基于DSP的电能质量在线监测装置的设计与实现.doc

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大学研究生课程考试

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专 业

考 试 科 目 电能质量分析及控制

考 试 时 间 2012.04.24

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摘要
随着电力电子器件和敏感性负载在电力系统中越来越频繁使用，很多年前电能质量就引起了电力工程师注意，尤其是最近几年，对电能质量关注不断提升。电能质量问题被定义为：频率、电压所导致问题，如电压跌落、电压闪变、电压短时中断、谐波、功率因数以及三相不平衡度。针对当前电能质量监测需求不断提升，本文提出了一种基于单片 DSP TMS320F2812 电能质量在线监测装置设计及实现。本系统主要利用 TMS320F2812 多通道缓冲串行口和多通道高速同步 AD 采样芯片 AD73360 结合实现电力参数实时采集，同时利用该 DSP 芯片及网络芯片 W5100 结合实现及以太网通信，从而实现对电能质量各项指标进行实时分析、存储及远程上报，而且 DSP 及内嵌式网络接口使系统结构紧凑、易于实现、成本降低，很好地适应了电力系统对电能质量监测要求。
关键词：电能质量；在线监测；AD73360；TMS320F2812

ABSTRACT
With the increasing usage of power electronic devices and sensitive loads in power systems, power quality has attracted the attention of power engineers over the past years. The interest in power quality has increased during the latest years. A power quality problem can be defined: problem due to frequency, voltage regulation, voltage dips, flicker, transients, harmonics, and power factor and 3 phase imbalance. With the rising of the power quality monitoring current demand, this paper presents a design and realization of power quality on-line monitoring device based on a single-chip DSP TMS320F2812. This system mainly uses TMS320F2812’s multi-channel buffered serial port (McBSP) and multi-channel high-speed synchronous AD sampling chip AD73360 to realize the power parameters of the real-time acquisition. This design takes advantage of the DSP chip and network-chip W5100 to achieve the Ethernet communication. So the design realizes the real-time analysis, storage and remote reporting of various indicators of power quality. The system based on single-chip DSP in order to make it compact, easy to implement, cost reduction, and well adapted to the power quality monitoring requirements of power system.
Keywords：power quality, on-line monitoring, AD73360, TMS320F2812

1 电力系统谐波分析及其测量
1.1 谐波定义及分类
发电厂出线端电压一般具有很好正弦特性，但在接近负荷端，由于大容量电力设备、用电整流或换流设备以及其他非线性负荷影响，会在电力系统中产生高频电压、电流分量，其频率为工频整数倍，从而造成波形发生较大畸变。这些分量危害在于：使变压器及电动机铁心损耗明显增加、电动机转子发生振动现象、电力系统发生电压谐振、对附近通信设备和通信线路产生信号干扰。另外，由于功率因数，其中 THD 为谐波畸变率，φ为基波电压及电流相位，所以可以看出，谐波含量也影响着电力系统功率因数。
如图 1-1 所示，为包含基波和丰富谐波电压波形。

