电能质量检测分析装置的研究

王健

摘 要：本文提出了一种基于TMS320F2812的监测电能质量新方法。本系统主要利用DSP芯片强大的数据处理能力和丰富的系统资源，对同步采样来的信号进行处理，从而对电能质量的五项指标进行分析、存储。实验结果表明，TMS320F2812对数据的处理速度满足实时性要求，本系统能够快速、准确地反映出电力系统中电能质量各项指标的变化情况。因此，本系统很好地适应了电力系统对电能质量监测的要求。

关键词：电能质量；DSP；FFT

1 电能质量各项指标测量方法

1.1 供电电压允许偏差

电力系统正常运行的电压偏移，称为电压偏差，以实测电压与标称系统电压之差或其百分值来表示。

1.2 电力系统频率允许偏差

电力系统负荷在不断地变动，致使系统频率总是一直处于变动的状态中。这种电力系统在正常的运行条件下，系统频率的实际值与标称值之差称为系统的频率偏差。

1.3 电压波动与闪变

电压波动是指工频电压包络线的一系列变动或周期性变化，常以两个电压最大值和最小值之差相对于额定电压的百分数表示。

2 电能质量检测装置硬件电路设计

电能质量监测装置是一个实时系统，数据采集部分以采样频率不断地向监测装置输入数据，监测装置的微型处理器必须要来得及在两个相邻采样间隔时间内，处理完对每一组采集值的各种操作和运算。传统的51系列和96系列的单片机在多个通道同时采样的情况下，无法满足实时测量与运算的要求。而数字信号处理（DSP）技术的快速发展，为电能质量实时监测提供了理想的解决方案。

对于A/D转换的位数，它决定了量化误差的大小，反映了转换的精度和分辨率，这一点对继电保护和测量装置十分重要。由于电力系统中高次谐波的含有量相对于基波分量而言是非常低的，谐波次数越高其含量越低。根据实测数据，如果采用12位分辨率的A/D转换芯片，因为A/D转换精度不够，对15次谐波而言至少会引起1.67%的误差，而且在实际谐波测量中一般要求测到30次谐波，这样产生的误差影响会更大，高次谐波测量数据将没有可信性，因此现场监测单元中A/D转换器的分辨率至少应保证为14位，这是A/D转换器的选择原则。

2.1 核心处理器TMS320F2812

本检测系统的核心处理器选择TI公司的一款性价比较高的芯片TMS320F2812定点高速数字处理器，最高工作频150M，该芯片采用改进的哈佛结构，片内有六条独立并行的数据和地址总线，极大地提高了系统的数据吞吐能力，32位的累加器、16位的硬件乘法器和输入、输出数据移位寄存器相结合能快速地完成复杂的数值运算。因此TMS320F2812的计算速度非常高，可以满足系统的在线实时性的要求。

2.2 高速A/D采样电路

AD转换器是模数转换电路中的核心器件，在整个电气测量系统中占有重要地位。如果模数转换的位数低时将引起较大的测量误差，本装置选用TI公司的高性能A/D芯片ADS8364做模/数转换。该芯片是一种高速、低能耗、6通道同步采样、单+5V供电的16位高速并行接口的高性能模/数转换芯片。片上带2.5V 基准电压源，可用作ADS8364的参考电压。每片ADS8364由3个模/数转换器（ADC）构成，每个ADC有2个模拟输入通道，每个通道都有采样保持器，3个ADC组成3对模拟信号输入端，可同时对6路输入信号采样保持，然后逐个转换。由于6个通道可以同时采样，很适合用于需同时采集多个信号的场合。

2.3 锁相倍频电路设计原则

虽然我国电网的频率规定为50Hz，但实际电网的频率受供用电负荷不平衡影响会有一些波动。如果长对电力系统的信号进行采样，会使实际每个工频周期内采样点的起止时刻、采样点个数出现差异，这种差异将导致栅栏效应和频谱泄漏，使信号频谱分析的结果产生误差。为了尽量减小这种误差，设计锁相倍频电路跟踪系统频率的波动，同时根据设计的每周期采样点数用一个计数器对系统频率进行倍频，倍频后的信号作为A/D转换的采样触发信号。锁相环电路现在一般使用集成锁相环芯片CD4046，利用其相位比较器Ⅱ，中心频率设为12K。

3 软件设计

一是跟硬件有密切关系的驱动程序，包括DSP内置外围电路的驱动、AD转换启动、数据的实时采集，这些驱动程序完成对硬件的底层操作，常要求及时处理，应在中断处理模块中完成；二是与硬件无关的应用程序，实时性要求不高，包括应用层的页面显示程序、电能质量分析的算法程序、数据的存储、向上位机的通信等，应在系统主程序中完成。

4.1 FFT算法的实现

FFT快速算法较之DFT的计算量减少许多，但FFT要做到多点实时运算，计算量还是比较大的。一方面，FFT需要对原始自然序列进行码位倒置排列；另一方面，由于是复数运算，需要多次查表进行相关的乘法才能实现。TMS320F2812就是针对这些需求而设计的，已具有反序（位码倒置）间接寻址指令等针对FFT的独特指令。

4.2 数字滤波程序设计

数字滤波器从本质来说是按事先设计好的程序，将一组输入的数字序列通过一定的运算后转变为另一组输出的数字序列，从而改变信号的形式和内容，达到对信号加工或滤波以符合技术指标的要求。数字信号处理器（DSP）作为处理数字信号的专用微处理器，为信号处理而采用的特殊硬件结构设计，配合特殊指令，因而处理速度更快，效率更高。

[参考文献]

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[2]王建赜，等.电能质量监测算法研究及实现.继电器，2001.02.

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