DSP在电力参数检测系统中的应用

孙楷淇，王 坤，程 鹏

（1.阜阳供电公司，安徽阜阳 236017；2.东北电力大学 电气工程学院，吉林 吉林 132012）

0 引言

新型非线性负荷的大量增加，电力系统的电压和电流波形可能发生严重畸变，从而给系统带来大的“电网污染”。电力系统中电网数据的精确采集、数据处理、故障判断已成为电网正确运行的焦点之一[1]。其中,电力参数的精确测量是最为关键的环节,根据这些参数才可判断电网的运行状态、运行质量，乃至于电网中的故障或隐患，因此如何快速、准确地采集和监控各种电力参数显得尤为重要。

交流采样法是按一定的规律对被测交流电信号的瞬时值进行采样成离散时间采样值序列，并对采样值序列进行数值计算获取被测信号的信息。交流采样能对被测量的瞬时值采样因而实时性好、相位失真小。其高速度、高精度和高性能必将得到更广泛的应用[2]。DSP具有高速度、高精度、并行性、高集成度和高性价比等优点，非常适合应用于交流采样系统。设计了一种采用TMS320F2812 DSP芯片的电力参数实时检测系统，高速A/D转换器ADS8364实现对6路信号同时采样，硬件锁相环技术能够对电力系统进行实时、准确的参数测量和数据分析。

1 电力参数测量的理论

传统的电力参数是基于电压和电流为正弦波的情况下定义的,电压和电流没有发生畸变。但是,实际上电网中含有谐波,电压和电流并不是理想的正弦波。针对这种情况,我们采用复序列快速傅立叶变换(FFT)的方法进行参数的测量。

设畸变电压和畸变电流含有L次谐波且为以下形式：

设同时测得N点的电压序列{u(n)}和电流序列{i(n)},则可构造一个复序列为:

其快速傅立叶变换（FFT）为:

2 系统硬件电路设计

电力参数实时检测系统以TMS320F2812 DSP为核心，主要由电源电路、滤波放大电路、电压电流互感器、多路数据同时采样电路、CAN通信电路、时钟电路、大容量存储电路、看门狗电路等部件组成。其具体的结构见图1。

图1 系统结构原理图

电力参数实时检测系统的具体工作原理如下:该系统同时采集6路信号，即三相电压、电流。用电压、电流互感器来采样三相电压、电流信号，变电站里一次PT、CT的额定输出分别为100 V和5 A，经二次PT、CT转换为峰值为5 V的电压信号；为了保证采样的同步性，采用倍频锁相技术，取一相电压信号经比较器输出跟踪电网的频率的方波信号，作为锁相环的输入信号，同时也是频率监测的信号源，方波信号经锁相环倍频后，作为A/D转换器的触发信号；经过滤波放大电路把采样到的电压、电流信号送到多路数据同步采样电路中进行同步模数转换；将转换后的电压和电流的数字信号送到DSP处理器；经过复序列FFT算法程序计算，得到所需要的电力参数；最后将这些数据存入存储器，同时送到LCD显示，并且通过键盘电路实现人机对话。通信电路通过CAN总线可将系统与远程上位机相连，实现系统的远程数据通信及远程测量。

2.1 硬件同步采样电路

综合考虑实时性与精确性的要求，本系统采用硬件同步采样方法[5]，由专门的硬件电路产生同步于被测信号的采样脉冲，能克服软件同步采样法存在截断误差等缺点，精度高。

锁相环（PLL）主要由相位比较器、压控振荡器、低通滤波器3部分组成，如图2所示。由于锁相环的实时跟踪性,当被测信号频率fi变化时,电路能自动快速跟踪并锁定,始终满足fo=Nfi的关系,即采样频率为被测信号频率的整数(N)倍。

图2 硬件同步采样原理图

由于要在一个基频周期内采样128点，所以采样信号的频率要是基频的128倍。128倍频电路的核心是由数字锁相环构成。CD4046锁相环内部压控振荡器的中心频率由W1、C1确定,调整在128×50 Hz附近。工频信号fi经过比较器LM311整形后成为TTL电平的工频方波信号,它与经过8位二进制计数器74LS393进行128分频后的fo/128信号作相位比较,然后从相位比较器输出并经RC低通滤波后,得到控制压控振荡器频率的信号。如图3所示。