图 1-1 谐波对电压波形影响
1.1.1 整数次谐波，通常简称为“谐波”
国际上公认整数次谐波定义为：“谐波是一个周期电气量正弦波分量，其频率为基波频率整数倍”。在国际电工委员会(internationalelectrotechnical commission，IEC)标准 IEC-555-1982 中，对整数次谐波定义为：“谐波分量为周期量傅里叶级数中大于 1 n 次分量，其中 n 是以谐波频率和基波频率之比表达整数”。IEEE-519-1992 标准中定义为：“整数次谐波为一周期波或量正弦波分量，其频率为基波频率整数倍”。
在我国国家技术监督局 1993 年颁布 GB/T-14549-93 标准《电能质量公用电网谐波标准》中，谐波分量定义为：“对周期性交流量进行傅里叶级数分解，得到频率为基波频率大于 1 整数倍分量”。
1.1.2 非整数次谐波
即间谐波(interharmonic)和次谐波(subharmonic)按照 IEC 61000-4 定义，间谐波是指频率不是基波频率整数倍谐波成分，即介于基波频率和整数次谐波之间成分。次谐波定义为频率低于基波频率分量，如频率为 20Hz 次谐波。
在电力系统中，还经常遇到对称三相电路高次谐波分析，对称三相非正弦周期电压，即三相非正弦周期电压波形相同，但在时间上依次滞后 T/3 周期电压，在工程计算上，对于这类电路中谐波又做了更进一步分类。
1) 三相电压中 1、7、13、… 等各次谐波在相角上依次滞后角度均为 2π/3，分别形成一组正序谐波(positive-sequence harmonics)。
2) 三相电压中 5、11、17、… 等各次谐波在相角上依次超前角度均为 2π/3，分别形成一组负序谐波(negative-sequence harmonics) 。
3) 三相电压中 3、9、15、… 等三倍数次谐波相角相同，则分别形成一组零序谐波(zero-sequence harmonics)。
1.2 电能质量监测中谐波测量标准
GB/T 14549—1993电能质量公用电网谐波标准对谐波允许限值规定如表
表 3-1 各级电网谐波电压限值(%)电压(kV)
说 明：①衡量点为 PCC(即 Point of Common Coupling 公共供电点，指是电力系统中一个以上用户连接处)，取实测 95%概率值；②对用户允许产生谐波电流，提供计算方法；③对测量方法和测量仪器做出规定；④对同次谐波随机性合成提供算法。
1.3 谐波测量方法
电力谐波检测是分离畸变电压、电流信号中不同频率成分过程，所以谐波检测取样方法要合理反映电网电能质量状况，尽量避免在对信号做预处理同时，滤除了需要分析高次谐波含量，或者使待测信号产生了较大相位误差延时。随着电子技术和数字信号处理技术发展，产生了频域、时域、时频分析等多种谐波检测方法，根据测量原理不同，主要有以下几类：1)基于模拟带通或带阻滤波器谐波检测方法，2)基于傅里叶变换
谐波检测方法，3)基于瞬时无功功率理论谐波检测方法，4)基于小波变换谐波检测方法，5)基于神经网络谐波检测方法，6)基于支持向量机谐波检测方法，7)基于现代谱估计谐波检测方法。其中前三种方法是目前常规谐波测量方法。最早谐波测量是采用模拟滤波器实现，其特点是电路简单、造价低，但是也有很多缺点，如滤波器中心频率对元件参数过于敏感，受外界环境影响大，精度上不满足系统谐波需求。基于傅立叶变换谐波测量是现在最常用一种方法，精度较高，使用方便，但有可能会产生频谱泄漏，也难以避免栅栏效应影响。基于瞬时无功功率谐波测量，其最大优点是有良好实时性，缺点是硬件设备多，花费大。
虽然谐波测量算法向复杂化和智能化发展，但是对于产品应用而言，算法应该简洁、可靠、准确，且硬件成本要小。傅里叶变换仍是目前谐波测量仪器中广泛应用理论依据，它高精度和使用方便性受到了大家认可。
1.3.1 FFT 算法及其改进
FFT 运算已是极为成熟和常用谐波分析算法，在很多 DSP 芯片中甚至可以将其作为库函数直接调用，如 TI 公司 DSP 芯片。值得一提是，对于主频为 150MHz F2812 DSP 而言，做 1024 点 FFT 运算时间只需要约 6.83 微秒即可。
在调用 FFT 库函数对采样数据进行处理后输出，可得到第 k 次谐波实部、虚部，分别为, 则第 k 次谐波电压电流幅值分别：

电压有效值：

电流有效值：

其中，U0、I0为交流电压、电流信号中直流分量，Uk、Ik分别为交流电压电流信号中第 k 次谐波幅值，k=1，2，3，…，M 或者 L(其中L、M 分别为交流电压、电流信号中包含最高次谐波次数)。在利用 FFT 算法计算有功、无功及视在功率时，可先求出复功率，再分解成有功、无功两部分为第 k 次谐波有功、无功。总有功、无功 P、Q 算计如下：

