基于DSP多功能电量分析仪的研制.doc

基于DSP多功能电量分析仪的研制注蒋渭忠 徐 维(常州工学院电子信息与电气工程学院，江苏常州213002)摘要：介绍了一种基于DSP及单片机双微处理器控制的多功能电量分析仪实现方案。DSP所构成的系统主要完成对电压与电流的高速采集、电压电流量FFT变换、计算出所有电量；由89C58构成的单片机系统完成控制键盘和320240的点阵液晶显示；DSP与单片机间通过双口RAM进行数据交换。关键词：谐波；功率分析；数字信号处理器；快速傅立叶变换；液晶显示中图分类号：TM930 引言随着国民经济的发展，电能用户逐渐增加，特别是非线性负载的应用，使电能的质量问题日趋严重。因此为了保证电网的安全运行和了解电网运行的状况，需要对电网进行实时监测。现在，有关部门已制定了完善的电能质量标准。在供电系统中，对谐波、负荷电流、功率因数等电力参数进行合理的估算并采取相应的措施(如加设滤波和无功补偿、报警)是非常必要的。无人监控也是现代控制的一个潮流，这使得在电力监测系统的设计中必须加以考虑。基于现代电力监控的要求，本文研究了一种基于DSP的电网质量的监控装置图1 系统原理框图。1 工作原理1.1 概述本设计通过对交流电压、电流量进行同相采集，送入浮点DSP（TMS320VC33）处理器进行高速运算，采用改进型FFT算法，对电压、电流波形进行频谱分析，分离出基波分量及39次谐波分量，再由DSP计算出电量参数：电压、电流有效值，有功功率、视在功率、无功功率，功率因素，以及电压、电流参数中的THD（总的谐波含量）；电压信号经信号调理、整形处理成方波，由DSP定时器检测得到交流的周期与频率，并依此调整A/D采样的周期。DSP将所有结果存入双口RAM中供单片机（AT89C58）读取。单片机（AT89C58）主要完成对监控，完成人机接口任务；单片机读取键盘的控制命令，从双口RAM相应区域中读取数据送到320240图形LCD中显示；同时单片机也可从串行口中接收命令，将电量参数送出系统，供给其它智能设备。1.2 FFT运算电力输电线路中的电压和电流的余弦信号，受非线性负载的影响，电网的波形会发生畸变，畸变后仍然为周期函数，且满足狄里赫利条件，可以用傅立叶级数分解法把电压和电流分解成基波和一系列谐波的叠加，即式中U0、I0电压、电流的直流分量；Un、In各次谐波幅度的峰值；n、n之差为谐波相位差。对电网的连续时间信号进行实时采样得到离散的采样序列，用FFT算法对其进行时频域转换，可以分析基波和各次谐波的幅度和相位情况，以实现谐波的监控。另外，电网中每一路的相电压和相电流之间存在相位差，对电压和电流信号同步采样并进行FFT变换，就可以算出各次谐波的相位差，准确地测出各次谐波的有功和无功功率。而对于FFT计算来说，如果采样数据集的端点不连续，就需要引入窗函数，从而增加了计算的繁琐程度。而在满足相关采样原理，采样的数据点集正好为整周期的情况下，采样数据集两端点连续，就可以把采样信号序列近似看成无穷的周期信号，从而使FFT计算量减少。采样点数的确定，根据时域取样定理，本系统要求分析出39次谐波，因此在一个周期内最少的采样点数为78点，FFT蝶形算法本身要求采样点数为2的幂时，计算速度最快，装置的采样频率为基波频率的256倍。由于电网频率，会在50 Hz左右上下波动，因此在硬件实现上，不可以用固定频率对电压、电流信号进行采样，而要根据电网的频率，实时地调整采样频率。本系统采用512点FFT算法，即在采样两个周期后完成一次FFT运算，其中有一个周期为上次采样的结果；TMS320VC33是一个浮点处理器，能在单个周期内完成一次浮点乘加运算，采用浮点的FFT运算代码也就简单多了，系统在编程时，FFT运算子函数采用代码少、效率高的汇编语言编程，在40 MHz主频，采用流水线技术使得指令在单周期内完成，在充分利用VC33片内RAM的情况下，完成一次512点FFT运算的时间约为0.5 ms，因而能满足仪器在线检测与分析。1.3 周期的确定交流电网的频率确定，确定的方法也比较多，本系统采用由硬件的方法来测量周期，即将交流电压经调理与整形以后送DSP进行定时，从而得到交流电网的频率；由于电网的频率变化具有较大的惯性，因而可以采用软件低通滤波器对所测量的数据进行处理。从1.2可知，FFT要求所采样的数据为两端点相连，必须确保在一个周期内采样256个点，当电网频率发生变化时，采样的周期也要随之而调整；但是不可能整数的配，本系统采用的方法是先计算整数采样周期，将小数部分均匀的分配到整个周期，这会带来一定的误差。1.4 电压和电流的有效值及总的谐波含量（THD）电压、电流有效值的计算有几种方法： 其一：定义计算法： 离散化处理以后为： 式中：N为采样的点数，为离散时刻的值。 其二：利用FFT运算结果： 式中：N1为计算出的最高谐波次数，U（k）为FFT运算出的谐波的幅值。当高次谐波的幅值快速衰减时，上述两种方法的偏差不大，但算法二的计算量少于算法一，所以本系统采用第二种算法进行计算。谐波含量用各次谐波幅值相对于基波幅值的比值来表示： 总谐波畸变反映总的谐波含量： 电流的计算同电压的计算。1.5 功率计算 采用FFT变换技术，功率的计算可以变换为： 其中、分别为电压、电流向量；从上式中可以分解出各次谐波的有功率、无功功率： 式中：、分别为是电压k次谐波的实部、虚部； 、分别为是电流k次谐波的实部、虚部。视在功率的计算：SUI 式中U、I分别为电压、电流的有效值。