基于ADSP-BF533电力谐波分析系统的实现与优化.pdf

自 动 化 技 术 与 应 用 2 0 1 O 年 第2 9 卷 第4 期 电 气 传 动 0 ( 。 t 1 ： al Dv es 同步采样。为了减少在信号处理过程中频谱泄漏对谐波 分析 。 的影响， 提高谐波分析的精确度。系统采用基于 Ha r mi n g窗+基2 - F F T算法对电流、电压波形数据进行 频谱分析， 分离出基波分量及 2 2 1 次谐波分量 ， 利用其高 速处理能力完成电参量测量 、谐波分析等任务。 3 典型硬 件电路 3 1 电源预处理 电路 为 了更大程度 的提 高系统 的稳定性和抗 干扰性 ， 在 三相电压的输入端对电网电压进行预处理。图2为电源 预 处理 电路 。 U U B U c 图2 电源预处理电路 浪涌信号非常容易通过电源线进入系统 内部。为 了防 l E 这干扰， 可在电源输入端并接一个2 0 D 6 8 1 K压敏电阻R， 电阻值的大小可 以根据压敏电阻的特性选择 ； 为防止供 电电 网电压内带有高频干扰源对系统的同步振荡电路及数据采集 等电路产生影响， 在 电源中并联电容器 C， 电容器可以通低频 阻高频 ； 在每相上串接共模 电感 L ， 防 I 卜 系统共模信号的干扰。 3 2 交流取样 电路 交流电压、电流的采样是整个装置的核心之一。它 的取样精度直接影响到电能计算的精度。交流电流和 交流电压的采样 电路分别如下图 3 、图4。 lA 1 I 2 U。 U 图3 交流 电流取样电路图 图 4 交流电压取样电路图 在电流采样电路中， ， 和， ， 是电流互感器二次侧 的 电流输入信号 ， 通过 电流互感器 C T 0 3 -5 5得检测电 流再由2 6 2 的高精度的电阻转换成电压信号 ， 作为交 流 电流的采样信号。电流互感器的精度是 0 1 级。 在 电压 采样 电路 中， 。和 U 是 电压 互感器 的输入 信号 ， 也是 电网 电压信 号。其 中的 S MB J 5 0 C A起稳压 和去尖 脉冲的作用 。 电压互感器 的精度 也是 0 1 级 。 4 系统软件设计 。 4 1 采样点数确定 在进行 电力谐波分析时， 合适的采样点数是谐波分 析结果准确性的重要保证。电力谐波分析系统要求快 速、准确的计算电网基波和 2 2 1 次谐波值 ， 并进行实时 处理分析。而基 2 一 F F T算法通常取采样点数为 2的 N 次方， 根据 AD7 3 3 6 0的转换速度以及 AD s P B F 5 3 3的 数据处理速度 ， 设计 时取 N=1 0 ， 即采样频率为 8 KHz ， 采 样点 数为 2 ：1 0 2 4。 4 _ 2 数据 的抽取 在实 际测量分析 中 ， 信号的工作 频率会一直在额 定 频率附近波动。用 F F T进行谐波测量时， 首先对信号进 行采样， 然后建立数据窗口， 获取一组 F F T分析的数据 ， 经过 F F T变换， 得到谐波结果。在以上过程中， 为避免 引起 混叠 ， 必 须满足采样定律 。 即： =2 f ,o ( 1 ) 其中： 为抽样频率 ， L 为信号最高频率 其次采样 频率 必须 与信号频率 同步 ， 且必须采集 满 足 F F i T需要的数据点数。也就是说， 当数据窗为k倍( k 为整数) 的信号周期 ， 采样频率1 ( 为采样周期) ， 数 据 窗内采样次数 ( 为整数 ) ， 三者满足 7 o =Ur , 时 ， 采样 频率才 与信号 频率 同步 。否则 ， 就会产生 频谱 泄漏 和栅栏效应l 4 1 ， 影响谐波测量准确度。 在 系统 中采用基 一 2的 1 0 2 4点 F F T算法 ， 即 8 个信 号周 期 ，每一 个 信号 周 期需 要 采 集 1 2 8个 数据 。把 A D 7 3 3 6 0 的采样速率置为8 ； s， D S P从信号上升期过 零点开始接收数据， 到下一个信号上升期过零点停止接 收数据 。设 接收 个采样数据 ， 则 1 2 8个数据的抽取方 法为 ： 第 七、 2 8 +k、 2 8 +七 、 2 7 8 +七 个采 样数据( k取 l到 ， R之间的整数 ， 每个数据都取整 数) ， 取 k=1， 就可在 个采样数据之中均匀抽取 l 2 8个 数据， 满足了采样频率和信号频率同步。从中可以看出， 采样频率越高， ， z 越大， 数据抽取越均匀。从而实现采样 频 率和信 号频率 同步 。 4 3 基2 一 F F T 算法分析 自动化技术与应用 2 0 1 0年第 2 9卷第 4期 序流程 图如图 5 ， 并在 电力谐波分析系统 中运行 良好 ， 有效 地保证了该系统的实时性 ， 从而证明了该算法的优越性。 