毕业设计154湖南工业大学谐波对电网设备的影响
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电气电子毕业设计论文
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毕业设计154湖南工业大学谐波对电网设备的影响,电气电子毕业设计论文
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湖南工业大学毕业设计（论文） 1 第 1 章 绪论 1.1 谐波的基本概念 国际上公认的谐波定义为 ：“ 谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整倍数 ” 。由于谐波的频率是基波频率的整数倍，我们常称为高次谐波。根据这个定义，频率不是基波频率整数倍的畸变波形称为间谐波(interharmonics)、分数谐波 (fractional-harmonics)和次谐波 (subharmonics) 。 在电力系统中，波形畸变现象的产生主要是由于大容量电力设备和用电整流或换流设备，以及其他电力电子设备等非线性负荷造成。当正弦基波电压施加于非线 性负荷时，负荷吸收的电流与施加的电压波形不同，畸变的电流影响电流回路中的配电设施，如变压器、导线、开关设备等。在实际存在系统电源阻抗时，畸变电流将在阻抗上产生电压降，因而产生畸变电压，畸变电压将对负荷产生影响。这些电力设备或用电设备负荷从电力系统中吸收的畸变电流可以分解为基波和一系列的谐波电流分量，这样就产生了谐波电流，这些谐波电流注入电网，就形成了电网谐波。这些谐波电流值实际上与 50HZ 基波电压值和供电网的阻抗无关。因此，对大多数谐波源可视作为恒流源，它们与 50HZ 基波不同，后者大多是恒压源。 根据 谐波 产 生的原理不同，谐波源可分为两大类 ： （ 1）含有半导体元件的各种电力电子设备的谐波源 含有半导体元件的各种电力电子设备的谐波源工作时按一定的规律开关不同的电路，使正弦电流 (或电压 )波形发生畸变，将谐波注入电网中，这种方式产生的谐波电流与供电电压波形、电力设备的电路结构及参数和控制方式有关。近年来电力电子设备的迅速发展，这类谐波源成为最严重的谐波源。从相数分有单相和多相 ； 从功能分有整流、逆变、交流调压和变频等。如整流设备、交直流换流设备、变压器、直流拖动设备整流器、 PWM 变频器、相控调制变频器以及现代工业为节能 和控制用的电力电子设备等。 （ 2）含有电弧和铁磁非线性设备的谐波源 含有电弧和铁磁非线性设备的谐波源所产生的谐波电流与供电电压波形和负荷的伏安特性有关。如交流电弧炉、交流电焊机、日光灯和荧光灯等含有电弧的设备与它的工作周期和过程有关。变压器和发电机等含有铁磁的设备，电流谐波的含有率与它的铁芯饱和程度有直接关系。正常运行时，电压接近额定电压，轻度饱和，谐波含有率不高，若在轻负荷运行时，运行电压偏高，铁芯饱和程度加深，谐波含有率提高。特别是近年来，为了减少单位设备容量成本，使设备尽nts湖南工业大学毕业设计（论文） 2 量在饱和状态下运行，这更加加大 了变压器所产生的谐波，为电网谐波治理加大了难度。 1.2 谐波的危害 1.2.1 谐波对电网设备的影响 随着电子技术的快速发展，非线性电力设备的种类、数量和比重日益增加，它们产生的谐波对电力系统的污染日益严重。谐波对电网设备的影响，就其结果来说，可分为 两 类 :对电力设备的影响 和 对电网中电子设备的影响 。 第一类 :对电力设备的影响 ， 主要表现在造成设备损坏、缩短设备寿命，降低 效率 和增加损耗等。如对电机和变压器的影响主要表现为引起附加损耗、产生机械振动。由于引起附加损耗，从而产生附加温升，产生局部过热，加速绝缘老化， 缩短电机的使用寿命 。 谐波对输电系统的影响是由于增加了电流的有效值而引起的附加输电损耗和谐波电流在各种电路阻抗上产生谐波电压降。另外，对电容器组的影响更加严重，主要是引起谐波电流和电压放大，有时还可能发生串联和并联谐振，从而大大增加电容器的损耗，常常导致电容器击穿和损坏。 第二类 :对电网中电子设备的影响 ， 主要是对计算机、继电保护、自动装置、仪表和通信等设施的影响，它可以造成设备的工作失误或性能劣化。如对继电保护和自动装置受谐波的影响表现为 :当装置动作于电压或电流信号时，还未达到整定动作值的基波分量能和 较大谐波分量叠加，使它形成的综合动作值超过整定值而误动作。当装于差动电路、零序电路或负序电路的继电器或启动元件，它所接受的动作电流或电压仅为电流或相电压的一个很小的百分数，故整定动作值都很小，它的动作电压和电流中的谐波含有率达到很高值，从而使得这些装置对谐波很敏感。 1.2.2 谐波对电能计量的影响 （ 1） 谐波对感应式电能表本身的影响 感应式电能表由电压线圈，电流线圈，转动元件和计量元件组成。电压线圈和电流线圈相互产生一个磁场力，驱使转动元件转动，驱动转矩为 MP=C1UICOS ， 其转速和功率成正比。电磁 式感应电能表是按基波电压和电流的情况设计的，没有考虑谐波的情况。在负荷电压下，电流不变时，当频率变化时，由于电压线圈阻抗的变化，同时由于转盘的变化会使电流磁通也发生变化，从而影响电能表的测量精度 1。 