n g e q u i p m e n t ，b u ta l s on e e d sk e yt os o l v et h e e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ( e m c ) p e r f o r m a n c eo fe q u i p m e n te s p e c i a l l y ，i no r d e rt o i m p r o v ea n t i - i n t e r f e r e n c el e v e la n dr e l i a b i l i t yo f t h ee q u i p m e n t t h ep a p e rh a sm a i n l ya n a l y z e di nt h ea cd a t aa c q u i r i n gs y s t e mb a s e do nt h e d s p 5 6 f 8 0 7h a r d w a r ep r i n c i p l ed e s i g n ，t h es a m p l i n gp r e c i s i o n ，t h et r u er e a c t i v e p o w e rc a l c u l a t i o np r o b l e ma sw e l la si m p r o v e m e n tf r e q u e n c ym e a s u r e m e n tp r e c i s i o n i nt h es o f t w a r ea n da l g o r i t h md e s i g n , t h ep a p e rh a sm a d eu pt h ea d ci t s e l f1 2b i t s w e a kr e s o l u t i o n ，i n c r e a s e dt h ef i n a ld a t ao u t p u tp r e c i s i o n ，b yu s i n g ”o v e rs a m p l i n g ” p r i n c i p l e ，i n t e g r a t i n gh i g hs p e e do fd s p 5 6 f 8 0 7a n dt h ef f ta l g o r i t h mw h i c hd s p e x c e l s ，a n db ys a m p l i n gi nr a t eo f1 2 8p o i n t sp e rc y c l ea n dc o m p u t a t i n go nw h o l e c y c l e a tt h es a m et i m e ，b yu s i n gt h eh i g hs a m p l i n gr a t ea n dt h ef f ta l g o r i t h m ，t h e p a p e rh a sc a r r i e do nt h ec o m p u t a t i o no fv a r i o u sh a r m o n i c su ，i ，p ，q ，c o s 巾，t h u s g u a r a n t e e df i n a l l yt h et r u er e a c t i v ep o w e rc o m p u t a t i o nc o r r e c t n e s sa n dp r e c i s i o n i n f r e q u e n c yc a l c u l a t i o n ，t h ep a p e rt a k e st h ep o s i t i v es e q u e n c ec o m p o n e n ta s t h e f o u n d a t i o nd a t a ，u s e st h ef o u r i e rf r e q u e n c ym e a s u r e m e n tp r i n c i p l et om e a s u r et h e f r e q u e n c y ，t h u se n h a n c e st h ef r e q u e n c ym e a s u r e m e n ts t a b i l i t ya n dp r e c i s i o n 。 