开始 I 2 N 实序刊换化为N l I复 序 列 的 倒 位 排 列 I =二 =： l 1 1 三i 夏 的组合运算f = = = 二工 r- - - - - - IE - - 1 I 初撼 ； 化参数 I l 攥 形 级 数 L = 4 ；l p = 0 ， I l 旋 转因 子 阔 A = 2 I 。 I I螺 l 篁子问距B ： 4 I = J算子爰A ，B 调整 J L -J 堂= = _ l 第 一 垣 蠕 形 运 算 l = l 第二组蝶形运篁 I L _一 翌 警 图 5 优化程序流程图 6 结束语 本文利用高性能数据信号 处理器 DS P - BF 5 3 l 进行 数据 处 理 ， 速度 快 、实 时好 。采用 高精 度模 数转 换 器 AD 7 3 3 6 0 进行 A D采样 ， 有效地 减少 了由于采样时间不 同而产生 的相位误差。利用数据抽取 、加窗 、优化 F F T 算法等方法 ， 以提高谐波分析系统的总体性能、准确性 和快速性。系统投运后取得了良好的运行效果， 通过对 用户的用电负荷状态进行分析、比较， 有效地掌握用户 用 电行 为 ， 在谐波分 析及用 电管理上 发挥重要作 用 ， 从 而为企业电能损耗管理带来科学参考信息， 有力推动 电 网 中 电能 质量实 时监 测的 发展 。 【 l 】陈峰 B l a c k f i n系列D S P原理与系统设计 M 北京： 电 子工业出版社 ， 2 0 0 4 【 2 】赵卫东 ， 董国兴 一种基于 D S P的 电力谐波测量方法【 J 】 电工技术杂志 ， 2 0 0 4 ( 9 ) ： 7 6 7 8 【 3 郑君里， 应启珩， 杨为理 信号与系统 M】 北京： 高等教 育出版社 ， 2 0 0 0 4 】李益华， 林文南， 李茂军 电力系统谐波检测的F F TJ i ll 窗 插值算法和小波分析方法的比较【 J 1 电力科学与技术学报， 2 0 0 7 ， 2 2 ( 2 ) ： 3 9 - 4 2 5 王平， 丁力 加窗插值F F T的电网谐波分析算法研究【 J 江苏电机工程 ， 2 0 0 8 ， 2 7 ( 2 ) ： 4 6 - 4 9 f 6 J王艳芬 ， 王刚， 张晓光等 数字信号处理原及实现 MJ 北 京 ： 清华大学出版社 ， 2 0 0 8 f 7 】曹小秋， 赵焕军 ADI B l a c k f i n系列 D S P处理实实验指 导 书 M 北京 ： 电子工业出版社， 2 0 0 8 8 邹一琴 ， 张建生 电力系统中硬件 同步式 D F T谐波分析 的研究 自动化技术与应用， 2 0 0 8 ， 2 7 ( 2 ) ： 4 6 - 4 7 作 者简介：黄 惠群 ( 1 9 8 4一)，男，硕士研 究生，主要从事嵌入 式 系统 软 件 的 开 发 与应 用 。 ( 上接第 5 9页) 关法检测基音周 期的可靠性 采用了 中心削波的方法对声 音信号进行 了预处理 ， 门限 电平为 0 6 8， 同时用 了一个 通带为 9 0 0 Hz的线性相位低通滤波器滤 除了高次谐波分 量 。不同信噪 比下的的帧识别正确率 】 【 1 如 图 2所示 一 r 。 。 j l | I j ， 图 2 不同信噪比下的帧正确率 基于B r e wMP平台的基音检测程序对狗吠声的特征 值提取表明， 利用手机平台可以实现对声音信号进行采 集的同时实时的进行分析处理且能够得到较好的精确度。 0 手机硬件设备 的支持 以及 B r e wMP的接 口的强大 功 能保证 了基于 手机 平 台的声 音信号 的 实时采 集与处 理， 且将声音信号分析处理引向移动设备领域具有重要 的 指导意 义 。 甍 f 一 ： 一 、i 、 f 1 胡广书 数字信号处理l MJ 北京 ： 清华大学出版社 ， 2 o 0 3 【 2 易克初 语音信号处理I Nj 北京 ： 国防工业出版社 ， 2 0 0 3 f 3 J Qu a l c o mm Br e wMP AP I Re f e r e n c e f Z US A： Qu a l c o mm， 2 0 0 9 【 4 王欢良， 韩纪庆， 李海峰 基于特征似然度加权和维数缩 减的Ro b u s t 语音端点捡测l J 声学学报， 2 0 0 7 ， 3 2 ( 1 ) ： 6 2 6 8 1 5 l苏健民， 王岩 于慧玲 小波变换在基于动物叫声的物种 识别系统中的应用 自动化技术与应用 ， 2 0 0 8 ， 2 7 ( 8 ) ： 7 7 - 8 0 作者简介：苏健民 ( 1 9 6 0 一 ) ，男， 教授， 主要从事电子信息工 程 的 教 学 与 研 究