另外，当谐波电流存在时，谐波与基波相迭加，波形就会发生畸变，而由于nts湖南工业大学毕业设计（论文） 3 电压 、 电流线圈铁芯导磁率的非线性，在电压 、 电流发生畸变时，磁通并不能相应地线性变化，从电能表的工作原理可知，只有同频率的电压和电流相互作用才能产生有功功率，电能表也只有同频率的电压与电流产生的磁通之间相互作用才能形成转矩，畸变的波形通过电磁元 件之后，由于磁通不与波形对应，导致转矩不能与平均功率成正比而产生误差 2。 （ 2）谐波功率的流向对电能计量的影响 各种非线性负荷都是谐波源，它们将产生谐波功率。这些谐波功率都是非线性电力设备在工作过程中将基波功率的一部分转化而成的。图 1.1 是示意一个简单的电网。 图 中 :Plm 为 线性负荷从电网中吸收的基波功率 ； Phm 为 线性负荷从电网中吸收的谐波功率 ； Pl h 为 非线性负荷从电网中吸收的基波功率 ； Ph 为 非线性负荷输送给电网中的谐波功率 ; 若在线性负荷和非线性负荷与电网连接点分别装一个功率表，可以 得知 ： 功率表 1 记录的功率是 :Pl m +Ph m； 功率表 2 记录的功率是 :Pl h Ph 图 1.1 电能计量示意图 从上面分析中可以看出非线性负荷把从电网中吸收的一部分基波功率转化成了谐波功率输送到电网中，而功率表所计量的值却为 P1h 与 Ph 之差 ，而线性负荷功率表记录的为 Plm 与 Phm 之和 。其中 Phm 是被迫吸收的，不但没发挥作用，反而对电力设备产生很多危害。这就 使 线性负荷 因 多出电费而多受害，而非线性负荷发出损害电网的谐波功率却少出电费，这是目前电能计量必须解决的问题，并随着谐波的增加而日益突出。这 是由于目前使用的电能表只能反应基波电压与电流的关系而造成的。 1.3 谐波电能计量的研究现状 在国际上，早在 20 世纪初就有大量研究谐波的文章发表，进入 90 年代以来，电能质量现象、电能质量的测量和电能质量的改善等问题受到越来越多的关注。 在我国，虽然基波电能计量技术有了快速的发展，但对谐波电能计量的起步nts湖南工业大学毕业设计（论文） 4 较晚，发展也比较慢。直到 90 年代，电网电能质量问题进一步受到人们的关注，谐波电能计量技术才有所发展。 1996 年，湖北电力试验研究所研制出了能测量基波电能的 FEE-3 能表 3。这种表的主要功能特点在于 :能有效地 将畸变信号中的谐波电能部分去掉，只计量信号中的基波电能。 1997 年，清华大学电机系研制的基于微机技术的基波和谐波电能同时计量电能表，这种表的优势就是能同时计量基波电能和各次谐波的总电能 4。 1.4 谐波电能计量的必要性 随着电力电子技术的发展，电力电子装置带来的谐波问题对电力系统安全、稳定、经济运行构成潜在威胁，给周围电气环境带来了极大的影响。谐波被认为是电网的一大公害，同时也阻碍了电力电子技术的发展。 谐波不仅对电力设备的安全使用构成危害，而且对电网电能计量造成很大的影响，除了影响计量装置的精度外，它 的流动方向对计量影响更大。在非线性系统中，线性负载所消耗的功率除吸收有用的基波功率之外，还要被迫吸收一部分谐波功率，目前用的电能表所显示的读数为基波电能与谐波电能之和 ;非线性负载吸收基波功率，并将其中一部分转化为谐波功率，输送给电网，目前用的电能表所显示的读数为基波电能与其发出的谐波电能之差 5。对于线性用户，谐波功率不但无用，有时还会干扰其正常工作，它是谐波的 “受害者 ”，反而会因谐波的存在而多付电费 :而对于非线性用户，它把所吸收的基波电能中的一部分转化为谐波电能输入电网，它是谐波的 “制造者 ”，反而会因此 少付电费，这显然是不合理的。以前的各种谐波电能测量仪表只能测量其发送方向或者所有各次谐波电能的总值，而不能分别计量各次谐波电能。因而在非线性系统中，迫切需要能计量各次谐波电能的新型电能表，能定量地确定谐波源向电网输送的各次谐波能量，从而为制定相应措施治理谐波和对谐波源进行处罚提供可靠依据。 1.5 论文主要工作 本课题根据目前电力系统谐波状况，结合有关标准，在总结目前电能计量装置的基础上研 究 能实时计量基波和各次谐波电能的计量装置。 本 论文的主要工作分以下几个方面 ： （ 1） 分析电力系统谐波的产生机理和 危害 在电力系统中存在各种大容量电力设备、用电整流或换流设备，以及其他电力电子设备等非线性负荷。当正弦基波电压施加于这些非线性负荷时，负荷吸收的电流与施加的电压波形不同，畸变的电流影响电流回路中的电力设施。这些电力设备从电力系统中吸收的畸变电流可以分解为基波和一系列的谐波电流分量，nts湖南工业大学毕业设计（论文） 5 这样就产生了谐波电流，这些谐波电流注入电网，就形成了电网谐波。电网谐波对电力系统的危害日益严重。使电力设备的降低绝缘性能、产生附加损耗和 降低效率； 使电子设备工作失误，性能劣化 ； 使电能计量不准确，引起电能管理的混乱。 （ 2）电 力系统 谐波的理论分析方法 傅立叶变换是一种将信号从时域变换到频域的变换形式，是声学、语音、电信和信号处理等领域中的一种重要工具。离散傅立叶变换 (DFT)是连续傅立叶在离散系统中的表现形式。