其中， Pk、 Qk为第 k 次谐波有功、无功。总有功、无功P、Q 计算如下

然后由功率三角形求出视在功率 S，即 S=U*I。
值得一提是：虽然当前谐波计算众多，也各有优劣，然而最常用谐波分析主要还是以傅里叶变换为基础，而且越来越多研究人员也对其做了更一步改进，下面简单介绍改进基于傅叶变换谐波分方法。
1.3.2 加窗插值 FFT 算法
FFT 要求处理采样点数以 2 为基数，采集点数必须是整周波或者整周波倍数，因为 FFT 从整体上看是在信号整周波求信号加权平均值，如果由于采集频率及信号频率不同步，即没有进行整周波采集，势必会造成采集值积分及实际整周波积分值之间存在偏差，使测量结果偏离实际值，同时在真实谱线两侧其它基波整数倍频率点上出现一些幅值较小假谱，产生所谓频谱泄漏问题，所以 FFT 存在固有频谱泄漏和混叠误差。加窗可以减少频谱泄漏，插值可以减少栅栏效应引起误差。
目前国际电工委员会(IEC)推荐是汉宁(Hanning)加窗傅立叶变换，该窗函数单边离散表达式为：

Hanning 加窗傅立叶变换频谱 Xw(k)可以表示为矩形窗傅立叶变换频谱 X(k)线性组合：

另外，窗函数为矩形窗或汉宁窗，采用插值公式对计算结果进行修正时，采样窗口宽度不得低于 8 个基频周期，所以，这种算法需要很大数据存储空间，同时也降低了对电量参数监测实时性。
1.4 基于准同步 DFT 谐波算法
1.4.1 准同步 DFT 计算谐波原理分析
基于同步采样法交流电量测量方法实际上是一种等间隔同步采样， 它优点在于当满足一定采样要求时， 理论上没有测量方法误差，此时测量误差仅取决于采样、A/D 转换、计算机运算等环节及干扰所产生误差。但困难是，在“ 实际同步采样”中，很难达到理想同步采样，尤其是在非正弦情况下，按目前现有技术条件，必须考虑同步误差。
同步采样理论上有 m*To=n*T (m 为输入信号周期个数，To 为信号周期，n 为采样次数，T 为采样间隔) ，即这时无同步误差△，而实际同步采样中很难达到 m*To=n*T，即所采集 n 个等间隔时域样本点不会正好落在 m ( m>= 1正整数) 被测信号周期内，从而产生同步误差△T = ( n*T–m*To)/ m*To，因此同步误差己经限制了同步采样系统准确度进一步提高。
准同步采样算法是在同步采样基础上，通过适当增加采样点及采用相应算法进行数据处理一种新技术，它比较好地解决了同步误差对测量准确度影响问题。准同步采样算法降低了对硬件要求，而且第一次对采样起点没有任何要求，在低频情况下可以得到很好效果。
如果对基波频率为 f 周期信号采用固定采样频率 fs 进行等间隔采样。其中 f = fs N+Δ， Δ为频率偏差。
不论周期信号波形为正弦或非正弦值，对它特征量进行测量可看作是进行一种积分求均值运算。即对被测量信号离散量进行积分运算。根据数值计算相关理论，对于数值积分运算，可以采用不同积分算法，如复化矩形，复化梯形，复化辛普生等。经过分析各种积分算法特点，确定某种求积公式，得相应加权系数，做递推运算，即可求出相应值。
1) 信号有效值计算
首先对全部 J×N+1( J 为采样周波数，一般为 3~5 周波数)个采样数据按复化梯形求积公式( 1 ) 进行递推运算：

式中上标“ 1 ” 表示第 1 次求积运算，ρ 为相应数据求积公式所对应加权系数。
接下来把全部 J×N+1 个采样数据，分别按公式(3—11) 进行递推运算：

式中 J 为采样周期数，一般取 J= 3，4 或者 5，递推 J 次后便可求出 =A。其中 A就是所求信号有效值。
2) 信号谐波计算
首先把全部 J×N+1 个采样数据 f(t )按复化矩形求积公式(1—1)、(1—2)进行递推运算：

式中上标“1” 表示第 1 次求积运算，k 表示第 k 次谐波， 为对应数据求积公式所对应加权系数。
接下来把全部 J×N+1 个采样数据， 分别按公式(3—14)～(3—15)进行递推运算 ：

其中，J = 2,3,…

式中：和为谐波实和虚部。递推 J 次后便可得到第 k 次谐波模，即为所求信号对应 k 次谐波幅值，同时也可由公式3-6求出信号 k 次谐波相位近似值。
1.4.2. 准同步计算仿真实现
本文采用 C 语言编程实现准同步算法计算谐波仿真。仿真程序中，一次加权系数计算如下

