基于DSP的新型多功能電能質(zhì)量監測儀表

近年來(lái)，我國電力事業(yè)無(wú)論是發(fā)電總量還是電網(wǎng)的建設都得到了迅猛發(fā)展，電力系統的規模不斷擴大。但隨著(zhù)生產(chǎn)力的發(fā)展，電能質(zhì)量的問(wèn)題日益受到重視，生產(chǎn)和生活中對于電能質(zhì)量的要求也越來(lái)越高。由于高壓直流輸電系統的應用和大量變頻器、整流器、電弧爐等非線(xiàn)性負荷、沖擊性負荷不斷地引入電力系統，大量諧波電流注入電網(wǎng)，造成電力系統中諧波含量急劇上升和電壓波形嚴重“畸變”，致使電能質(zhì)量下降。電網(wǎng)中的諧波污染日益嚴重，對繼電保護、計算機、測量和計量?jì)x器及通訊系統都有不利和不可預知的影響；降低了電網(wǎng)可靠性，增加了電網(wǎng)損失；降低了電氣設備的效率和利用率，在生產(chǎn)和生活中都造成巨大的經(jīng)濟損失。

鑒于以上的各問(wèn)題，提高電能質(zhì)量的新技術(shù)及改善電能質(zhì)量的分析方法成為電力系統領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)。為了采取合理的措施提高電能質(zhì)量，對電能質(zhì)量參數指標準確的檢測和分析，對電力系統中各參數的實(shí)時(shí)、準確地測量，是解決電能質(zhì)量問(wèn)題的一個(gè)重要環(huán)節，只有對所存在的電能質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行有效的檢測、數據分析，才能清楚該電能質(zhì)量問(wèn)題的特性，進(jìn)而采取相應的解決措施，以保證電網(wǎng)安全、經(jīng)濟運行。本設計以高性能數字信號處理器TMS320VC5402和高精度16位 A/D轉換器AD73360為核心，針對現有裝置在軟硬件設計方面存在的一些不足，通過(guò)基于DSP的快速傅里葉變換算法[1]，對裝置開(kāi)發(fā)涉及到的軟硬件作出部分改進(jìn)，對下位機重新作出設計，構架了DSP+MCU方案，設計了一種實(shí)時(shí)監測電力參數的裝置，可以測量三相電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率、功率因數及頻率等，在電能質(zhì)量方面具體包括：2～31次諧波分析、電壓波峰系數、電流K系數、三相電壓/電流不平衡度等。

1 系統工作原理及總體設計

本系統的硬件設計整體結構圖如圖1所示，以TI公司的TMS320VC5402芯片為核心，包括電流/電壓隔離電路、信號調理及A/D采樣電路、以16位低功耗單片機MSP430F149為核心的人機接口電路以及系統輔助電源，實(shí)現了對包括三相電流/電壓在內的各電參量的測量、顯示控制以及通信等功能。整個(gè)系統以準確采樣與處理為基礎，兼顧整體的設計簡(jiǎn)單、成本低廉等因素。

首先三相電壓/電流經(jīng)過(guò)精密電壓電流互感器轉換后濾除高次諧波，再經(jīng)過(guò)信號調理電路變換為適合AD73360采樣的信號進(jìn)行采樣。AD73360將采樣完的數字信號送入DSP。

由DSP對采樣數據作進(jìn)一步抗混疊處理后，計算出各電力參數并通過(guò)快速傅里葉算法進(jìn)行諧波分析，并將需要的參數進(jìn)行存儲[2]。

經(jīng)過(guò)DSP處理后的各實(shí)時(shí)電參量經(jīng)通信單元送給以MSP430F149為核心的上位機進(jìn)行顯示。系統設計包括鍵盤(pán)輸入控制電路以及LCD液晶顯示電路，實(shí)現友好、直觀(guān)的人機接口。

2 系統硬件設計

2.1 TMS320VC5402與AD73360接口電路

AD73360是ADI公司推出的6通道模擬輸入的16位串行可編程A/D轉換器。它采用∑-△ A/D轉換原理，具有良好的內置抗混疊性能，所以對模擬前端濾波器的要求不高,用一階RC低通濾波器就能滿(mǎn)足要求。其采樣率和輸入信號增益都是可編程的，采樣率可分別設置為64 kS/s、32 kS/s、16 kS/s和8 kS/s(輸入時(shí)鐘為16.384 MHz時(shí))，增益可在0 dB~38 dB之間選擇。AD73360能保證6路模擬信號同時(shí)采樣，且在變換過(guò)程中延遲很小。本系統中AD73360采用交流耦合的差分輸入,通過(guò)McBSP接口與TMS320VC5402相連，接口信號線(xiàn)的數目只有6條，簡(jiǎn)捷高效。圖2是具體連接方法。