快速傅立叶变换 (FFT)是快速计算 DFT的一种高效方法，FFT 的出现使 DFT 的运算大大简化，运算时间缩短一至二个数量级之多，从而使 DFT 在实际应用中的得到了广泛应用。本论文就是利用 FFT 的快速计算能力，把它作为谐波的分析方法。把在电网中采集来的信号数值转换成各次谐波的分量，然后再进行计算和分析。 （ 3） 基于 DSP 的谐波电能 计量装置的硬件电路设计 本装置的硬件电路分为四个部分 ： 前置部分、采集部分、 DSP 部分和人机接口部分。其中采集和 DSP 部分是硬件设计的核心。 DSP 是快速数字信号处理芯片，它有专门用于 FFT 变换的汇编语句，因此进行数据处理更加方便和快捷。 （ 4） 谐波电能计量装置的软件开发 谐波计量装置的软件设计采用模块化设计，分成四个部分 :主程序、采集子程序、 FFT 子程序和电能计算子程序。 （ 5） 实验分析和误差修正 首先，对实验结果进行分析和对比，找出误差产生的原因，确认电感传感器是产生误差的主要环节。其次，提出了对传 感器误差进行补偿的软件补偿方法。最后，通过仿真实验对补偿方法进行验证 。 nts湖南工业大学毕业设计（论文） 6 第 2 章 谐波电能计量装置硬件电路设计 由于 只有同次谐波的电压与电流分量之间才能产生谐波有功 功率 。所以，只 要能测出各次谐波电压和电流的值，就能计算出含有各次谐波分量的有功功率。计量装置的工作原理是 ： 通过采集电路采集到各相电流和电压信号的一个离散序列，利用傅立叶变换把离散序列数据转换成各次谐波分量的值，再根据谐波功率计算方法算出功率和电能，就可得到每相的各次谐波电能。所能计量的最高次谐波电能由采样程序中的采样点数决定。 本章 利 用 DSP 和 MAX125 高速度、高精度处理数据的特点，设计了该计量装置的硬件系统。 2.1 装置的整体设计 目前国内外谐波电能计量技术做了很多工作，效果也很好 ， 但由于受处理器处理能力的限制，只能实现基波电能和各次谐波总电能的计量，而不能分开计量各次谐波的电能。随着电子技术的发展， DSP 的功能越来越强大，它的处理速度和处理能力完全能满足这种计量要求。本论文就是基于 DSP 技术，研制一种能实时计量基波和各次谐波电能的计量装置。 本装置的整体结构框图如图 2.1 所示，整个电路分四个部分，前置电路、采 图 2.1 系统整体结构框图 样电路、 DSP 电路和液晶显示电路。 PT, CT 和放大电路是前置电路，是把 220V电压、电流信号转换成 5V 的交流信号 ;MAX125 是采集电路的核心部分， 它 是专门的 A/D 采集芯片，把连续的模拟信号转变成离散的数字信号 ;TMS320LF2407是 DSP 电路的核心，也是整个装置的核心，所有计算、数据存储、显示控制以及和上位机联系都由它来完成。 nts湖南工业大学毕业设计（论文） 7 2.2 前置电路 前置电路包括 PT、 CT 和放大电路。前端信号处理电路用来把被测的高电压和大电流信号按一定比例转换为 5V+5V 的交流电压信号， 供下一级电路进行数据采集。借助 A/D 转换技术，将连续变化的模拟量转化为离散的数字量进行计算分析。电压和电流传感器采用西南自动化研究所的无源交流隔离采样器(WBV511E0、 WBI411D0 )。该产品采用特制的隔离模块，将被测交流电压、电流隔离转换成同频同相的交流电压信号，具有一定的过载能力，精度等级为 0.1 级。后一级的放大电路用来把小信号调整为适合 A/D 转换器采样的信号，并起阻抗变换的作用，有利于提高采样的精度。电路原理图如图 2.2 和 2.3 所示。 图 2.2 电压信号处理电路原理图图 2.3 电流信号处理电路原理图 无源交流电压、电流隔离采样器 (WBV511E0, WBI411D0)是西南自动化研究所研制生产的专门用来采样的传感器。其主要特点和参数 ： 采用新型电磁隔离，感应式输入，高精度，微功耗 ； 线性测量范围 ： 0120%标称输入 ； 频响 ： 25Hz5KHz 特别适应于工频至中频的电流测量 ； 额定环境温度 ： 0500 C； 隔离电压 2.5kvDC； 新增真效值变换输出和二线制输出 ； 过载能力 ： 30 倍标称输入，持续 5 秒 ； 平均无 故障工作时间 5 万小时 ； 多种输出类型任选取，多种结构类型任 选取 ； nts湖南工业大学毕业设计（论文） 8 采样器的 VG输出均属高阻输出，要求后一级电路的输入阻抗在 1M 以上 ,可以直接与运算放大器、跟随器或交流采样的 A/D 转换器配接。 交流电流 /电压传感器型号及参数如表 2.1 所示 表 2.1交流电 流 /电压传感器型号及参数表 产品 型号 精度 等级 输入标称值系列 输出 类型 输出 标称值 响应 时间 负载 能力 静态 功耗 WBI411D 0.1 0.5A,1A,2A,5A,8A,10A VG 3.5V 15 s 5mA 60mW WBV511E 0.1 10V,20V,30V,50V,75V,100V 150V,200V,250V,300V,400V,500V VG 3.5V 15 s 5mA 60mW 2.3 采样电路 数据采集和 A/D 转 换部分在系统中占有比较重要的地位，数据采集的精度直接影响到后面的 处理结果。