i nt h ee m ca s p e c t ，f r o md e s i g n so f e a r t h i n g ，g r o u n ds y s t e m ，s h i e l d ，f i l t e r , p c b ， s o f t w a r ed e s i g n ，a n ds oo n ，t h ep a p e rs y s t e m a t i c a l l yi m p r o v e st h ee q u i p m e n tt h e w h o l ee m cl e v e l ，a l s oo n l yt h e nl i k et h i s ，c a nt h ev e r yg o o de m cs o l u t i o nb e s o l v e d ，a n dm a d ee m ct e s tp a s st h r o u g ht h es e v e r ee x a m i n a t i o nr a n k t h ep a p e rh a s c o n d u c t e dt h er e s e a r c ht ou n i p o l a r i t ya d co nt h e2 n do r d e rf r o n tf i l t e r , a n db yu s i n g t h ep s p i c es o f t w a r et oc a r r yo nt h ea n a l y s i so nt h ef i l t e re f f e c tu n d e rd i f f e r e n tn o i s e s o u r c e ，o b t a i n e dt h eo p t i m a lf i l t e rd e s i g nm e t h o du n d e rt h es i m i l a ra p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：d s p p c b a cd a t aa c q u i r i n g f r e q u e n c ym e a s u r e m e n t e e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y 河海大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 我国的电网调度自动化起步较早，从数据采集和监控( s c a d a ) 到能量管 理系统( e m s ) ，大体经历了远动化、数字化和自动化3 个阶段。现今，e m s 正 在走向信息化的能量信息系统( e i s ) ，并逐步组入当代电力企业资源规划( e r p ) 。 为了适应不断发展的计算机技术和自动化、信息化进程，作为该系统基础部分之 一的交流电量采集设备，也同时需要不断升级和更新换代。 相比早期的采用变送器方式的直流采集，交流电量采集设备的处理器要求更 高，而且对a d 的转换精度和速度要求也更高，特别是近年来随着对谐波测量 和通信能力的需求提高，也增加了对交流设备的硬件性能要求。另一方面，用户 和开发机构都不断希望在有限的硬件资源和空间上增加产品的功能密度，因此电 量测量产品不仅要增强功能，还要选用合适的硬件平台来满足这种需求。 随着技术的发展，关于如何实现交流采集功能以及如何提高测量精度等技术 问题己基本成熟，但实践中却发现有些交流采集设备存在不稳定、抗干扰性能差 等现象，这其中主要原因是设备设计和测试时对电磁兼容性能考虑不足。而电磁 兼容研究是一项相当复杂且较难得到工具进行跟踪监测的工作。成功通过电磁兼 容检测己变为影响研发产品进度的最大障碍。硬件设计的任何改变都可能较大影 响产品的整体电磁兼容性能，硬件设计中的任何新技术也都可能存在电磁兼容风 险，必须慎重和仔细研究验证。 近年来，d s p 技术得到广泛快速的应用。虽然d s p 并不是在任何应用场合 都是最优的，但d s p 在交流电量采集设备中确可发挥优越的性能和重要的作用。 由于目前交流电量计算的方法仍以傅立叶变换为优，特别是在真无功计算方面。 但由于单纯的d s p 缺乏i 0 功能，因此在很多应用中将其与m c u 配合使用，但 这样成本较高，系统复杂，对于模块化的小型应用不合适，而采用d s p + m c u 的混合型芯片就比较合适。 电磁兼容性能是直接影响设备可靠运行的重要因素。不同的硬件体系在电磁 兼容性问题方面会有不同的表现。例如不同的a d 转换器、滤波回路，采用共 地还是浮地以及各种芯片选型等都将对电磁兼容性能产生影响。电磁兼容问题应 在设计之初和过程中就要着重考虑，一旦到样机形成并测试时发现重大电磁兼容 问题将严重影响开发进度、增加开发成本、甚至推翻原来方案，而且对开发人员 的自信心和积极性产生重大打击。 