AD73360的串口時(shí)鐘SCLK信號作為McBSP的發(fā)送時(shí)鐘信號(CLKX0)和接收時(shí)鐘信號(CLKR0)；McBSP的發(fā)送引腳(FSX0)、接收幀同步引腳(FSR0)與AD73360的輸入引腳(SDIFS)、輸出幀同步(SDOFS)連接到一起，使McBSP的發(fā)送信號(FSX0)和接收幀同步時(shí)鐘信號(FSR0)與AD73360的輸出幀同步信號(SDOFS)保持同步。AD73360的數據輸出引腳(SDO)和輸入引腳(SDI)分別與McBSP的數據接收引腳(DR0)和數據發(fā)送引腳(DX0)相連。AD73360的激活信號SE由鎖相倍頻電路的輸出倍頻信號AD_SE觸發(fā)，實(shí)現同步鎖相采集。AD73360的驅動(dòng)時(shí)鐘信號MCLK可以由DSP分頻得到，也可以由晶振直接產(chǎn)生，AD73360的最高輸入時(shí)鐘為16.384 MHz。

2.2 鎖相倍頻電路及頻率測量

傅里葉變換要求每周期采樣點(diǎn)數等間隔，且采樣時(shí)間要涵蓋整周期。因此對采樣點(diǎn)數的要求非常嚴格。實(shí)現同步采樣的方式有軟件同步和硬件同步兩種，硬件同步采樣比軟件同步采樣響應迅速，能實(shí)時(shí)追蹤頻率變化。本裝置中采樣脈沖產(chǎn)生電路由過(guò)零比較器、鎖相器以及分頻電路組成。鎖相電路選擇了一種性能優(yōu)良的 CMOS鎖相環(huán)路CD4046，同時(shí)CD4046提供給計數器74LS393來(lái)產(chǎn)生所需的分頻信號。

倍頻鎖相電路如圖3所示，首先將所檢測的信號送入方波發(fā)生器，輸出一個(gè)與輸入信號同頻率的方波f 1，然后送入由鎖相環(huán)CD4046和計數器74LS393構成的128倍頻鎖相電路。將74LS393分頻后的輸出信號接到CD4046比相器輸入端3，與f 1進(jìn)行比較，直至3端和4端的輸入信號相位差不再隨時(shí)間變化，進(jìn)入鎖定狀態(tài)。此時(shí)Vout輸出端對方波信號實(shí)現了128倍頻,依此方波對AD73360進(jìn)行數據采集觸發(fā)。同時(shí)，74LS393的9腳輸出信號送入DSP的捕獲端口，用于測量頻率。

此鎖相倍頻電路不需要軟件干涉,節省了軟件資源，同時(shí)提高了檢測速度。倍頻鎖相電路為A/D采集提供了精確的觸發(fā)脈沖，提高了檢測精度，實(shí)現了同步鎖相采集。

2.3 TMS320VC5402與MSP430通信接口電路

TMS320VC5402提供一個(gè)HPI主機接口。HPI是一個(gè)8位并行口，用來(lái)與主設備或主處理器接口，HPI作為一個(gè)外設與主機相連，使主機的訪(fǎng)問(wèn)操作很容易[3]。

當TMS320VC5402與主機傳送數據時(shí)，HPI能自動(dòng)地將外部接口連續傳來(lái)的8位數組合成16位數，并傳送至TMS320VC5402。當主機使用HPI寄存器執行一個(gè)數據傳輸時(shí)，HPI控制邏輯會(huì )自動(dòng)執行對一個(gè)專(zhuān)用2 KB的內部雙訪(fǎng)問(wèn)RAM的訪(fǎng)問(wèn),以完成數據處理,然后C5402可以在它的存儲器空間訪(fǎng)問(wèn)讀寫(xiě)數據。HPI口的存儲器訪(fǎng)問(wèn)可分為共用尋址和單主機尋址方式，一般選用共用尋址方式。DSP和單片機通過(guò)向雙方發(fā)送中斷通知對方數據已準備好，通過(guò)監測對方設置的狀態(tài)判斷對方是否準備好數據。圖4是MSP430 單片機與TMS320VC5402的硬件接口電路。