这部分主要包括同步采样控制、电平转换和 A/D转换三部分。 2.3.1 A/D 转换部分 2.3.1.1 A/D 转换的工作过程 如图 2.4 所示， TMS320LF2407 的一个 I/O 脚作为 A/D 转换的启动信号，当IO 输出高电平时，通过 GAL20V8 译码，产生 CS1、 CS2 和 CONVST 工作信号，CS1 和 CS2 是 MAX125 的片选信号， 而 CONVST 则 是 它 的转换启动信号。MAX125 在被片选的情况下，接到 CONVST 信号时，开始采样和 A/D 转换，按 设定的工作模式采样完成后，并把采样数据存放临时 RAM。同 时 ，其 产生一个INT 中断信号，这是转换完成信号，当两片都完成时组合产生 INT 中断信号返回TMS320LF2407， 使其 外部中断 。它 在接到中断信号后，调用中断服务子程序，由 地址 通过 GAL20V8 译码产生 RD 信号，开始从 MAX125 中的临时 RAM 读数据，数据通过数据线 D0D13 经电平转换后存放到 其 指定的 地址 。 采样的控制逻辑由可编程逻辑器件 (PLC) GAL20V8 实现，相对于由标准数字逻辑电路搭建的译码电路，由单片 GAL20V8 实现的译码逻辑，不仅节省了电路板空间，并且可重复编程，方便了系统的调试。 nts湖南工业大学毕业设计（论文） 9 图 2.4 采样电路原理框图 2.3.1.2 MAX125 介绍 A/D 转换器是信号采样电路中的核心器件。采样电路的精度也主要取决于A/D 转换器的分辨率，该环节在整个系统中占有重要地位。本装置所用的TMS320LF2407 本身带有 A/D 转换模块，但它只有 10 位，其精度不够。为了保证整个装置的精度，本系统 A/D 转换器采用的是 MAXIM 公司生产的 MAX125数据采集芯片，它是 一个 14 位的 、 高速、多通道的同步采样数据获得系统。它包含一个 3 微秒的 14 位分辨率的模数转换器，一个 +2.5V 内部参考电压 ， 一个参考输入缓冲器， 四个同步采样 /保 持 放大器 ，一个可编程序列发生器，还有四个存放转换数据的 14 位 RAM。四个连续的读信号可访问四个转换数据。每路具有 17V 的输入故障保护，避免外界对芯片冲击而造成的损失 。它的新 芯片具有以下主要特点 ： 四个同步采样 /保 持放大器与四个 2 选 1 电路相连 (具有 8 个单独输 入 )； 每路转换时间 3 微秒 ； 采样速率 :250ksps(单通道 )， 142ksps(双通 道 )， 100ksps(三通道 )， 76ksps(四通 道 )； 模拟电压输入范围 : 5V； 电源电压 : 5V； 内部提供 +2.5V 参考 电压或由外部提供参考电压 ； 内部具有可编程时序发生器 ； 高速并行 DSP 或者 P 接口； 外部时钟频率 ： 0.1 MHz16MHz。 MAX125 的内部结构框图如图 2.5 所示。每个同步采样 /保 持放大器均与一个 2 选 1 电路相连。内部序列发生器被编程后，可实现 A、 B 二组 (CH1A， CH2A， CH3A， CH4A 或 CH1B， CH2B， CH3B， CH4B)中的任何一组产生一路输入、二路输入、三路输入、四路输入的同步采样方式。它采用连续逼近的转换技术实现模数转换，对于每一个指定通道模数转换器最快能在 3us 内完成转换 ，并将数据依次存于内部 RAM 中。 在每个 CONVST 脉冲下，内部序列发生器将产生最少 1 个通道、最多 4 个nts湖南工业大学毕业设计（论文） 10 通道的转换顺序 (在缺省模式下， CH1A 通道上的数据被转换 )，连续转换指定通道上的数据。在一个转换顺序里的最后一个通道转换结束后， INT 端出现一个低电平。 图 2.5 MAX125 的内部结构框图 MAX125 的输入指令 (A0A3)与数据输出 （ D0D13)在低 4 位通过三态门实现复用，与 P 或 DSP 接口容易。 CS、 WR、 RD 控制读写操作。 CS 是标准的片选信号，它能控制 MAX125 作为地址线的 I/0 端口 。当 CS 为高电平时，所有 I/O呈现高阻，读写操作无效。时序如图 2.6 所示。 MAX125 有 8 个转换方式并通过对 A0A3 地址线编程实现。在上电时，芯片自动选择 CH1A 为转换通道。用户可以选择 CH1 ACH4A 或 CHIBCH4B 这两组中的任何 4 个同步采样通道。如要对 MAX125 输入转换指令，应将 CS 拉低，对 A0A34 根地址线编程。然后，给 WR 一个低脉冲，编程指令在 WR 或 CS 的上升沿被锁存。这时模数转换器作好了转换的准备。一旦转换程序执行，模数转换器就在指定方式下连续执行转换，直到重新编程或断电为止。选择了 转换通道之后，给 CONVST 一个低脉冲就可进行一个转换顺序。在 CONVST 的上升沿，模拟信号被采样。在转换进行时不能进行新的转换 ， 随时检测 INT 输出，一旦出现下降沿就表明一个转换顺序结束 。其通道选择模式如表 2.2 所示。 在读周期，向 RD 引脚提供连续脉冲，通过并行接口可连续访问片内 RAM中的数据。