交流采集设备不但要解决基本的交流电量测量功能和精度问题，还要不断利 用新技术增强设备性能、加强通信能力、降低设备成本，改善发备的稳定可靠度 第一章绪论 i ”。因此采用新技术研究交流电量测量的软硬件原理以及电磁兼容性能是必要 的。 1 2 微机交流电量采集应用概述 交流电量采集在不同的应用场合对成本、精度、信号成分分析等方面要求也 不同。在低成本应用场合，往往只是监视电流电压的大小并报警或保护动作，精 度要求一般不高，通常采用一款小型8 位单片机，如8 0 5 1 ，并使用芯片内部的 1 0 位a d 进行电量转换采集。这种产品对成本比较敏感，使用环境对电磁兼容 性能要求往往不高。另一种应用相反，它不仅要求精度高、速度快，而且要求可 靠性高，例如一些高端测量仪表等。这种应用往往采用1 6 位或更高位数的高速 a d ，并可能采用浮点d s p 进行信号分析与计算，而且在设备的电磁兼容性方面 考虑全面，例如机箱屏蔽、器件选型、原理设计、p c b 设计、抗浪涌保护、信 号隔离等。 电力系统自动化测量大多接近中端产品应用，所采用的技术通常既要保证适 当测量性能又要保证可靠性。目前一般采用1 2 到1 6 位a d 转换的较多，采样 速率在6 0 0 h z 到6 4 k h z 之间，甚至更高。由于远动及当地监控对测量精度一般 要求电压电流达o 2 级，有功、无功功率达0 5 级，因此采用上述硬件理论上都 可满足这样的性能目标要求。 在算法方面，有的测量设备使用均方根来计算电流电压的有效值，用点积和 求有功功率，用移相点积和求无功功率，也有的采用傅立叶变换来计算电流电压 和功率。从目前的用户需求和应用分析来看还是傅立叶变换法更优越一些。 在电磁兼容方面，早期自动化测量设备的要求比保护设备低一级左右，但现 在随着电子技术的发展和其成本的降低，测量设备的电磁兼容性能要求提高到与 保护相同的水平且所引起的成本提高是能够接受的。 九十年代初及以前的测量设备以直插型器件和双层印制板技术为主，以这种 技术为基础的设备在电磁兼容性能方面是不及现在常用的表贴器件和多层印制 板技术的。在机箱结构方面，国内的机箱设计和工艺也有一些改进，增加了装置 的电磁兼容性能，例如，目前不少测量设备采用了整面板、整背板以及背插式机 箱，不但增加了机箱的屏蔽效能，而且接地效果和等电位设计都有很大的提高。 由于电子技术的发展，目前有很多嵌入式处理器芯片直接将以前的外围芯片 集成到处理器芯片单片中，这不仅有利于减少印制板面积，而且可以实现总线不 出芯片，这都可大大增强系统的抗干扰性能。这些将r a m 、f l a s h 等资源集中 到单处理器的芯片目前主要还是用于1 6 位及以下的小型多功能处理器，他们主 要可用于模块化的予功能模件应用。对于通信能力、计算能力等性能要求更高的 应用场合，如测量设备的主管理模块，目前使用较多的有8 0 c 1 9 6 、8 0 c 2 9 6 、 m c 6 8 3 3 2 、p p c 系列等芯片。这些处理器虽然总线出芯片，但其芯片本身的抗干 河海大学顶士学位论文第一章绪论 扰能力较高，而且合理的设计( 包括多层板、合理布局布线、隔离和屏蔽等) 使 得这些系统的抗干扰能力同样很高。重要的一点是，不管什么c p u 系统，全部 避免总线出本板。 1 3d s p 技术应用概述 由于目前交流电量采集算法仍以傅立叶算法为优，它不仅能较好地处理真无 功问题，而且同时输出谐波分量。但傅立叶算法计算量较大，如果每周波采样点 较高，如6 4 点、1 2 8 点或更高，则会使c p u 系统负担较重，影响系统整体性能。 国际电工委员会( i e c ) 标准i e c 6 1 8 5 0 对采样速率和精度有明确的要求1 2 l ， 对2 2 0 k v 及以上电压等级输电系统的监测装置应达到o 2 级精度，交流采样的遥 测装置每周波( o 0 2 s ) 采样点数要求大于8 0 点。由单片机实现的交流采样很难 达到此要求，而d s p 具有高速度、高精度、并行性、高集成度和高性价比等优 点，非常适合应用于交流采样遥测装置。 普通的处理器在处理乘法或加法时要调用函数，如果采用浮点数运算，通常 c p u 需要将浮点运算交给协处理器处理。虽然协处理器的浮点运算速度可能很 快，但加上c p u 将输入参数传出，再取回运算结果，会使速度变慢。普通处理 器做循环时，要有循环变量，每次循环变量加1 后再判断，这一过程也比较慢。 而d s p 则在硬件设计上针对这类计算采取了一些独特的设计，可以在一个时钟 周期内完成乘法和加法，并能并行地同时将下面运算要用到的两个参数传入相应 的运算用寄存器。d s p 在循环方面有诸如重复n 次或循环n 次等指令，而不必每 次都检查是否循环了n 次。由于傅立叶算法包含大量乘、加计算和循环，因而应 用d s p 芯片可以大大增加系统运算处理速度【3j 。 