程序中数组 r_rms[i]即为算法分析中一次加权系数 ，如图 1-2 为一次加权系数 r_rms[i]构成波形，反映了准同步窗函数时域特性。图 1-3 为正弦波在经过准同步窗处理前后对比图，反映了准同算法对待测信号处理过程。

图1-2准同步窗函数时域特性曲线图
图3-3正弦波在准同步一次加权前后波形
1.5 本章小结
本章首先分析了电力系统中谐波定义和分类，然后结合电能质量国家标准中对谐波测量要求，讨论了几种常见谐波测量方法，包括 FFT 算法及其改进算法、基于准同步 DFT 谐波算法、瞬时无功功率理论谐波算法，指出了它们各自优缺点，并给出了本文所选择谐波测量方案。最后，结合本次设计平台给出了一种间谐波简单测量方法。

2 电能质量监测装置软硬件实现
2.1 装置总体设计
本装置总体设计包括硬件总体设计和软件总体设计，硬件设计方面，以 DSPTMS320F2812 为核心控制器件，加上由其它外围芯片和电路组成功能模块搭建成一个完整系统。软件设计方面，采用功能模块化、自顶而下设计方法，以 C 语言为编程语言。采用 C 语言编程，优点是比较直观、模块化强、移植性强，有利于系统软件升级。
2.2 硬件总体设计方案提出及框图
2.2.1 设计方案提出
电能质量在线监测装置提供给电力部门大量实时、精确电能质量数据信息，为电力部门安全生产提供了保证。所以近年来，电能质量在线监测设计方案也在不断推陈出新。
2.2.2 硬件总体框图
本装置基于高速 DSP 芯片 TMS320F2812 设计，充分利用其丰富内部资源。TMS320F2812 具有一个高速同步串行通信接口 (SPI)，两个异步串行通信接口(SCIA、SCIB)，改进局域网络(eCAN)，多通道缓冲串行口(McBSP，MultichannelBuffered Serial Port)。其中 McBSP 口具有特色 FIFO 单元使得通信操作变得更为可靠、快速，编程更加方便。
装置硬件结构如图 2-1 所示。本监测装置由单片 DSP、信号调理电路、AD采样电路、时钟电路、SDRAM、液晶显示、键盘、通讯模块组成。被监测电压/电流分别通过 PT/CT(电压/电流互感器)变换、电阻取样和电容滤波变换为适合 AD芯片采集信号，然后输入 AD 芯片进行采样转换，转换后数据由 DSP 高速同步缓冲口(McBSP)输入 DSP，然后根据计算需要抽取采样点，完成电力参数在时域、频域计算、存储，或者记录连续波形以完成录波功能。同时对需要监测电压做过零点检测，以获得其频率。数据经 DSP 处理完备后，通过 CAN 总线方式实现各装置之间数据通讯，通过 RS485 总线方式及上位机通讯，通过独立以太网接口，实现远程数据通讯
图2-1
2.2.3 装置软件总体流程图及其解构
本装置软件按功能主要分为：系统初始化(包括 DSP 初始化、AD 初始化)、数据采集程序、参数计算(包括时域均方根计算、FFT 计算谐波、Hilbert 滤波计算无功等)、参数处理(包括参数保存、显示、参数派生量计算)，以及参数远程传输(包括以太网、CAN 总线、串口通信)等。主程序具体流程图，如图 2-2 所示，主要是对整个系统初始化，其中最主要是对 DSP 芯片、网络通讯芯片和采样芯片初始化，在系统配置完成之后，程序进入一个死循环，循环执行各调度任务。图 2-3，2-4 分别是对主程序进一步细化， 其中图 2-3 是对 DSP 初始化主要步骤和内容；图 2-4 是主程序中死循环部分需要完成调度任务，主要是参数计算、数据存储以及数据显示和通讯。
图2-2 主程序流程图 图2-3 DSP 初始化