在此，将锁相倍频电路输出端口与与ADS8364的/HOLDX相连，以满足同步采样的需要。

2.2 信号调理及A/D转换电路

系统的信号调理电路主要实现对输入电压、电流信号进行分压分流，及对电流信号的I/U变换，并实现电压信号的电平偏移来满足模数转换器ADS8364的输入要求。

图3 锁相同步采样控制电路图

考虑到电力参数采集对精度、速度的要求较高，本文选用了外置的16位A/D转换器ADS8364。它是TI公司的一款高速、低功耗、6通道、全差分同步采样输入的16位A/D转换器。其在50 kHz的采样频率下共模抑制比为80 dB，具有较强的抗干扰能力，特别适合于电力网的高干扰环境中。6个模拟输入分为3组(A、B和C)，每个输入端有一个高速采样—保持放大器和高速ADC来实现所有通道的同时采样与转换功能，非常适合多路采集系统的需要[6-7]。

ADS8364内部数字电源供电电压为3~5 V，即可与3.3 V供电的微处理器接口，也可与5 V供电的微处理器机接口。现在只需一片ADS8364，就可以对3路电压和3路电流进行A/D转换，与其他采用MAX125等A/D转换器相比，简化了电路设计，提高了可靠性。A/D转换器与DSP的连接见图4。

图4 数据采集过程硬件连接图

2.3 CAN总线通信电路

电力参数的实时检测系统将检测数据进行分析处理，包括对电网的谐波分析，可以通过CAN总线向上位机进行数据通信，实现对配电线路电力参数和谐波情况进行集中检测分析，方便地构成电力参数网络化检测系统[6]。

CAN总线的网络拓扑结构采用总线式结构,通过CAN总线连接各个网络节点，形成多主机控制器局域网(CAN)。由于DSP本身内带CAN总线模块，不需要专门的CAN控制器。DSP本身不具有CAN收发器，需要外接CAN收发器82C250，中间使用光电隔离器6N137（如果距离很短，可以不使用光电隔离器），DSP与光电隔离器和CAN收发器硬件连接图见图5。

图5 CAN总线通讯硬件连接图

3 系统软件设计

3.1 复序列FFT在DSP中的实现

编程实现复序列FFT算法时，一方面，需要对原始自然序列进行码位倒序排列；另一方面，由于X(k)是复数，运算需要多次查表相乘运算才能实现。要求CPU的指令系统具有灵活的间接寻址方式，最好能在一个指令周期内完成乘和累加的工作。DSP控制器特有的反序间接寻址方式，可以很方便地实现FFT算法。在反序间接寻址方式中，操作数*BRO+/*BRO-可使当前辅助寄存器AR内容加上/减去一个存储在AR0中的索引量，并且该加法/减法采用反向进位，可以很方便的实现采样序列的倒序排列。另外，DSP控制器能在一个指令周期内完成乘和累加的工作。

3.2 软件设计结构

对于软件的设计,采用自顶向下的设计思想,其结构图如图6。根据模块化的设计思想,编写主程序、数据采集程序、捕获程序、数据处理程序、通讯程序、人机交换程序等主要的软件模块。主流程图见图7。

4 结论

图6 软件结构示意图

图7 主程序流程图

基于TMS320F2812 DSP的电力参数实时检测的系统可以实时检测三相电力基本参数及电能质量参数。利用DSP的复序列FFT算法可实现及时处理和分析，通过CAN总线向上位机进行数据的传送，进而对电力系统进行实时、准确的参数测量和故障分析。该系统采用硬件锁相环技术达到同步采样，减少频谱泄露，提高采样精度。

[1] 杨存祥，宋镜波，王发群，等.基于DSP的电力参数检测系统的研究[J].广东输电与变电技术，2007(5)：1-3.

[2] 唐桃波，吴少林，夏云非.基于DSP的高速电气参数交流采样系统[J].仪器仪表用户，2004，47(2)：47-48．

[3] 刘和平，邓力，江渝.数字信号处理器原理、结构及应用基础[M]．北京：机械工业出版社，2007．

[4] 于海生，潘松峰，吴贺荣．基于复序列FFT和锁相原理的电参数测量[J].电网技术，2000，24(3)：59-61.

[5] 毛晓波，赵文丽，黄俊杰．交流采样技术及其DSP实现方法[J]．微计算机信息，2005，21(2)：54-55.

[6] 佟为明，李凤阁，林景波．基于CAN总线的电力监控器的研究[J]．电工技术杂志，2004(8)：68-73.

[7] 赵兵,刘春明.基于DSP与GPRS的电能质量监测系统[J].电网与请洁能源，2009,25(2):13-16.

[8] 赵亮,张应亮,杨国清,等.基于DSP的电机磁控式智能软起动研究[J].电网与请洁能源，2009,25(01):72-75.