另外，d s p 往往采用哈佛结构，而传统的c p u 多为冯诺曼结构。前者程 序和数据分开编址，后者统一编址。分开编址使得d s p 处理数据空间运算和数 据传输的同时可以并行的从程序空间读取下一条指令。d s p 在内核设计方面还有 一个特点，就是采用多重流水线结构，这使得d s p 可以并行地流水线处理，看 起来好像每条指令都是在一个周期内完成。 由于d s p 芯片的计算能力强大，目前有不少基于交流采样的测量设备都采 用了d s p 芯片处理技术，如使用t i 公司的t m s 3 2 0 系列、a d 公司a d s p 2 1 x x 系列以及m o t o r o l a 公司d s p 5 6 8 0 0 系列的d s p 芯片等。单纯的d s p 芯片在 i o 功能性能方面相对欠缺，这对于不少要求功能密集的测量设备是不足的，此 时应用d s p + m c u 混合型芯片能起到互补效果，既满足性能功能需求，又不会 增加成本。 d s p 分定点和浮点两类芯片，从技术上来讲，浮点更易编程和使用，不存在 定点d s p 需要处理溢出的问题，精度上也是浮点d s p 高，但在满足一定交流采 集精度前提下，这些问题对定点d s p 都是可以解决的。浮点d s p 价格稍高，因 第一章绪论 此两类芯片的选型应根据实际情况而定。目前应用定点d s p 设计交流电量采集 的较多，也有少数使用诸如t m s 3 2 0 v c 3 3 浮点d s p 来设计交流电量采集的。 d s p 芯片的内部工作频率往往较高，但外部晶振不一定高，因为可以利用内 部压控振荡器和锁相环产生较高频率的总线时钟。相比主频较低( 如小于 i o m h z ) 的系统，主频较高的系统在印制板布局、布线上需要更加小心，以免相 互干扰引起系统不可靠。因此采用d s p 技术的主印制板通常至少是4 层板，从 e m c 的角度出发，合理安排的多层板其抗干扰性能比双面板更优。 1 4 电磁兼容技术在交流电量采集中的应用情况 电子技术在国内的民用甚至部分工业应用早期更注重功能实现，但随着产品 质量意识的提高和长期效益的追逐，电磁兼容技术越来越受到人们的关注。在交 流电量采集领域也是如此。早期的国产r t u 经常会发生当一次开关操作时，装 置就复位甚至死机的现象。还有，早期甚至现在一些小厂家的产品经常出现装置 通信芯片损坏、或打雷导致装置损坏的情况。这些都与电磁兼容设计息息相关。 交流电量采集系统与外界连接时，会将干扰引入到装置，而且还会受到非传 导性质的空间辐射干扰。另外，装置内部不同回路间也会产生相互干扰的可能。 儿是有电压或电流突变的场合，肯定会有电磁干扰问题存在。 环境中的电磁干扰分为自然的和人为的两种。雷电是一种主要的自然干扰 源。电磁干扰是人为干扰的主要来源。随着电子技术的广泛应用，电磁污染的情 况越来越严重。为了解决装置的抗干扰和电磁发射限值问题，i e c 以及我国标准 化机构制定了很多相应的e m c e m i 标准，他们不仅定义了模拟干扰的波形、频 率、强度等指标，而且规范了试验的项目和方法等。常用的交流电量采集装置应 遵循的e m c e m i 标准参见附录。 在几年前，交流电量采集设备的电磁兼容试验主要着重于：1 m h z 脉冲群干 扰试验、静电放电试验、辐射电磁场干扰试验以及快速瞬变干扰试验。在强度等 级上，以快速瞬变干扰试验为例，主要目标是达到3 级。但现在不仅要做更多 的试验项目，而且试验强度等级也提高了，如快速瞬变干扰试验达到4 级。 装置的电磁兼容性能提高，一方面是因为芯片本身的抗电磁干扰性能提高 了，包括芯片制造工艺、封装等的改进，另一方面是设计人员重视并加强了电磁 兼容设计技术，例如，在芯片选择、隔离、滤波、屏蔽、接地、p c b 设计等方 面都进行了精心设计，从而才能保证达到较高的电磁兼容水平。 电磁兼容措施应在设计中考虑。考虑得越早，问题越简单，解决问题所需的 成本越低。保证产品的电磁兼容性能有两个方法【4 l ： 测试修改法：在设计过程中几乎不考虑电磁兼容性，样机完成后，在对样机 进行测试的过程中发现问题，然后进行修改，再测试，再修改，直到样机满足要 求。可以想象的出来，这种方法的设计盲目性极大，在最后阶段往往要花费大量 河海大学硕士学位论文第一章绪论 的时间来测试修改( 调试) 样机，最终解决方案一般不是最佳( 成本最低) 的。 这种方法的优点是在设计阶段节省专业电磁兼容支持所增加的成本。缺点是在产 品的最后阶段解决电磁兼容问题不仅困难大，而且成本高。这种方法适合比较简 单的设备。 系统设计法：在产品设计过程中仔细预测各种可能发生的电磁兼容问题( 可 用电磁兼容预测软件进行辅助分析) ，并从设计的一开始就采取各种措施，避免 电磁兼容问题。