图2-4 主任务循环程序流程
2.3 数据采集实现
2.3.1 AD 采样芯片选择
在电量采集过程中，由于存在谐波等干扰因素，因此如何准确、快速地采集电力系统中各个模拟量一直是电力系统研究中热点。电力系统中经常需要测量多路电压及电流信号，当电网频率变化时，必须采用同步技术才能保证采样计算精度。本文采用美国 AD 公司 AD73360 型 A/D 变换器及美国 TI 公司推出 2000 系列 DSP TMS320F2812 很好地实现了高速同步采样，并且实现电力参数在时域计算。AD73360 使用六线工业标准同步串行接口及 CPU 接口，由于接口信号线数目只有 6 条，所以这样不仅节约了印制板面积,而且也有效地减小了电磁干扰，从而使得系统运行更加稳定。TMS320F2812 支持 6 线工业标准同步串行接口，所以 AD73360 及 DSP 经过极其简洁连接后即可实现高速同步交流采样。另外，由于单片 AD73360 具有 6 个同时采样模拟量输入通道，所以特别适合于三相制电力运行参数测控类应用系统。
AD73360 采用 Σ-ΔA/D 转换原理，相对传统逐次比较 ADC，Σ- 转换器中模拟部分非常简单(类似于一个 1bit ADC)，而数字部分要复杂得多，按照功能可划分为数字滤波和抽取单元。由于更接近于一个数字器件，Σ- ADC 制造成本非常低廉。及一般 ADC 不同，∑-Δ 型 ADC 不是直接根据抽样第一个采样值大小进行量化编码，而根据前一个量值及后一个量值差值即所谓增量大小来进行量化编码。从某种意义讲，它是根据信号波形包络线进行量化编码。Σ- ADC 由于采样过采样技术、抽取滤波技术和噪声整形技术，使信号带宽内噪声大大减小，而放大了信号带宽外噪声，相当于将噪声能量从低频段推到了高频段，而对信号本身不起整形作用。在 Σ-Δ 调制器后加入抽取滤波，有效地滤除信号带宽外量化噪声，从获得很高转换精度，也具有良好内置抗混叠性能，所以对模拟前端滤波器要求不高，用一阶 RC 低通滤波器就能满足要求。由于采用串口通信，相对于一般并行 AD 采样芯片而言，体积更小、结构更紧凑、系统也更稳定。
其主要特征有：(1)内部具有 6 个独立通道 16 位 A/D 转换器；(2)75dB模数转换信噪比；(3)输入采样频率可选择值有：8kHz、16kHz、32kHz、64kHz可由软件独立设置；(4)8 个可编程控制寄存器，可方便对 ADC 进行增益、采样频率及传输频率等特征控制，增益可编程性，使电路省去了外接运算放大器；(5)模拟信号带宽为音频带宽，典型值为 DC～4kHz；(6)较低组延时，典型值 25μS/通道；(7)供电电压为单+2.7V～+5.5V；(8)输出参考电压为 1.25V 和 2.5V 可程控；(9)灵活串口允许多个器件级联，AD73360 在级联使用时，最多可将 8 个级联在一起。模拟量输入通道最大数目可方便地扩展到 48 路，在模拟量输入通道数目扩展方面极其方便；(10)80mW 功耗(+2.7V 工作)；(11)片内电压基准。
2.4 信号调理电路设计
2.4.1 电压电流强弱转换
在实际测量中，必须对输入电压电流进行必要处理，才能作为采样单元输入。本文选用了霍尔电流电压传感器模块，相对于一般电流电压互感器，其优越性在于它良好电性能，是一种先进能隔离主电流回路及电子控制电路电检测元件，它综合了互感器和分流器所有优点，克服了互感器和分流器不足。
图 2-5 霍尔电压传感器实现电压转换电路(仅以 A 相电压为例)
值得注意是：
1) 为了获得正向电流输出，原边电流必须按＋HT 到－HT 方向流动；
2) 使用时首先接通工作电源及输出电路，再通过被测电流；
3) ＋HT 到－HT 主回路输入电压≤1KV。

