摘 要：電力系統(tǒng)諧波測量技術(shù)在電能質(zhì)量監(jiān)測中占有重要的地位和作用。本文論述了基于數(shù)字信號處理技術(shù)電力系統(tǒng)諧波測量的硬件物理實現(xiàn)和控制軟件方面的實際開發(fā)。
關(guān)鍵詞：諧波;數(shù)字信號處理



　　隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,非線性電子設(shè)備得到了廣泛使用,如大功率可控硅器件、開關(guān)電源、變頻調(diào)速等,這些典型非線性負荷將從電網(wǎng)吸入或注入諧波電流,從而引起電網(wǎng)電壓畸變,使電網(wǎng)波形受到污染,供電質(zhì)量惡化,附加損失增加,傳輸能力下降。本文論述實時數(shù)字信號處理技術(shù)在電力諧波測量中的應(yīng)用。



硬件設(shè)計
芯片的選擇
　　電力系統(tǒng)中的諧波是指頻率是50Hz整數(shù)倍的信號。由于對電力系統(tǒng)影響較大的諧波在1kHz以下,信號采樣頻率大于2kHz即可。在2kHz采樣頻率下,采集一個完整周期的50Hz信號需20ms,對高次諧波所需時間更短,采樣時間可以設(shè)定為40ms。采樣得到的采樣點數(shù)為：2kHz×40ms=80,進行128點FFT即可得到各次諧波的分量。
　　本文中選擇TI的TMS320 F206。TMS320F206體積小、功耗低、單5V供電,除544字節(jié)雙尋址RAM外,還有4K RAM和32K Flash,可存放較大的程序和數(shù)據(jù),而且該芯片采用循環(huán)尋址、位倒序等特殊指令使FFT計算速度大大提高。在實際應(yīng)用中對實時處理要求比較高,芯片的FFT運算能力是芯片選型的重要考慮因素之一。數(shù)字信號處理器必須在下一個取樣數(shù)據(jù)塊到來之前完成全部運算,以保證信號處理的實時性,在2kHz采樣頻率兩個樣本的條件下,此時間間隔為40ms。該芯片在20MHz主頻時,指令周期為50ns,而進行N點復(fù)數(shù)FFT變換約做2N×Log2N次實數(shù)乘法運算和3N×Log2N實數(shù)加法運算?！MS320F206的乘法、加法都是單周期指令,取N=128,不計內(nèi)存訪問和其它時間,則一次FFT所需時間為：5×128×7×50ns約224ms?？梢娫揇SP進行128點FFT所需時間遠小于40ms的樣本時間,在工程實際使用中實時效果很好。
硬件框圖
　　系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。被測電壓/電流信號經(jīng)電壓/電流互感器取出后,送至放大器進行信號調(diào)理,放大器增益可程控,信號幅度經(jīng)放大器調(diào)理與ADC的輸入量程一致。ADC的轉(zhuǎn)換脈沖由DSP的定時器輸出產(chǎn)生,頻率為2kHz,ADC轉(zhuǎn)換完成后產(chǎn)生一個轉(zhuǎn)換完成脈沖,此脈沖可將數(shù)據(jù)寫入到數(shù)據(jù)緩沖器。
　　DSP平時可查詢數(shù)據(jù)緩沖器狀態(tài),數(shù)據(jù)緩沖器的滿標志連接DSP的中斷。當(dāng)數(shù)據(jù)緩沖器滿時,DSP產(chǎn)生中斷,停止當(dāng)前工作,置數(shù)據(jù)緩沖器滿標志,由主程序讀緩沖器數(shù)據(jù)。DSP完成FFT運算后得到各次諧波值。DSP通過雙口RAM與MCU發(fā)送數(shù)據(jù)。同時,MCU也通過雙口RAM向DSP發(fā)送命令。
　　在選擇ADC、數(shù)據(jù)緩沖器、雙口RAM等器件時,除考慮它們的速度或容量滿足要求外,還需考慮它們的工作電壓、信號高低　　電平門限。如信號高低電平門限不一致,須通過電平轉(zhuǎn)換芯片進行電平轉(zhuǎn)換后,方可與相應(yīng)信號線連接。MCU直接控制顯示與鍵盤。MCU通過遠程通信模塊與計算機相連,由計算機進行顯示和打印。