接收到 INT 信号后，可执行 4 个读操作来访问 4 个转换数据。 CS 低电平，转换结果从 CH-1 的上升沿，内部地址指针指向下一个通道。如果只转换单个通道，只需一个 RD 脉冲，地址指针重新指向 CH -1。 nts湖南工业大学毕业设计（论文） 11 表 2.2 MAX125 通道选择模式 A3 A2 A1 A0 转换时间 模式 0 0 0 0 3 S CH1A(上电模式 ) 0 0 0 1 6 S CH1A CH2A 0 0 1 0 9 S CH1A CH2A CH3A 0 0 1 1 12 S CH1A CH2A CH3A CH4A 0 1 0 0 3 S CH1B 0 1 0 1 6 S CH1B CH2B 0 1 1 0 9 S CH1B CH2B CH3B 0 1 1 1 12 S CH1B CH2B CH3B CH4B 1 节电模式 图 2.6 MAX125 时序图 2.3.2 同步采样控制电路 在电力系统中，除了要知道每路信号值的大小之外，还要知道信号彼此之间的相位关系，这就要求采用同步采样技术来获取准确的信息，同步采样也是信号频谱分析的前提条件。在周期性电参量的测量中，进行同步采样是准确测量实时信号的关键。所谓同步采样就是将信号的一个周期 (或多个周期 )进行均匀离散，在每一离散点处取其信号的瞬时值。同步采样有利于离散傅立叶变换减少频谱泄漏，进而减小误差。 本计量装置是一个周波采样 128 点，然后对这些数据进行处理。如果 电网频率恒定，则采样间隔 t=T/128(T 为周期， N 为采样点 )，而电网的频率是在 50HZ左右波动，所以采样间隔 t 不能是固定的，要根据电网周波不断调整。因此，在采样电路的前部加上了一个同步采样控制电路来跟踪电网周期的变化。如图 2.7所示，由前置电路而来的电压信号 V1 经放大电路 (OP-07)后，再经过一个比较电nts湖南工业大学毕业设计（论文） 12 路 (LM311)，把其波形整成方波，使之在零点发生跃变。这种方波再连接到TMS320LF2407 的捕捉引脚 CAP1 上，利用 其 捕捉功 能 。当方波在零点发生跃变时， CAP1 就能捕捉到并产生一个捕捉中断，同时通过 设置定时器记录两个零点之间的时间，这个时间就是此时的电网周期，再把这个值除采样点数，就得到了采样间隔时间。这样，采样间隔能跟着电网周期的变化而变化，做到了真正的同步采样。 图 2.7 同步采样控制电路 2.3.3 电平转换电路 整个装置的硬件系统除了 TMS320LF2407 外，所有器件的工作电压都是+5V，而它的工作电压是 +3.3V。为了保证它能正常工作， MAX125 的数据线与它相连时，要进行电平转换，从 +5V 变到 +3.3V。本装置就是在 MAX125 与它之间加了一片 SN74LVC4245 芯片。该芯片是有 24 个引脚，有一个 +5V 和 +3.3V 的工作电压，共有八路转换。转换方向可以是双向的，其工作模式用 DIR 引脚控制，其工作模式如表 2.2。它的工作温度是 -400C至 850C，工作电压是 2.3V至 3.6V。 表 2.2 SN74LVC4245 工作模式 OE DIR 操作模式 L L B A L H A B H L 屏闭 H H 屏闭 2.4 DSP 电路 DSP 电路是整个计量装置的核心，由 DSP 芯片 TMS320LF2407 和它的辅助nts湖南工业大学毕业设计（论文） 13 器件以及与采样 电路、显示电 路等借口组成。其数 据线 D0D13 通 过 SNLVC4245与 MAX125 相连，读取采样数据 ，地址 线 A1513 与可编程逻辑器 GAL20V8 相连，是通 过地址译码对 MAX125 产 生片选、启动和读写信号。 MAX125 的 INT引脚与 其 XINT1 引脚相连，利用 该引脚 的外部中断功能接收 它 的中断信号。从同步采样控制电路来的信号连到了 CAP1 引脚上，是利用 该引脚 的外部捕捉功能，来捕捉控制信号在零点的跃变，在 DSP 中产生捕捉中断，从而实现同步采样控制。 IOPB07 是用来驱动液晶显示的接口，计量结果可以通过液晶屏显示出来。 图 2.7 DSP 电路原理图 在 TMS320LF2407的电路上，用 了 一个 16K的外部 RAM (CY7C1021) , JTAG仿真接口以及一些电阻和电容等辅助电路。为了 PCB 电路板的制作方便和与其它电路兼容，对 它 采用了模块化设计，把它与其辅助器件制成了一个独立的 PCB电路板。 2.5 人机接口电路 系统将各次谐波电能显示在 192x128 点阵的液晶显示器上。液晶控制器选用MG-12232，该控制器支持文本显示和图形显示，这两种显示可以通过一定的逻辑显示在同一屏上。 通过 LF2407 的 I/O 完成了 4x4 键盘的设计，键盘行线通过四输入端与门连接到 LF2407 外部中断 XINT2 引脚，以实现键盘中断响应。 该 引脚还可设置为I/O 功能。键盘中断后，将该引脚设置成为输入口，延迟一段时间后，读取该引脚电平，如为高说明是抖动，为低则是正常按键，这样可实现软件消抖的功能。