2.4.2 信号调理单元
AD73360 有四种输入方式，分别为差分直流耦合方式、差分交流耦合方式、单端直流耦合和单端交流耦合方式。本装置选用差分直流耦合方式输入。由于输入信号经霍尔电流、电压传感器后输出为电流信号，需经过信号调理单元转换成合适电压信号后才能送给 AD76630 采样。由于 AD73360 采用是Σ-ΔA/D 转换原理，具有优良内置抗混叠性能，因此不需要高阶抗混叠滤波单元，只在其前端加入简单一阶 RC 滤波，滤除掉 50 次以上谐波，只对 50 次以下谐波信号进行分析。模拟量差分输入电路实现如图 5-7 所示。首先，输入信号经过由 R21、R39 、R43 组成分压电路进行适当分压，分压配置关系式为：然后，输入信号经过由 R39 和 C24、R43 和 C25 均构成一阶低通滤波器滤除信号中高频分量，其上限截止频率，根据 RC 滤波电路特性可知，当输入信号频率 f<0.1fp，即 f<3.388kHz 时，对信号幅度衰减为零。REFOUT1 为 AD73360 所产生基准输出，用来偏置模拟输入端电平，可根据需要配置为 1.25V 或 2.5V，本装置由于选用 3.3V 电源为芯片供电，故配置 REFOUT1=1.25V。此时 AD73360 模拟通道可以接受输入电压幅度为[VREF + (VREF - 0.32875)] ~ [VREF+(VREF+0.32875)]，即 0.84V~1.66V。R40 和 R42 作用是把偏置电平引导到模拟输入端。

图 2-7 模拟输入通道电路设计（仅以 A 相电压为例）
2.5 数据通讯实现
电能质量监测数据特点是数据量庞大、数据属性多、数据共享性。为了适应电能质量有关测量数据和模拟数据存储、通讯，IEEE 标准委员会提出了一种通用文件格式，作为通用平台。
2.5.1 RS485 总线通信
RS485 通信方式具有良好抗噪声干扰性，长传输距离和多点连接能力优点。各节点通过 RS485 总线连接组成半双工网络，采用两线双端半双工差分方式发送和接收数据，无公共地线，抗共模干扰能力强。DSP 片内带有双线串行通信接口(Serial Communication Interface，简称SCI)。SCI 支持了及采用非归零格式异步外围设备之间数字通信，它接收器和发送器各具有一个 16 级深度 FIFO，并具有独立使能位和中断位，可以在半双工通信中独立工作，或在全双工中同时进行操作，SCI 串口通过SCIRXD、SCITXD 引脚及 RS485 接口电路连接。
2.5.2 CAN 总线通信
本装置通过 CAN 总线方式实现各装置之间数据通讯，以实现分布式电能质量监测目。CAN 总线是目前世界范围内应用最为广泛现场总线技术之一，它具有着高速、可靠、抗干扰性强、成本低廉和传送报文简短、高效并带有优先级等诸多优点。因而，将 CAN 总线技术引入馈线自动化通信系统已成为近年来电力行业通讯技术应用和发展热点。

3 总结
3.1 课题总结
本课题所研究设计电能质量监测装置基于 DSP TMS320F2812 为核心器件，充分利用其丰富接口资源同时，配合使用外部 AD 采样芯片、LCD 器件、网络通信器件，分别建立起数据采集模块、数据显示模块、数据通信模块等，这使得本装置结构灵活，可以应用于智能化低压断路器或保护继电器中，使其兼有电力质量监控功能，这也是低压电器一个发展趋势。另外，它具有在线监测、精度高、升级潜力大、实时性好、体积小、成本低特点，同时具有及上位机通信等功能。既适用于现场测量分析，也适用于长期在线监测，对了解电能质量情况，减少电能质量引起损失具有很好作用。
3.2 展望
本文以 DSP TMS320F2812 为平台，虽然研究开发电能质量监测装置已经实现绝大部分功能，对关键电能质量参数做了较多思考和分析，但还是存在一些不太成熟地方，需要继续研究和完善。
1）. 电能质量指标全面性方面：本次论文尚未对电能质量 暂时过电压和瞬态过电压做详细研究。
2）. 故障录波方面：本装置还可以配置 SD 卡用于故障录波，可以在电能质量指标越限时或发生扰动时启动录波，可记录电压、电流瞬时值波形或有效值波形，录波数据记录格式采用 IEEE－comtrade 格式。但对 SD 卡进行系统文件写入读出还有待做更多研究。
3）. 数据通信网络化方面：以 PQDIF 数据格式实现以太网通信，从而实现远程电能质量监测。对 PQDIF 数据格式及国内电能质量监测需要之间结
合，以及基于 DSP 实现等相关工作还有待进一步研究。
4）. 显示方面：可以选用更大尺寸 LCD，以动态显示采样波形，以柱形图显示各次谐波量。

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