基于DSP多功能電量分析儀的研制.doc

基于DSP多功能電量分析儀的研制注蔣渭忠 徐 維(常州工學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院，江蘇常州213002)摘要：介紹了一種基于DSP及單片機(jī)雙微處理器控制的多功能電量分析儀實(shí)現(xiàn)方案。DSP所構(gòu)成的系統(tǒng)主要完成對電壓與電流的高速采集、電壓電流量FFT變換、計(jì)算出所有電量；由89C58構(gòu)成的單片機(jī)系統(tǒng)完成控制鍵盤和320240的點(diǎn)陣液晶顯示；DSP與單片機(jī)間通過雙口RAM進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。關(guān)鍵詞：諧波；功率分析；數(shù)字信號處理器；快速傅立葉變換；液晶顯示中圖分類號：TM930 引言隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電能用戶逐漸增加，特別是非線性負(fù)載的應(yīng)用，使電能的質(zhì)量問題日趨嚴(yán)重。因此為了保證電網(wǎng)的安全運(yùn)行和了解電網(wǎng)運(yùn)行的狀況，需要對電網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。現(xiàn)在，有關(guān)部門已制定了完善的電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。在供電系統(tǒng)中，對諧波、負(fù)荷電流、功率因數(shù)等電力參數(shù)進(jìn)行合理的估算并采取相應(yīng)的措施(如加設(shè)濾波和無功補(bǔ)償、報(bào)警)是非常必要的。無人監(jiān)控也是現(xiàn)代控制的一個潮流，這使得在電力監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中必須加以考慮。基于現(xiàn)代電力監(jiān)控的要求，本文研究了一種基于DSP的電網(wǎng)質(zhì)量的監(jiān)控裝置圖1 系統(tǒng)原理框圖。1 工作原理1.1 概述本設(shè)計(jì)通過對交流電壓、電流量進(jìn)行同相采集，送入浮點(diǎn)DSP（TMS320VC33）處理器進(jìn)行高速運(yùn)算，采用改進(jìn)型FFT算法，對電壓、電流波形進(jìn)行頻譜分析，分離出基波分量及39次諧波分量，再由DSP計(jì)算出電量參數(shù)：電壓、電流有效值，有功功率、視在功率、無功功率，功率因素，以及電壓、電流參數(shù)中的THD（總的諧波含量）；電壓信號經(jīng)信號調(diào)理、整形處理成方波，由DSP定時(shí)器檢測得到交流的周期與頻率，并依此調(diào)整A/D采樣的周期。DSP將所有結(jié)果存入雙口RAM中供單片機(jī)（AT89C58）讀取。單片機(jī)（AT89C58）主要完成對監(jiān)控，完成人機(jī)接口任務(wù)；單片機(jī)讀取鍵盤的控制命令，從雙口RAM相應(yīng)區(qū)域中讀取數(shù)據(jù)送到320240圖形LCD中顯示；同時(shí)單片機(jī)也可從串行口中接收命令，將電量參數(shù)送出系統(tǒng)，供給其它智能設(shè)備。1.2 FFT運(yùn)算電力輸電線路中的電壓和電流的余弦信號，受非線性負(fù)載的影響，電網(wǎng)的波形會發(fā)生畸變，畸變后仍然為周期函數(shù)，且滿足狄里赫利條件，可以用傅立葉級數(shù)分解法把電壓和電流分解成基波和一系列諧波的疊加，即式中U0、I0電壓、電流的直流分量；Un、In各次諧波幅度的峰值；n、n之差為諧波相位差。對電網(wǎng)的連續(xù)時(shí)間信號進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣得到離散的采樣序列，用FFT算法對其進(jìn)行時(shí)頻域轉(zhuǎn)換，可以分析基波和各次諧波的幅度和相位情況，以實(shí)現(xiàn)諧波的監(jiān)控。另外，電網(wǎng)中每一路的相電壓和相電流之間存在相位差，對電壓和電流信號同步采樣并進(jìn)行FFT變換，就可以算出各次諧波的相位差，準(zhǔn)確地測出各次諧波的有功和無功功率。而對于FFT計(jì)算來說，如果采樣數(shù)據(jù)集的端點(diǎn)不連續(xù)，就需要引入窗函數(shù)，從而增加了計(jì)算的繁瑣程度。而在滿足相關(guān)采樣原理，采樣的數(shù)據(jù)點(diǎn)集正好為整周期的情況下，采樣數(shù)據(jù)集兩端點(diǎn)連續(xù)，就可以把采樣信號序列近似看成無窮的周期信號，從而使FFT計(jì)算量減少。