由于在设计阶段采取电磁兼容措施，因此可以采取电路与结构相 结合的技术措施。采取这种方法通常能在正式产品完成之前解决9 0 的电磁兼容 问题。这种方法的优点是成功率高，节省开发时间，使设计达到最优化( 产品成 本低) 。缺点是对设计人员电磁兼容水平要求高，有时需要专门的电磁兼容技术 支持，增加设计成本。这种方法适合于较复杂设备的开发。 对于交流电量采集设备，在一个系统管理的企业，可以采取相对折中的方法， 通过长期开发管理产生的经验电路和经验电磁兼容知识库以及相应的设计流程 规范和评审点来达到要求。 1 5 本文主要研究内容 本文基于d s p 技术，应用m o t o r o l a 公司的d s p 5 6 f 8 0 7 研制交流电量采 集模块，以模块化的开发思想实现开放式、功能易扩充的更高级自动化设备。在 应用该款d s p + m c u 混合型芯片的电路设计中，解决了利用芯片内部a d 实现 采集原理时的偏置电压电路、滤波回路和保证采样精度技术等问题，并探讨了相 关回路器件选择、原理设计和电磁兼容性能等问题。本文的主要工作如下： 1 在保证电量采集精度的前提下，从降低产品重量、增强产品可靠性的角 度出发，分析选用坡莫合金磁心的互感器的机械及电气性能，同时解决 这种互感器在不加硬件角度补偿时的相位测量精度问题。 2 解决单极性a d 的偏置电压回路设计以及此时的二阶滤波回路抗干扰性 能问题。利用p s p i c e 软件分析了不同滤波电容接线回路和有源无源滤波 回路对来自不同方向的干扰的性能情况。 3 针对频率测量的精度与响应速度的矛盾，提出一种基于d s p 技术的改进 的富氏频率算法，分析改进的富氏频率算法的优缺点。 4 结合d s p 系统的交流电量采集设计，提出系统在电磁兼容性能提高方面 可以采取的多种措施及具体实现，包括接地、隔离、屏蔽、滤波和p c b 设计技术等。 第二章交流电量采集研究现状及问题分析 第二章交流电量采集研究现状及问题分析 交流电量采集设备与其它电子设备类似，存在硬件原理设计、软件代码设计、 机械结构设计、电磁兼容设计、热设计以及可制造性设计等，它们之间又存在交 叉设计。其中硬件原理设计随电子产业的迅猛发展，而需要不断跟随；软件设计 主要还是在算法上的改进或创新；电磁兼容设计在整机和系统中的研究，已有多 年的历史，并积累了丰富的理论和经验，但是在印制板级的e m c 问题研究上时 间不长，仍有许多问题需要研究。 2 1 硬件设计 交流电量采集的硬件设计主要涉及到以下回路或相关器件【5 j ：l 、实现信号 大小转换的小互感器；2 、用于提高抗干扰和避免产生频率混叠效应的滤波回路： 3 、实现模数转换的a d 转换器；4 、存储数据的r a m 、f l a s h 等存储体单元： 5 、核心处理器芯片；6 、实现对外数据交换的通信电路；7 、电源电路。这些电 路或器件的差别基本决定了不同硬件设计原理的交流采集系统。 以一个准1 6 位单片机为核心处理器的交流电量采集系统为例，参见图2 1 和图2 2 。这是一个以双列直插型器件为主的交流采集应用，输入通道采用多 路转换开关切换，然后用运放跟随。a d 转换器采用转换速度较低、1 2 位分辨 率的器件，配合准1 6 位单片机和一些存储资源，在对外串行通信并不考虑十次 谐波以上分量的前提下，其交流采集的基本性能是能够满足的。 上面的电路系统设计对于考虑较高次谐波分量影响时，将很难胜任。而且其 通信接口使用的是r s 4 8 5 串行口，这对于需求不断提升的要求更高速率和更高 可靠性的市场来说是不够的。现在的综合测量设备往往既要考虑基本数据输入输 出，还要考虑嵌入式计算解决更多附加数据输出以及利用数据汇总实现更加柔性 化的逻辑功能。因此不仅在前端采集环节需要快速准确，而且还需要通信传输联 络环节快速可靠。 图2 一l 和图2 2 显示的是一个基于5 v 供电的系统。虽然3 3 v 或更低电 源电压的器件早已技术成熟可用，但相对较多使用还是在近几年。5 v 电源供电 的芯片在功能上与低电源电压芯片相比并无多大差别，但由于功耗降低，不仅使 电源设计功率和成本降低，而且由于发热减少，装置内部温升减小，从而也使器 件的寿命和可靠性得到提升。功耗降低还有一个要素就是数字电路从t t l 工艺 转向c m o s 工艺。t t l 电路为电流注入型电路，静动态电流相近：而c m o s 电 路为压控型电路，只在动态下才消耗电流，静态电流为泄漏电流，理想情况下静 态电流为零。 