TMS320C5410A在電能質(zhì)量監測裝置設計中的應用

電能是一種重要能源，被人們廣泛應用于現代社會(huì )的各個(gè)領(lǐng)域，其應用程度能反映一個(gè)國家或地區的綜合國力和發(fā)展水平。提高對電能質(zhì)量的要求是一個(gè)國家工業(yè)生產(chǎn)發(fā)達、科技水平提高的表現，是信息社會(huì )發(fā)展的必然結果，是增強用電效率、節能降損、改善電氣環(huán)境以及工業(yè)生產(chǎn)可持續發(fā)展的技術(shù)保證。隨著(zhù)電氣化程度的提高和負載類(lèi)型的增加，電能質(zhì)量問(wèn)題變得日趨突出和復雜，嚴重地威脅著(zhù)電力系統的安全經(jīng)濟運行，因此，為了保證電網(wǎng)安全穩定運行、提高對電能的綜合管理水平、為用戶(hù)提供優(yōu)質(zhì)的電能，必須對影響電能質(zhì)量的諸多因素進(jìn)行監測，實(shí)時(shí)在線(xiàn)電能質(zhì)量監測成為保證電網(wǎng)安全、經(jīng)濟運行的重要措施之一。本文基于TMS320C5410A芯片設計一款電能質(zhì)量監測裝置。

電能質(zhì)量監測簡(jiǎn)介

電能質(zhì)量監測的目的

電能質(zhì)量檢測分為短時(shí)間的一次性檢測、短時(shí)間的定時(shí)或不定時(shí)的周期性檢測以及長(cháng)時(shí)間或較長(cháng)時(shí)間的連續檢測，其中，長(cháng)時(shí)間或較長(cháng)時(shí)間的連續檢測稱(chēng)為實(shí)時(shí)檢測或監測。電能質(zhì)量監測的目的包括：①實(shí)時(shí)更新測量和采集各種電能質(zhì)量指標，以保證對電力系統運行工況的觀(guān)察、記錄和動(dòng)態(tài)分析。②針對各種質(zhì)量指標的特征，分層檢測電能質(zhì)量問(wèn)題，完成識別、提取和分析多種擾動(dòng)信息，并擁有事故診斷能力，為制定改善電能質(zhì)量的具體措施提供依據。③詳細了解電網(wǎng)安全、穩定、優(yōu)質(zhì)運行的技術(shù)經(jīng)濟條件，綜合評價(jià)電能質(zhì)量各項指標，優(yōu)化整個(gè)系統的監測體系。④檢測和數據采集各種電能質(zhì)量問(wèn)題。⑤監測電網(wǎng)的可靠性程序。⑥不斷提高電網(wǎng)的可靠性。⑦掌握電能質(zhì)量問(wèn)題產(chǎn)生的條件，以便于采取相關(guān)措施使可能造成的損失減到最小。⑧發(fā)現新的電能質(zhì)量問(wèn)題。

電能質(zhì)量檢測的方法

對于不同的電能質(zhì)量問(wèn)題，其電能質(zhì)量檢測方法和要求也不盡相同。按照對檢測對象是否進(jìn)行連續檢測，電能質(zhì)量檢測方法可劃分為定期或不定期檢測、連續檢測以及專(zhuān)項檢測三種方法。

①定期或不定期檢測。定期或不定期檢測通常采用專(zhuān)門(mén)儀器設備到現場(chǎng)進(jìn)行測試，測試后根據測定結果提出測量和分析報告。對普通干擾源的檢測，依據干擾的大小、危害程度以及需要等，選擇采用定期或不定期檢測方法進(jìn)行檢測，普查測試電網(wǎng)，全面了解并掌握電網(wǎng)的電能質(zhì)量水平或干擾源的特性，根據普查需要確定定期普查的檢測指標和檢測點(diǎn)，對于一些特殊情況，依據電能質(zhì)量監測的需要也可采用不定期檢測的方法。

②連續檢測。連續檢測也稱(chēng)在線(xiàn)檢測，連續檢測對所用的檢測設備有一定要求，尤其是當電網(wǎng)中檢測點(diǎn)較多、檢測信息需遠傳時(shí)，需建立一個(gè)檢測網(wǎng)絡(luò )系統。根據電能質(zhì)量標準的規定和要求，連續檢測的檢測內容包括：大型干擾源，頻率偏差和電壓偏差，危害較大或者容易引起事故的電能質(zhì)量指標（大型電弧爐引起的電壓波動(dòng)、大型電容器組的諧波電流、易受干擾的大型設備的諧波電流等）。