采樣點(diǎn)數(shù)的確定，根據(jù)時(shí)域取樣定理，本系統(tǒng)要求分析出39次諧波，因此在一個周期內(nèi)最少的采樣點(diǎn)數(shù)為78點(diǎn)，F(xiàn)FT蝶形算法本身要求采樣點(diǎn)數(shù)為2的冪時(shí)，計(jì)算速度最快，裝置的采樣頻率為基波頻率的256倍。由于電網(wǎng)頻率，會在50 Hz左右上下波動，因此在硬件實(shí)現(xiàn)上，不可以用固定頻率對電壓、電流信號進(jìn)行采樣，而要根據(jù)電網(wǎng)的頻率，實(shí)時(shí)地調(diào)整采樣頻率。本系統(tǒng)采用512點(diǎn)FFT算法，即在采樣兩個周期后完成一次FFT運(yùn)算，其中有一個周期為上次采樣的結(jié)果；TMS320VC33是一個浮點(diǎn)處理器，能在單個周期內(nèi)完成一次浮點(diǎn)乘加運(yùn)算，采用浮點(diǎn)的FFT運(yùn)算代碼也就簡單多了，系統(tǒng)在編程時(shí)，F(xiàn)FT運(yùn)算子函數(shù)采用代碼少、效率高的匯編語言編程，在40 MHz主頻，采用流水線技術(shù)使得指令在單周期內(nèi)完成，在充分利用VC33片內(nèi)RAM的情況下，完成一次512點(diǎn)FFT運(yùn)算的時(shí)間約為0.5 ms，因而能滿足儀器在線檢測與分析。1.3 周期的確定交流電網(wǎng)的頻率確定，確定的方法也比較多，本系統(tǒng)采用由硬件的方法來測量周期，即將交流電壓經(jīng)調(diào)理與整形以后送DSP進(jìn)行定時(shí)，從而得到交流電網(wǎng)的頻率；由于電網(wǎng)的頻率變化具有較大的慣性，因而可以采用軟件低通濾波器對所測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。從1.2可知，F(xiàn)FT要求所采樣的數(shù)據(jù)為兩端點(diǎn)相連，必須確保在一個周期內(nèi)采樣256個點(diǎn)，當(dāng)電網(wǎng)頻率發(fā)生變化時(shí)，采樣的周期也要隨之而調(diào)整；但是不可能整數(shù)的配，本系統(tǒng)采用的方法是先計(jì)算整數(shù)采樣周期，將小數(shù)部分均勻的分配到整個周期，這會帶來一定的誤差。1.4 電壓和電流的有效值及總的諧波含量（THD）電壓、電流有效值的計(jì)算有幾種方法： 其一：定義計(jì)算法： 離散化處理以后為： 式中：N為采樣的點(diǎn)數(shù)，為離散時(shí)刻的值。 其二：利用FFT運(yùn)算結(jié)果： 式中：N1為計(jì)算出的最高諧波次數(shù)，U（k）為FFT運(yùn)算出的諧波的幅值。當(dāng)高次諧波的幅值快速衰減時(shí)，上述兩種方法的偏差不大，但算法二的計(jì)算量少于算法一，所以本系統(tǒng)采用第二種算法進(jìn)行計(jì)算。諧波含量用各次諧波幅值相對于基波幅值的比值來表示： 總諧波畸變反映總的諧波含量： 電流的計(jì)算同電壓的計(jì)算。1.5 功率計(jì)算 采用FFT變換技術(shù)，功率的計(jì)算可以變換為： 其中、分別為電壓、電流向量；從上式中可以分解出各次諧波的有功率、無功功率： 式中：、分別為是電壓k次諧波的實(shí)部、虛部； 、分別為是電流k次諧波的實(shí)部、虛部。視在功率的計(jì)算：SUI 式中U、I分別為電壓、電流的有效值。1.6 功率因素計(jì)算從1.5分析可知，由于電網(wǎng)系統(tǒng)中諧波功率存在，使得系統(tǒng)功率與基波功率之間存在偏差，因而在計(jì)算功率因素是采用： 2 系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，系統(tǒng)采用雙處理器結(jié)構(gòu)：DSP系統(tǒng)與單片機(jī)系統(tǒng)。被測電壓、電流分別由電壓互感器（PT）、電流互感器（CT）經(jīng)信號調(diào)理電路的轉(zhuǎn)換成為-5 V+5 V電壓，為消除互感器與電路所產(chǎn)生的相位延遲，電路在設(shè)計(jì)時(shí)采用了相位補(bǔ)償；送入A/D轉(zhuǎn)換器，ADS7864能實(shí)現(xiàn)6路模擬信號同相采樣與轉(zhuǎn)換，確保了在電壓、電流檢測是同相位，它的精度為12位；數(shù)據(jù)經(jīng)FIFO隊(duì)列存貯器與DSP聯(lián)接，對DSP資源占用量少；電壓信號經(jīng)過零比較電路轉(zhuǎn)換成方波送DSP用于檢測，交流信號的周期；在TMS320VC33外圍擴(kuò)展高速RAM來存放系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的程序與數(shù)據(jù)；擴(kuò)展FLASH用于存貯系統(tǒng)程序，系統(tǒng)上電時(shí)，在“Boot Load”程序作用下將程序從低速FLASH載入到高速RAM中；雙口RAM中用于DSP與單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換，同時(shí)也作為DSP與單片機(jī)數(shù)據(jù)存貯器。