河海大学硕士学位论文 第二章交流电麓采集研究现状及问题分析 图2 l 准1 6 位机系统中a d 采样同路的一个举例 7 第二章交流电量采集研究现状及问题分析 8 图2 2 准1 6 位机系统的一个举例 图 河海大学硕士学位论文 第二章交流电量采集研究现状及问题分析 交流电量采集的电压、电流输入路数往往较多，对于面向对象的测量设备来 说，通常一个交流模块用于变换这些电压电流的小互感器有6 1 2 个，而目前常 用的采用硅钢片磁心的互感器体积较大、重量较重，这样使得一块印制板上做较 多路输入时空间较挤，不易散热，且使得印制板容易变形，特别是运输等振动环 境下可能存在隐患。当然这种互感器因其线性度和角差性能好，因此很多测量设 备仍然使用。不过若采用一些小巧的互感器，从技术角度出发，还是完全能够做 到同样的线性度和角度精度性能的。另外，从抗干扰角度出发，使用硅钢片式互 感器目前往往采用原边加屏蔽、甚至副边也加屏蔽，来降低干扰传到弱电系统的 水平，参见图2 3 。不过，对于副边加屏蔽，本文认为并没有明显优势，可能 反而加大了原副边的耦合电容，从而使干扰入侵的幅度加大。 图2 - - 3 小互感器屏蔽原理示意图 在线性校准方面，目前大多设备采用了数字自动校准的方式，而摒弃了以前 使用较多的可调电阻方式。通过可调电阻调节来校准采集精度的最大缺点是随着 时间推移，可调电阻阻值会发生变化，从而影响测量精度。而且这种方式校准效 率低，不利于批量生产。数字自动校准包含比例和角度校准两部分，但角差在满 足精度的情况下，往往只校准比例系数。数字式自动校准一定要预先将互感器变 比、分压电阻( 如有) 、比例电路系数( 如有) 等设计好，保证在最坏情况下信 号不至于超出a d 输入范围，校准时输入与软件匹配、预先指定的电压和电流， 最后通知装置进行校准计算，保证计算输出与输入相同即可。目前不少测量设备 的精度会受到各种影响量( 如温度、谐波、干扰等) 的影响，在电路设计和校准 方面仍需进一步改进。 实际上，交流电量测量的硬件评价很大程度上取决于当前的芯片水平和产品 成本限制矛盾的取舍。本文仅从为了达到0 2 级采集精度、1 0 0 k b p s1 m b p s 的 通信速率、具有1 3 次2 1 次谐波分析功能的要求出发来分析，目前的硬件主要 缺点是成本较高、谐波分析次数较低，另外，不少设备的硬件抗干扰能力较差， 有的设备笨重且不可靠。 在机械结构方面，不同的交流测量设备结构形式多样，没有一定的原则说明 仆么样的结构形式抗干扰最好。结构设计不仅要考虑美观和功能配套协调，而且 更主要的应考虑整体电气特性，如屏蔽、等电位设计等。国内测量设备机箱及插 件结构主要出现过以下几种形式：前插分面板、前插整面板、背插式后分面板前 第二章交流电量采集研究现状及问题分析 整面板等。前插分面板机箱形式的前面直接是单插件的小面板，后面采用绕线式 进行端子连接，可靠性较差，机箱整体屏蔽性能较差。前插整面板将前面小面板 取消，插件隐藏在前整面板内部，虽然前面改善了屏蔽性能和等电位性，但后面 往往是强电引出端子，连接形式处理不好，易降低可靠性。采用背插式机箱，插 件后面带有小面板，强电引出端子直接从印制板后面连接端子引出，可靠性高： 前面板采用整面板，且前面采用母板形式连接各插件弱电部分，强弱电分隔非常 明确自然。这种背插式机箱目前应用还不是很多，如果配合模块化设计和分布式 网络连接结构，则更能体现其优越的结构形式。 2 2 软件设计 交流电量测量的软件设计与其它保护或自动化设备的软件有很多共同的嵌 入式设计方法。 有一句很贴切的比喻：软件= 数据结构+ 算法。这在p c 机系统利用高级语 言编程尤为重要。在嵌入式软件编程领域这两点也很重要，但其重要性有被忽视 的普遍现象。当然在嵌入式软件设计领域，开发人员可能要花很大的精力关注软 件与硬件接口问题、编程及调试工具使用问题、资源分配利用问题、可靠性及软 硬件自捡问题等，但除了这些，更重要的还是要设计良好的程序架构、数据结构 以及程序算法，这是提高设备性能的重要因素。 不过，数据结构设计优劣在p c 机系统编程比嵌入式系统中更能体现出来或 表露出来，因此目前很多嵌入式软件，包括交流电量采集设备，对数据结构设计 关注较少，而且数据结构与嵌入式系统有限的资源有时会产生冲突，但利用数据 结构设计的优点能使软件更加稳定、更易扩充、更具继承性。 软件设计中算法很重要。在交流电量测量中，有些算法在正常运行中也许数 据正确，但可能容易受谐波或频率变化的影响。对于一种电量，有的算法可能计 算量大或精度较差，有的却既快又准。在嵌入式领域一些算法还要针对嵌入式系 统本身计算能力特点，采用另外的算法转换来变通实现。 在交流电量采集系统中，需要解决电流、电压的计算、功率的计算、谐波的 计算、频率的计算，以及其它辅助输出计算，如电能量累计、序分量、谐波畸变 率等计算。在这些电量计算中无功功率的概念和算法需要重视，同时应设计合适 的频率测量算法以使频率跟踪对算法精度的保证。 