軟件設(shè)計

　　控制系統(tǒng)工作流程如下：系統(tǒng)加電后,TMS320F206先進行初始化,定時器開始計時。然后進入自檢,如不正常,程序返回重新開始,如正常,程序往下繼續(xù),根據(jù)數(shù)據(jù)緩沖器滿標志,決定是否讀緩沖器數(shù)據(jù)。接著,根據(jù)FFT數(shù)據(jù)是否準備好,決定是否進行FFT運算。如FFT數(shù)據(jù)準備好,運算后將結(jié)果送雙口RAM并觸發(fā)看門狗,然后返回程序自檢處。若FFT數(shù)據(jù)未準備好,跳至觸發(fā)看門狗程序段,然后返回至程序自檢處。當(dāng)計時時間到,DSP輸出轉(zhuǎn)換脈沖啟動模數(shù)轉(zhuǎn)換。如緩沖器滿,DSP產(chǎn)生中斷,由中斷服務(wù)程序置數(shù)據(jù)緩沖滿標志。
　　DSP與MCU對雙口RAM的操作示意及讀寫流程如圖3所示。
　　DSP與MCU通過雙口RAM進行數(shù)據(jù)交換,DSP將運算結(jié)果存放在雙口RAM的一個區(qū),并有一個標志,DSP寫數(shù)據(jù)和MCU讀數(shù)據(jù)在此區(qū)間進行。當(dāng)DSP向雙口RAM寫數(shù)據(jù)時,先查標志,上次數(shù)據(jù)是否已被讀取,如已讀取,方可寫入新數(shù)據(jù),并改寫標志為新數(shù)據(jù)標志;當(dāng)MCU讀雙口RAM數(shù)據(jù)時,先查標志,是否為新數(shù)據(jù),如為新數(shù)據(jù),方讀取,并改寫標志為已讀取標志。DSP讀數(shù)據(jù)和MCU寫數(shù)據(jù)存放在雙口RAM的另一個區(qū),并有一個標志,其過程與上述類似。
　　DSP的FFT運算子程序可以參考TI公司的參考手冊。FFT算法一般假定輸入序列為復(fù)數(shù),而在實際應(yīng)用中,通常為實數(shù)序列,諧波測量中也是實數(shù)序列,計算實數(shù)序列FFT可以用復(fù)數(shù)序列FFT算法。如果考慮到實數(shù)序列的對稱特性,其運算量將降低一半,存儲量也降低一半。



調(diào)試
首先用軟件模擬器調(diào)試子程序,再通過仿真器與硬件聯(lián)調(diào)。調(diào)試FFT子程序時,將模擬數(shù)據(jù)文件加到軟件模擬器中,觀察FFT運算結(jié)果。然后,用Matlab程序讀入模擬數(shù)據(jù)文件,比較Matlab的運算結(jié)果,進行調(diào)試。
在軟件模擬器調(diào)試成功的基礎(chǔ)上,借助儀器儀表進行實戰(zhàn)調(diào)試。使用工頻分析系統(tǒng)的諧波發(fā)生器產(chǎn)生的標準諧波,比較標準值與系統(tǒng)實測值,進行的聯(lián)調(diào),直至測量準確度滿足設(shè)計指標。



結(jié)語
目前,電力諧波監(jiān)測設(shè)備國內(nèi)外主要采用專門的諧波分析儀,這些設(shè)備由于價格昂貴不能大量長期投入使用。而本文所述采用DSP技術(shù)進行諧波分析成本低,實時性好,可長期接入使用。而且國家電力行業(yè)明確規(guī)定,用戶負荷對電網(wǎng)造成影響必須自己采取措施加以消除,此技術(shù)可以應(yīng)用于各電力機構(gòu)、用電大戶對電網(wǎng)進行長期監(jiān)測,因此具有非常廣闊的應(yīng)用前景。■



參考文獻
1 Texas Instrument TMS320F206 data sheet
2 Texas Instrument Application Report: SPRA113
3 蘇濤．DSP實用技術(shù)．西安電子科技大學(xué)出版社,2002