1.6 功率因素计算从1.5分析可知，由于电网系统中谐波功率存在，使得系统功率与基波功率之间存在偏差，因而在计算功率因素是采用： 2 系统的硬件系统的硬件结构框图如图1所示，系统采用双处理器结构：DSP系统与单片机系统。被测电压、电流分别由电压互感器（PT）、电流互感器（CT）经信号调理电路的转换成为-5 V+5 V电压，为消除互感器与电路所产生的相位延迟，电路在设计时采用了相位补偿；送入A/D转换器，ADS7864能实现6路模拟信号同相采样与转换，确保了在电压、电流检测是同相位，它的精度为12位；数据经FIFO队列存贮器与DSP联接，对DSP资源占用量少；电压信号经过零比较电路转换成方波送DSP用于检测，交流信号的周期；在TMS320VC33外围扩展高速RAM来存放系统运行时的程序与数据；扩展FLASH用于存贮系统程序，系统上电时，在“Boot Load”程序作用下将程序从低速FLASH载入到高速RAM中；双口RAM中用于DSP与单片机之间的数据交换，同时也作为DSP与单片机数据存贮器。单片机（AT89C58）用于系统建立一个良好的人机接口，主要控制显示器、键盘、输出接口电路。LCD扩展了320240点阵的液晶显示，用于以图形的方式显示电量的所有参数、显示电压、电流的瞬时波形和频谱曲线，建立良好直观的显示界面；键盘，系统设置了最小量的键盘，用于控制与输入仪器的参数与发出控制命令；串行接口电路扩展了标准RS232/RS485接口用于与其它的智能仪器联接。3 软件设计系统中DSP处理器运行程序完成：控制A/D数据采样，FFT运算，计算电量中所有有参数，将结果送入双RAM。流程图如下图2主程序流程所示。交流周期检测，电压转换成的方波信号送入DSP的外部硬件中断，在中断服务程序中读取定时器的计数值，转换成周期（频率），根据周期调整系统采样的周期。图3给出了周期检测流程图。A/D采样值的读取，系统硬件在A/D转换器与DSP之间设置了FIFO存贮器（FIFO采用高速RAM，DSP在读中断取时单周期完成，实现零等待），在一个周期的电压、电流测量结束，向DSP发出中断请求，DSP响应中断后一次读取全部电压、电流值，设置读取结束标志，以便返回主程序进行下一步运算。图4给出了读取A/D流程图图3 周期检测流程图图4 读取A/D流程图图2 主程序流程4 结束语本文所介绍的基于DSP处理器的多功能电量分析仪，采用了TEXAS公司的DSP处理器TMS320VC33，它在一个周期内可以实现一次浮点的乘、加运算，可以在一个ms内完成512点的FFT计算，因而能在一个工频周期内计算出电压、电流的波谱，从而实现真正意义上实时监测；采用点阵式液晶显示与按键输入，具备了良好的人机接口界面与丰富的信息显示方式；采用标准的RS232/485总线接口技术，仪器更方便的与其它智能设备相连接。本文创新点是采用实数输入的FFT变换算法，在DSP芯片VC33中实现，运用仪器中能实现实时在线测量，采用高精度前置放大电路和高速高精度A/D相结合，仪器的测量谐波分量能达到39次。参考文献：1 伍丁红.DSP在电力监控装置中的应用研究J.现在电子技术.2003(20):91-95.2 冯庆东.电能质量的监测及治理J.电力系统装备.2004(2):18-20.3 付周兴，赵永秀.电网谐波测量技术的现状态及发展J.工矿自动化.2004(2):18-21.4 朱圣清，朱英浩，周有庆，等.电网谐波检测方法的综述J.高电压技术.2004(3):39-42.5 秦娟英，陆家珍.基于DSP的交流采样及其实现J.自动化与仪器仪表.2004(4):54-56.6 周世平，同向前.CVT嵌入式电网电压谐波监测各级系统研制J.微计算机信息.2004(4):37-38.7 刘建刚，孙同景.基于FFT的傅里叶算法在微机继电保护中的应用J.继电器.2004(10):24-26,30.The development of multi-purpose electric quantity analysis instrument based on DSPJiang Wei-zhong Xu Wei(School of Electronic InformationElectric Engineering，Changzhou Institute of TechnologyChangzhou 213002)Abstract This paper introduced one kind scheme based on the DSP and MCU to realize multi-purpose electric quantity analysis. The system that DSP constitutes is completed to voltage together with current sampling at a high speed, then using the FFTs algorithm to analysis voltage and current, and calculates all electric quantity; The system consisting of 89C58 is to control keyboard and 320*240 LCD; The data exchange between the DSP and MCU is by twin port RAMs.Key words harmonic；power analysis；DSP；FFT；LCD作者简