單片機(jī)（AT89C58）用于系統(tǒng)建立一個良好的人機(jī)接口，主要控制顯示器、鍵盤、輸出接口電路。LCD擴(kuò)展了320240點(diǎn)陣的液晶顯示，用于以圖形的方式顯示電量的所有參數(shù)、顯示電壓、電流的瞬時(shí)波形和頻譜曲線，建立良好直觀的顯示界面；鍵盤，系統(tǒng)設(shè)置了最小量的鍵盤，用于控制與輸入儀器的參數(shù)與發(fā)出控制命令；串行接口電路擴(kuò)展了標(biāo)準(zhǔn)RS232/RS485接口用于與其它的智能儀器聯(lián)接。3 軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)中DSP處理器運(yùn)行程序完成：控制A/D數(shù)據(jù)采樣，F(xiàn)FT運(yùn)算，計(jì)算電量中所有有參數(shù)，將結(jié)果送入雙RAM。流程圖如下圖2主程序流程所示。交流周期檢測，電壓轉(zhuǎn)換成的方波信號送入DSP的外部硬件中斷，在中斷服務(wù)程序中讀取定時(shí)器的計(jì)數(shù)值，轉(zhuǎn)換成周期（頻率），根據(jù)周期調(diào)整系統(tǒng)采樣的周期。圖3給出了周期檢測流程圖。A/D采樣值的讀取，系統(tǒng)硬件在A/D轉(zhuǎn)換器與DSP之間設(shè)置了FIFO存貯器（FIFO采用高速RAM，DSP在讀中斷取時(shí)單周期完成，實(shí)現(xiàn)零等待），在一個周期的電壓、電流測量結(jié)束，向DSP發(fā)出中斷請求，DSP響應(yīng)中斷后一次讀取全部電壓、電流值，設(shè)置讀取結(jié)束標(biāo)志，以便返回主程序進(jìn)行下一步運(yùn)算。圖4給出了讀取A/D流程圖圖3 周期檢測流程圖圖4 讀取A/D流程圖圖2 主程序流程4 結(jié)束語本文所介紹的基于DSP處理器的多功能電量分析儀，采用了TEXAS公司的DSP處理器TMS320VC33，它在一個周期內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)一次浮點(diǎn)的乘、加運(yùn)算，可以在一個ms內(nèi)完成512點(diǎn)的FFT計(jì)算，因而能在一個工頻周期內(nèi)計(jì)算出電壓、電流的波譜，從而實(shí)現(xiàn)真正意義上實(shí)時(shí)監(jiān)測；采用點(diǎn)陣式液晶顯示與按鍵輸入，具備了良好的人機(jī)接口界面與豐富的信息顯示方式；采用標(biāo)準(zhǔn)的RS232/485總線接口技術(shù)，儀器更方便的與其它智能設(shè)備相連接。本文創(chuàng)新點(diǎn)是采用實(shí)數(shù)輸入的FFT變換算法，在DSP芯片VC33中實(shí)現(xiàn)，運(yùn)用儀器中能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線測量，采用高精度前置放大電路和高速高精度A/D相結(jié)合，儀器的測量諧波分量能達(dá)到39次。參考文獻(xiàn)：1 伍丁紅.DSP在電力監(jiān)控裝置中的應(yīng)用研究J.現(xiàn)在電子技術(shù).2003(20):91-95.2 馮慶東.電能質(zhì)量的監(jiān)測及治理J.電力系統(tǒng)裝備.2004(2):18-20.3 付周興，趙永秀.電網(wǎng)諧波測量技術(shù)的現(xiàn)狀態(tài)及發(fā)展J.工礦自動化.2004(2):18-21.4 朱圣清，朱英浩，周有慶，等.電網(wǎng)諧波檢測方法的綜述J.高電壓技術(shù).2004(3):39-42.5 秦娟英，陸家珍.基于DSP的交流采樣及其實(shí)現(xiàn)J.自動化與儀器儀表.2004(4):54-56.6 周世平，同向前.CVT嵌入式電網(wǎng)電壓諧波監(jiān)測各級系統(tǒng)研制J.微計(jì)算機(jī)信息.2004(4):37-38.7 劉建剛，孫同景.基于FFT的傅里葉算法在微機(jī)繼電保護(hù)中的應(yīng)用J.繼電器.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作者簡