按键后， DSP 响应键盘显示中断服务程序，分别按按键可显示各次谐波电能和总谐波电能，各次谐波电能分别用循环显示。 nts湖南工业大学毕业设计（论文） 14 2.6 系统抗干扰电路设计 计量装置应用于现场时，要求具有较好的抗干扰能力和较高的稳定性。工业现场的干扰来源很多，有来自系统内部的，也有来自 系统外部的。本装置硬件设计中主要采取了以下抗干扰措施 ： （ 1） 电源电路的抗干扰措施 在本装置中，是通过开关电源将来自电网的 220V 交流电变换成直流电来供电的，所以，电网的噪声将会通过电源电路干扰装置中的电子电路。而且，外来的干扰，除了电磁波辐射、静电干扰等方式外，绝大部分是从电源电路进入装置中的电子电路的。所有在本装置中加电源滤波器来滤除共模干扰和差模 干 扰。 （ 2） 电路板本身的抗 干 扰措施 在结构布局上，数字电路、模拟电路、大电流器件和噪声源器件 (如继电器等 )分开放。对于频率很高的 CPU 时钟电路，尽 量 靠近管脚放置，使时钟线尽量短。模拟部分和数字部分应采用分离的电源系统 接地系统。模拟部分接地采用单点接地法，即每个电压电流通道自成系统，有各 自的电源线和地线。 电源线和地线最后连接到装置的电源端，减小公共接地元件接地阻抗不同造成各模拟信号之间的藕合。数字部分还存在电源线阻抗的问题，当数字电路在输出状态翻转时，其工作电流变化很大，从而形成含有高频成分的冲击电流，它在印制线的阻抗上产生尖峰噪声电压引起电压波动。解决此问题的有效措施是在每个数字器件的电源和地管脚之间都加一个 0.1PF 的旁路电容，在冲击电流比 较大的存储器芯片的电源线与地线之间加一个 0.1uF的电容来抑制这种电流突变引起的电压波动，这个电容同时也起去藕作用。 （ 3） 采用软件数字滤波。软件上对信号采用了数字滤波的方法，其稳定性好，滤波参数修改方便。 nts湖南工业大学毕业设计（论文） 15 第 3 谐波电能计量装置的软件设计 谐波电能计量装置从软件上主要分为谐波数据的采样、采样数据的快速变换与处理，以及谐波电能的计算。本章的内容就实现了上述 三大部分的软件设计， 并且从系统的角度出发，将这三大软件部分有机的组合起来，设计了整个系统的工作流程。 3.1 主程序设计 主程序完成整个系统的各部分功能的初始化，对采样、 FFT、电能计算等程序的调用，各种功能在时间上的总体分配功能。程序初始化包括 DSP 的系统设置、一些专用寄存器的初始化及各功能模块的初始化任务，包括中断向量的设置、中断的各内部寄存器的设置、软件定时器的各寄存器设置、可复用 I/0 口的初始化、时钟的初始化、 A/D 转换器的初始化、存储单元的合理分配等。其程序流程图如图 3.1所示。 3.2 采样子程序设计 采样程序是程序设计的核心，其精度和速度都直接关系到计量结果。采样计算程序的设计主要考虑两方面的问题，一是要求程序的速度快 ,因为对于 5OHZ频率的电网周期采样 128点，其时间间隔只有 156us，采集一个点的时间应该小于这个间隔，不然不能进行正常的采样。二是要求精确，各个数据直接送到 FFT程序，作为 FFT的原始序列，其精度直接影响整个计量的精度。 根据采样定理，对电力系统进行采样，其采样频率 fs 应该满足 fs2fmax条件要求。根据电网谐波测量的相关规定，要求测量最高 次谐波为 63 次，所以在本装置中采样 128 点。每个周期采样 128 点，其采样间隔 t是由捕捉程序捕捉到两个零点跃变之间的 时 间隔 T，即这个电网周波的周期，来除 128 即是。实际上这 t是用作下一周波的采样间隔。这是通过同步采样控制电路和 CAP 捕捉程序来跟踪电网的周期变化，做到真正的同步采样。采样程序流程图如图 3.2所示。 3.3 快速傅立叶变换 (FFT)子程序设计 FFT（ Fast Fourier Transfonn） 为了分析电网谐波，在采样点数较大时， FFT对数据处理的吞吐量很大，如若要在 lms内完成 1024点的快速 傅立叶变换，要求每秒有 500万次的乘、加运算速度，显然 51,96系列单片机的运算能力还达不到这样大数据处理的要求。而 TMS320LF2407运算速度每秒钟可达 2000万次 ， 完全可以满足nts湖南工业大学毕业设计（论文） 16 FFT的要求。由于 其 是定点的 DSP，在完成 FFT运算编程时归一化就是一个很重要的问题 。 不仅在输入级数据可能有溢出，每一级中间结果也可能溢出。为确保无误，对每一级的运算结果都除以 2，最后输出结果已是 (1/2)的 N次方 ,N是蝶式运算的级数。 图 3.1 主程序流程图 本文的 FFT采用 DIF算法，输入顺序，输出混序。因此需对最后结果进行倒开始 分配地址 定义参数 系统初始化 设置采样标志 开 CAP 捕捉中断程序 等待 获取采样间隔 t 开始采样 ？ 等待 调用采样子程序 调用 FFT 子程序 调用电能计算子 程序 停止？ 结束 是 否 否 否 捕捉产生中断？ 是 是 nts湖南工业大学毕业设计（论文） 17 序操作。 TMS320LF2407 为 FFT的位倒序操作提供了一种特殊间接寻址方式 *BRO+和 *BRO-，该指令利用当前辅助存储器 (ARn)作为数据存储器地址。指令操作结束后， ARn的值按位倒序原则加 减 一个辅助寄存器 ARO的值。 