③專(zhuān)項檢測。專(zhuān)項檢測是指測量與比較各種干擾負荷或補償設備（電弧爐、換流設備、電容器組濾波器等）接入電網(wǎng)前后對電網(wǎng)電能質(zhì)量水平產(chǎn)生的影響，以決定其能否正式接入電網(wǎng)運行，對產(chǎn)生各種干擾的設備，若產(chǎn)生的干擾超出標準，則不允許該設備接入電網(wǎng)運行。

電能質(zhì)量監測裝置結構組成

電能質(zhì)量監測裝置的結構組成如圖1所示，它是一個(gè)包含數據采集和數據分析的功能系統。該裝置硬件結構簡(jiǎn)單，分為信號采集模塊、DSP信號處理模塊和MSP430單片機控制模塊，其工作原理是：傳感器采集模擬信號（電壓和電流）進(jìn)入系統，經(jīng)過(guò)去混疊濾波器以濾去信號的高頻成份，再通過(guò)信號調理電路，使信號電壓值滿(mǎn)足AD芯片的轉換要求；DSP控制AD采樣頻率，得到滿(mǎn)足要求的一組數字量，并利用離散算法獲得電能質(zhì)量的各個(gè)參數；MSP430單片機讀取計算結果，并顯示在液晶屏上，它可以與上位機進(jìn)行USB通信。信號采集模塊是電能質(zhì)量監測裝置的關(guān)鍵功能部分，本文將主要闡述信號采集模塊的設計。

圖1 電能質(zhì)量監測裝置結構組成圖

信號采集模塊設計

電壓、電流傳感器電路

根據實(shí)際應用需求，本裝置用于220V/380V，30A單相交流電電網(wǎng)的監測，因此，本設計選用PT41D001型號的電壓互感器，其參數如下：線(xiàn)性誤差為0.08%，工頻相差為35’，負載條件為1MΩ，變比為200V/1V，頻率響應為25Hz~5kHz。電壓互感器電路連接如圖2所示，互感器輸出為電壓信號，負載需接高電阻，在電路上可以直接把互感器輸出接到后級運算放大器上。對于220V系統的監測電路，電壓互感器的輸出電壓范圍為-1.5V~1.5V。

本設計選用CT53C902型號的電流互感器，其參數如下：線(xiàn)性誤差為0.08%，工頻相差為10’，負載條件為≤3V，變比為30A/10mA，頻率響應為25Hz~5kHz。電流互感器電路連接如圖3所示，互感器輸出為電流信號，負載需接電流采樣電阻，并且對輸出電壓有≤3V的要求，由于該裝置應用于最大電流為30A的系統，電流互感器的輸出電流大約為0~10mA，考慮到后級信號調理電路要求，在此選用100Ω精密電阻作為采樣電阻，使電流信號轉變?yōu)殡妷盒盘?，幅值范圍?1.4V~+1.4V。

圖2 電壓互感器電路連接圖

圖3 電流互感器電路連接圖

MAX291濾波電路

依據抽樣定律，理論上，若采樣頻率大于信號最大頻率的2倍，即，則可避免頻率混疊效應。實(shí)際上，信號譜并不是矩形截止的，而且采樣的時(shí)域有限，不可能采集無(wú)限長(cháng)時(shí)間的信號，因而存在高頻分量。因此，系統在進(jìn)行信號處理之前，應采用低通濾波器來(lái)抑制大于的信號頻率。本設計采用MAX291濾波器來(lái)進(jìn)行濾波，MAX291濾波器電路如圖4所示。MAX291是一種開(kāi)關(guān)電容式有源低通濾波器，其3dB截止頻率可在0.1kHz~25kHz之間選擇，而且3dB截止頻率與MAX291的工作頻率的關(guān)系為1:100。MAX291可由內部振蕩時(shí)鐘和外部輸入時(shí)鐘方式提供工作頻率，本文采用內部振蕩時(shí)鐘方式，只需在CLK引腳對地間連一個(gè)外接電容即可。

圖4 MAX291濾波器電路圖

電壓信號調理電路

由電壓互感器和電流互感器變換出來(lái)的雙極性電壓信號，需要經(jīng)過(guò)由運算放大器組成的電壓信號調理電路轉變?yōu)閱螛O性信號后，才能夠送入AD芯片并轉換為數字量。雙極性信號轉變?yōu)閱螛O性信號實(shí)際是一個(gè)電位線(xiàn)性平移電路，主要由加法器和比例器組成，經(jīng)過(guò)參數整定后的電壓信號調理電路如圖5所示。

圖5 電壓信號調理電路圖