2 2 1 无功功率算法 现行各种交流电量采集设备采用的电压电流功率算法形式主要有如下几种： 1 ) 均方根一差方根算法【l j u =( 2 一1 ) 河海大学硕士学位论文第二章交流电量采集研究现状及问题分析 ，= 居喜f ( 2 2 ) p = 万1 擎4 ff(2-3) s=ui(2-4) q = 店( 可= 抓和( 2 - - 5 ) cos=1：=(2-6) p 2 + q 2 在采取频率跟踪和谐波次数不大于每周波采样点数一半的情况下，这种算法 的u 、j 、p 、s 是正确的，但无功q 的算法在有谐波时不符合“真无功，概念计 算要求，误差会较大。另外，这套算法不能求出无功的符号即方向，这也是其重 要缺陷之一。 2 1 均方根一移相9 0 。算法【6 1 u 、 p 、s 、c o s 妒分别同式2 1 式2 - - 4 和式2 - - 6 。 q 2 专擎；。 _ 7 这套算法与前一套算法唯一不同的是无功计算采用移相9 0 。算法。这种无 功算法每周波采样点数应为4 的倍数，在进行频率跟踪并只有基波分量的情况 下，它是正确的，但在包含谐波分量时，所移谐波相位就不一定是9 0 。了，因 此也是不正确的。 3 1 均方根一h i l b e n 变换算法【7 】 前一种无功算法中只能将信号的基波移相9 0 。，而h i l b e r t 算法能巧妙的将 所有谐波成分都移相一9 0 。，并保持各次谐波幅值不变。 q = 毒p e f ) - i ( t ) d t ( 2 8 ) 其中“) 为“( f ) 的h i l b e r t 变换。 “( f ) 在等问隔离散时间信号下x ( n ) 的h i l b e r t 变换为： 舭昙量等 c ：吲 若每周波等间隔采样n 点，信号最高谐波次数为m ，当n m 时，有： 第二章交流电量采集研究现状及问题分析 q ：i 1 n “协( 行) n - i ( 2 一l o ) 采用离散h i l b e r t 变换进行无功功率计算，可取得较高的测量精度。其误差 主要来自于进行h i l b e r t 变换时，将电压序列进行周期性延拓与实际值之间存在 的误差，以及不可能在区间( 一。，+ 一) 上累加。由于h i l b e r t 变换收敛速度 较慢，要取得较高精度，累加时就得多取几项。对于存在的同步误差，可采用准 同步算法并选择适当的测量周期数n ，即可以提高测量精度，n 越大，则测量精 度越高。若采用准同步方法，需要n 个电网周期才能给出一次无功测量值，因此 实时性较差。因此，为了提高实时测量性，n 一般选择为3 5 周期，这样既保 证达到一定的测量精度，又能满足实时性要求。对于采样次数n ，由实验数据可 知一般选用1 2 m 次。 采用该无功算法时，其它电流、电压、有功等电量计算一般仍用前面两套中 的均方根等计算方法。 4 ) 傅立叶变换算法 r = 一 u = 、- u 。2 ( 2 1 1 ) yn = 0 r = 一 = 2 1 2 ( 2 1 2 ) p = 只 ( 2 1 3 ) s 同式2 - - 4 q = 见 ( 2 1 4 ) u c 0 s o i = 了；皇亍( 2 - 1 5 ) 只+ q l 以上各式巾下标数字0 、l 和n 表示直流分量、基波和谐波次数。 离散傅立叶分解法计算以上电量，也存在非准确等间隔采样、谐波次数有限 等误差。不过电力系统高次谐波含量较少，对于电力系统交流量测量，一般规定 至少考虑到1 3 次谐波，有些场合会更高。考虑的谐波次数越高，采样频率就越 高若每周波采样点数多，对a d 转换速度要求也更高。同时傅立叶算法计算 量较大，采用传统m c u 芯片很难胜任。 2 2 2 频率测量 河海人学硕士学位论文第二章交流电董采集研究现状及闷题分析 交流采集设备中频率测量不仅用于频率信息采集，通常还用于频率跟踪。频 率测量方法很多，主要有以下几种： 1 1 硬件过零测频算法1 8 1 硬件测频主要采用过零检测，由于电力系统频率相对单片机系统主频而言是 很低的，所以通常用测周法来测频。电压信号整形为方波后，嵌入式硬件系统的 高速输入记录通道，将相邻两个上升沿( 或下降沿) 的时间间隔求出，即为信号 周期。这种过零检测测频方法容易受谐波或过零噪声影响，但前端要辅以低通滤 波回路等措施能改善效果。这种测频方法反映速度较快、计算量小，在很多装置 中仍被使用。但其缺点是测频对象灵活性差，不如软件测频灵活且可靠。在现场 硬件过零测频法可能输出结果有一定波动，特别是电压信号有波动或现场干扰较 大时。 2 ) c r o s s 算法1 9 】 传统的c r o s s 算法是建立在线性插值基础上的，计算量较小，其计算过程如 下所述： 设电压的数学表达式为： “( ，) = “，s i n ( o j t 一口) ( 2 1 6 ) 令电压信号的标准基波周期为丁，则任一时刻r 以前一个周期的电压瞬时值 为： “( f 一丁) = “。