它 的高速单周期指令为 FFT的实时处理提供了重要手段。 FFT算法的蝶型运算对于 N点序列的 FFT变换，只需 N个存储单元。因为每一级蝶型运算的结果可以存储在那些正在作变换的原始数 据存放的位置，即输出序列存放在输入序列的位置上。如是复数运算，对于 它 各需要 N个存储单元来分别存放实部和虚部。考虑到程序存储空间的存储能力，其中的乘数因子 为 wkN=cos(2kN)+isin(2kN)， 以 sin、 cos 表格的形式存在程序存储器中备用， 其 可通过如下指令实现从程序存储空间 中 取出相乘因子与相应数据存储器中的数据相乘运算。 FFT 的计算框图如图 3.3所示 。 图 3.2 采样子程序流程图 主程序入口 获取采样间隔 t 参数初始化 设置定时器 返回主程序 从 MAX125 读数据 启动 CS、 RD 信号 进入 XINT1 中断服务程序 进入定时中断程序服务程序 启动 CS、 CONVST 信号 MAX125 产生 INT 开始采样？ 产生定时中断？ 是 是 等待 是 否 否 采完 128 点？ 否 nts湖南工业大学毕业设计（论文） 18 图 3.3 FFT子程序流程图 程序 如下 : LT TR ； 取实部 MPYA WR ； ACC=TR*WR 主程序入口 返回主程序 数据的整序 L=1 蝶行的实部=WR 虚部 =WI LE=2L LE1=LE/2 K=0 WR=1,WI=0 基本蝶行运算 I=I+2(L-1) K=K+1 L=L+1 IN-1? KLE1-1? LM? 是 是 否 否 否 是 nts湖南工业大学毕业设计（论文） 19 PAC LT TI ； 取虚部 MPY WI MPYA WI ；取实部 ACCR=TR*WR 3.4 谐波电能计算子程字设计 要计算各次谐波的功率和电能，只要得到各次谐 波的 电压与电流值即可。采样程序采集到的 128个离散数据经过 FFT转换后己经得到了各次谐波的电压与电流值，它们以复数的形式存放在指定的地址中。电压、电流的实部与虚部是分开存放的。按电压实部、电压虚部、电流实部和电流虚部的顺序各占 128 地址空间存放 。 各次谐波电压、电流有效值和有功功率可按式子 (3.1,3.2,3.3)计算。其程序流程图如图 3.4 所示。 U2K = )(I m )( R e 2 222 kUkUN (3.1) I2k= )(I m )( R e 2 222 kIkIN (3.2) Pk= ) (I m )(I m )(R e )( R e 22 kIkUkIkUN (3.3) 3.5 仿真环境 该系统的软件 开发环境采用 TDS -TMS320C2xx 仿真系统，该仿真系统采用先进的扫描仿真器 ，它 通过仿真信号线由 JTAG 接口可以方便的进行资料交换，消除了传统电路仿真存在的仿真电缆过长引起的信号失真、仿真插头引起的可靠性等问题。用户程序可在目标系统的片内或片外内存实时运行，不会因仿真器 造成等待状态。 DSP单元的软件设计采用汇编语言编程 ， 由于 DSP要进行大量的资料运算，因此采用汇编语言可以提高程序代码的效率，节省 CPU时间，满足 实时性的要求。 TMS320LF2407 有 3 个独立的可选择的空间 :程序存储器 (64K)、 数据存储器(64K)、 输入输出 (I/O)空间 (64K)。这些空间提供了 192K的地址范围 ， 其中数据存储器可分为三个片内 RAM块 （ B0、 B1和 B2块 ）。 B0块既可配置为数据存储器，也可配置为程序存储器 ， 在本设计中配置为数据存储器。数据存储器的空间分配为 :0060H 到 0080H 这 20H 的片内 RAM 用来存放所有程序所用的变量，每个变量只占 1 字节的 空间 ； 0200H 到 0300H 这 100H 空间用于存放电能计算结果，可存放 256个数 据 ； 0300H 到 0400H这 100H空间用于存放采样数据和 FFT 转换结果。一个周期的采样数据是 128个 采样点， 占 128 字节的 空间， FFT的转换结果也是 nts湖南工业大学毕业设计（论文） 20 128个数据，也占 128字节的 空 间。 系统的程序都采用模块化 设计 ，整个程序可分为主程序、采样程序、 FFT程序和功率电能计算程序等模块，在主程序中对其它程序进行调用。 图 3.4 谐波电能计算子程序流程图 主程序入口 参数初始化 分配地址 存放 W(k)、 U(k)、 I(k)地址指针加 1 返回主程序 K=K+1 W(k) W(k)+WT(k) WT(k) P(k) T P(k) PR(k)+P1(k) PL Im1(k) Im2(k) PR Re1(k) Re2(k) Im2(k) I(k)虚部 Re2(k) I(k)实部 Im1(k) U(k)虚部 Re1(k) U(k)实部 K=0 分配 ARn Kx0 时， x 是正值 ； 当 xx0 时， x 是负值 。 所以 x 有大小、正负之分，其单位与被测量的相同。它的大小和符号分别表示测量值偏离真值的程度和方向。 （ 2）相对误差 绝对误差与真值的比值称为相对误差，用百分数表示 为 %1000 x xr (4.2) 当 r 为正值时，表示正误差 ;r 为 负值时，表示负误差，但没有单位。 （ 3）引用误差 相对误差虽然可以较好地反映测量的准确度，但它不便于划分仪表的准确度。因为仪表的可测范围不是一个点而是一个量程，在此量程内被测量可以处于不同位置，若用相对误差 ( x /x0)表示，由于分子分母同时改变，难以标记仪器的 准确度，为此又提出了引用误差的概念。 引用误差又称满度误差，它的定义 为 %100mM xxr (4.3) 式中 xm 是仪表量程的满度值。由此可见，引用误差越小，仪表的准确度就越高，所以可以用引用误差的大小来标记仪表的准确度。 需要说明的是，当标注仪表准确度时，仪表的绝对误差是取整个量程的最大值 xm，这样又 可称为最大引用误差 ，有 %100max mmM xxr(4.4) 根据式 (4. 4)，常用电工仪表分为 0.1, 0.2, 0.5, 1.0, 1.5, 2.5, 5.0 七级，分别表nts湖南工业大学毕业设计（论文） 22 示它们的最大引用误差不能超过的百分比，这就是平常所说的精度等级。 4.2 系统误差的评估 对于计量装置的 研究 ，最重要的是确定其精度等级。从以上的分析可看出，确定其精度等级就是要确定其最大引用误差。在多数情况下，系统误差是个固定值 。但是由于测量时方法、工具、环境和人为的影响，会产生一些其它误差 (如随机误差 )，对系统误差的结果产生影响。为了准确测量其精度，确定其精度等级，必需采取可靠的方法对系统误差进行评估。常用的方法就是对同一量多次测量，然后取其算术平均值与实际值之差作为系统误差 ，有 Ax (4.5) 式中， A 为实际值，可用准确度较高的仪表的测量值来代替。 x 是算术平均值，其计算公式 为 ni ixnx 11 (4.6) 4.3 谐波电能计量装置的理论设计精度 计量装置 的准确度是衡量测量特性的主要指标。随着计算机技术的发展，微机数据采集分析系统，在工频电网参数的测量中得到了广泛的应用，如何提高采集测量的准确度是研制谐波测量分析系统必须要解决的重要问题。电子式电气测量系统的测量误差主要分为系统误差和随机误差，它们存在于系统的各环节中。随机误差指服从大多数统计分布规律的误差，产生原 因为许多影响量的总和，一般可用统计规律描述，在本文中没有考虑。系统的测量误差主要来源于两个方面 :硬件电路本身所产生的误差和软件误差 (即算法误差 )。本装置硬件误差主要是传感器、放大电路、 AD 转换电路、 DSP 电路产生的误差 ;程序算法主要是 FFT 转换和采集所产生的误差。 DSP 测量系统的误差主要由测量误差决定，所以在此只对测量系统的误差进行分析。 对于一个由多个环节串联而成的系统，它的相对误差为各环节相对误差之和。设 :a1为 传 感器相对误差 ;a2为 放大器相对误差 ;a3为 AD转换器相对误差 ;a4 为DSP 数据处理相对 误差。系统的总相对误差 a 为 1 2 3 4( 1 ) ( 1 ) ( 1 ) ( 1 ) 1a a a a a (4.7) 对于谐波测量，为了保证谐波测量精度，使测量的电压和电流信号不失真，对 PT 和 CT 要求也高，要求具有较高的频率特性。近年来，由于铁磁材料的质量和加工工艺等方面的不断改进，其线性度有很大的改善，变换的精度也高了。nts湖南工业大学毕业设计（论文） 23 本装置采用的是无源交流电压、电流隔离采样器 (WBV511E0, WBI411D0)是西南自化研究所研制生产的专动门用来采样的传感器 ， 其精度等级都是 0.1 级。 AD 转换电路的精度主要取决于 AD 转换 器的分辨率。本装置采用的 A/D 模数转换器是 MAXIM 公司生产的 MAX125，是 14 位的 AD 转换器， 它 能分辨出满刻度的 0.0061 % 。 本装置采用的运算放大器的放大倍数为 10 万倍以上，滤波电路产生的误差可以忽略不计。综合上述误差，所以硬件电路的主要误差来源于互感器和 AD 转换 电路。由式 (4.8)可知硬件电路所产生的总误差 a 应为 13 ( 1 . 0 0 1 1 . 0 0 0 0 6 1 1 ) 1 0 0 % 0 . 1 0 6 1 %a a a (4.8) 软件算法误差，主要是在微处理器完成各种测量算法，计算所要的电气量时产生的，这部分误差主要取决于 CPU 的字长、选用的算法 以及采用的频率能否跟踪电力系统频率的微小变化等因素。本装置选用数字信号处理器为TMS320C1f2407, CPU 字长为 32 位，加上严格的算法和自适应调整采样间隔，可 以将这一部分的误差大幅度减小，忽略不计。 FFT 算法误差 :对基本电参数的测量，本文采用矩形积分算法，由矩形积分算法的误差公式 20()2()1()tn hfRnf t dtt(4.9) 采样点数为 128 点 ， 其截断误差为 R（ 128） = 00098.0200s in0098.0100s in02.0 1)100s in()128 02.0(212802.0022222t dtAA (4.10) 即 R（ 128） 0.098% 综合硬件和软件的误差，本
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