s i n a ( t t ) 一0 】 ( 2 1 7 ) t 以前任意r 时刻的电压瞬时值为： u ( t r ) = ”。s i n c o ( t f ) 一目】 ( 2 1 8 ) 若令f 为固定的采样周期，f w 为标准基波频率，为一个标准基波内的采 样次数，则根 据线性插值原理可以写出下列关系式： n f z ： 型：堕：型! ! r( 2 1 9 ) 1 u ( t n r + f 1 - u ( t n r ) 式中z 是待求的电压信号的周期。 上式表明：当任一时刻f 的电压值“( r ) 与标准的一周期前的电压瞬时值 u ( t n r ) 相等时，则信号的实际周期将保持标准周期不变，否则说明信号的实际 周期与标准周期有偏差，利用线性插值的原理来估算这个偏差即得到式2 1 9 。 但线性插值方法本质上只有对线性波形才是准确的，而实际上来自电网的电压信 第二章交流电量采集研究现状及问题分析 号实质上是非线性关系，为使计算结果趋于合理，实际计算中一般采用加权平均 的方法进行。 c r o s s 算法计算信号频率的完整公式为： n d 1 ) r 1 扣( ，) 一“( 卜n r ) 】【d ( f ) 一d ( t n f + f 】 x ( m ，r ) = l 生1 丙f 一f = x f ( 2 2 0 ) d ( t ) - d ( t n r - r ) t = 0 其中： x ( m ，) d ( f ) = “( r ) 一“o f ) ( 2 2 1 ) x ( m ，) = n r t 1 ( 2 2 2 ) 刀是经过加权平均计算后得到的输入信号的周期； z 为计算所得周期偏差的系数值。 最终计算信号频率的公式为： 2 最 ( 2 2 3 ) 实际计算表明传统的c r o s s 算法当实际频率与标准频率接近时，能取得较好 的精度，但当实际频率与标准频率偏差较大时，计算精度明显降低。这是因为 c r o s s 算法是根据线性插值原理来计算频率偏差的，当实际频率与标准频率偏差 较大时，这种假定的线性关系就不能成立了。解决的方法有两种，一是提高采样 速度，缩小等值区间；二是改进算法，对计算误差进行补偿。前者受计算机硬件 的限制一般较少采用。后者在文献 1 0 i * n 文献【1 1 】中分别用曲线拟合和基于b p 网络的a n n 补偿算法来进行误差补偿。 以上算法对电力系统中的谐波、噪声和电压幅值变化都很敏感。 3 ) 基于s i n ( 硐r ) 和泰勒展开的测频算法 1 2 1 这种算法基本原理是假设正弦电压： v ( t ) = vs i n ( 27 f f ) ( 2 2 4 ) 设等问隔采样周期为7 ，则不难得到连续4 个采样点有如下关系： 垒三垒! ! ：x ：1 - 4 s i nz ( e f t )( 2 2 5 ) y k + i + y k + 2 对式2 2 5 进行泰勒展开，可得到测量频率： f = 5 0 9 5 4 9 3 ( x 0 7 3 2 1 ) - 8 2 7 9 2 4 ( x - 0 7 3 2 1 ) 2 1 5 8 9 9 6 ( x 一0 7 3 2 1 ) 3 ( 2 - - 2 6 ) 对式2 2 5 进行取舍或平滑滤波等处理，可改善测频进度。 l j 河海大学硕士学位论文 第二章交流电量采集研究现状及问题分析 这种算法是求出s i n ( 刀口) 的值，再用泰勒展开求反余弦，进而求出频率1 2 l 。 该算法受谐波及d 采样误差的影响较大。 4 ) 富氏测频算法1 3 1 1 1 4 1 1 5 l 【1 6 1 全周富氏滤波测频算法，其主要思想是用富氏滤波计算出相邻n 点( 每周采 样点数) 滤波相量间的相角差由，此角也是电压信号一周变化的角度，即 2 石+ 妒：2 矿 ， ( 2 2 7 ) 其中 是采样频率，是实际的频率，是相邻两周波的相角差， = 口。一o r 。一。，该值可通过傅氏算法计算出来。 脚文等卜等( 2 - - 2 8 ) a f = 西f v 2 万 ( 2 - - 2 9 ) 于是，可推导出系统的频率为： 厂= i i + 丢p ( 2 1 0 ) 全周富氏测频算法或递推富氏测频算法是近来研究或使用比较多的一种算 法。这种算法计算量不大，特别是本来就要用到富氏变换计算时。但这种算法为 了保证精度，有一定的数据窗宽度延时，系统频率变化会对测频结果产生影响。 影响测频精度的因素还有采样精度和采样频率是否自适应跟踪。 2 3 电磁兼容 现代电子产品的一个主要特征是数字化，微处理器的应用十分普遍，而这些 数字电路在工作时，会产生很强的电磁干扰发射。不仅使产品不能通过有关的电 磁兼容性标准，甚至连自身的稳定工作也不能保证。由于产品工作不稳定而耗费 了大量