孫楷淇，王 坤，程 鵬

（1.阜陽供電公司，安徽阜陽 236017；2.東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012）

0 引言

新型非線性負(fù)荷的大量增加，電力系統(tǒng)的電壓和電流波形可能發(fā)生嚴(yán)重畸變，從而給系統(tǒng)帶來大的“電網(wǎng)污染”。電力系統(tǒng)中電網(wǎng)數(shù)據(jù)的精確采集、數(shù)據(jù)處理、故障判斷已成為電網(wǎng)正確運(yùn)行的焦點(diǎn)之一[1]。其中,電力參數(shù)的精確測(cè)量是最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié),根據(jù)這些參數(shù)才可判斷電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行質(zhì)量，乃至于電網(wǎng)中的故障或隱患，因此如何快速、準(zhǔn)確地采集和監(jiān)控各種電力參數(shù)顯得尤為重要。

交流采樣法是按一定的規(guī)律對(duì)被測(cè)交流電信號(hào)的瞬時(shí)值進(jìn)行采樣成離散時(shí)間采樣值序列，并對(duì)采樣值序列進(jìn)行數(shù)值計(jì)算獲取被測(cè)信號(hào)的信息。交流采樣能對(duì)被測(cè)量的瞬時(shí)值采樣因而實(shí)時(shí)性好、相位失真小。其高速度、高精度和高性能必將得到更廣泛的應(yīng)用[2]。DSP具有高速度、高精度、并行性、高集成度和高性價(jià)比等優(yōu)點(diǎn)，非常適合應(yīng)用于交流采樣系統(tǒng)。設(shè)計(jì)了一種采用TMS320F2812 DSP芯片的電力參數(shù)實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)，高速A/D轉(zhuǎn)換器ADS8364實(shí)現(xiàn)對(duì)6路信號(hào)同時(shí)采樣，硬件鎖相環(huán)技術(shù)能夠?qū)﹄娏ο到y(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的參數(shù)測(cè)量和數(shù)據(jù)分析。

1 電力參數(shù)測(cè)量的理論

傳統(tǒng)的電力參數(shù)是基于電壓和電流為正弦波的情況下定義的,電壓和電流沒有發(fā)生畸變。但是,實(shí)際上電網(wǎng)中含有諧波,電壓和電流并不是理想的正弦波。針對(duì)這種情況,我們采用復(fù)序列快速傅立葉變換(FFT)的方法進(jìn)行參數(shù)的測(cè)量。

設(shè)畸變電壓和畸變電流含有L次諧波且為以下形式：

設(shè)同時(shí)測(cè)得N點(diǎn)的電壓序列{u(n)}和電流序列{i(n)},則可構(gòu)造一個(gè)復(fù)序列為:

其快速傅立葉變換（FFT）為:

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

電力參數(shù)實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)以TMS320F2812 DSP為核心，主要由電源電路、濾波放大電路、電壓電流互感器、多路數(shù)據(jù)同時(shí)采樣電路、CAN通信電路、時(shí)鐘電路、大容量存儲(chǔ)電路、看門狗電路等部件組成。其具體的結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

電力參數(shù)實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)的具體工作原理如下:該系統(tǒng)同時(shí)采集6路信號(hào)，即三相電壓、電流。用電壓、電流互感器來采樣三相電壓、電流信號(hào)，變電站里一次PT、CT的額定輸出分別為100 V和5 A，經(jīng)二次PT、CT轉(zhuǎn)換為峰值為5 V的電壓信號(hào)；為了保證采樣的同步性，采用倍頻鎖相技術(shù)，取一相電壓信號(hào)經(jīng)比較器輸出跟蹤電網(wǎng)的頻率的方波信號(hào)，作為鎖相環(huán)的輸入信號(hào)，同時(shí)也是頻率監(jiān)測(cè)的信號(hào)源，方波信號(hào)經(jīng)鎖相環(huán)倍頻后，作為A/D轉(zhuǎn)換器的觸發(fā)信號(hào)；經(jīng)過濾波放大電路把采樣到的電壓、電流信號(hào)送到多路數(shù)據(jù)同步采樣電路中進(jìn)行同步模數(shù)轉(zhuǎn)換；將轉(zhuǎn)換后的電壓和電流的數(shù)字信號(hào)送到DSP處理器；經(jīng)過復(fù)序列FFT算法程序計(jì)算，得到所需要的電力參數(shù)；最后將這些數(shù)據(jù)存入存儲(chǔ)器，同時(shí)送到LCD顯示，并且通過鍵盤電路實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話。通信電路通過CAN總線可將系統(tǒng)與遠(yuǎn)程上位機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信及遠(yuǎn)程測(cè)量。

2.1 硬件同步采樣電路

綜合考慮實(shí)時(shí)性與精確性的要求，本系統(tǒng)采用硬件同步采樣方法[5]，由專門的硬件電路產(chǎn)生同步于被測(cè)信號(hào)的采樣脈沖，能克服軟件同步采樣法存在截?cái)嗾`差等缺點(diǎn)，精度高。

鎖相環(huán)（PLL）主要由相位比較器、壓控振蕩器、低通濾波器3部分組成，如圖2所示。由于鎖相環(huán)的實(shí)時(shí)跟蹤性,當(dāng)被測(cè)信號(hào)頻率fi變化時(shí),電路能自動(dòng)快速跟蹤并鎖定,始終滿足fo=Nfi的關(guān)系,即采樣頻率為被測(cè)信號(hào)頻率的整數(shù)(N)倍。

圖2 硬件同步采樣原理圖

由于要在一個(gè)基頻周期內(nèi)采樣128點(diǎn)，所以采樣信號(hào)的頻率要是基頻的128倍。128倍頻電路的核心是由數(shù)字鎖相環(huán)構(gòu)成。CD4046鎖相環(huán)內(nèi)部壓控振蕩器的中心頻率由W1、C1確定,調(diào)整在128×50 Hz附近。工頻信號(hào)fi經(jīng)過比較器LM311整形后成為TTL電平的工頻方波信號(hào),它與經(jīng)過8位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS393進(jìn)行128分頻后的fo/128信號(hào)作相位比較,然后從相位比較器輸出并經(jīng)RC低通濾波后,得到控制壓控振蕩器頻率的信號(hào)。如圖3所示。

在此，將鎖相倍頻電路輸出端口與與ADS8364的/HOLDX相連，以滿足同步采樣的需要。

2.2 信號(hào)調(diào)理及A/D轉(zhuǎn)換電路

系統(tǒng)的信號(hào)調(diào)理電路主要實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入電壓、電流信號(hào)進(jìn)行分壓分流，及對(duì)電流信號(hào)的I/U變換，并實(shí)現(xiàn)電壓信號(hào)的電平偏移來滿足模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS8364的輸入要求。

圖3 鎖相同步采樣控制電路圖

考慮到電力參數(shù)采集對(duì)精度、速度的要求較高，本文選用了外置的16位A/D轉(zhuǎn)換器ADS8364。它是TI公司的一款高速、低功耗、6通道、全差分同步采樣輸入的16位A/D轉(zhuǎn)換器。其在50 kHz的采樣頻率下共模抑制比為80 dB，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，特別適合于電力網(wǎng)的高干擾環(huán)境中。6個(gè)模擬輸入分為3組(A、B和C)，每個(gè)輸入端有一個(gè)高速采樣—保持放大器和高速ADC來實(shí)現(xiàn)所有通道的同時(shí)采樣與轉(zhuǎn)換功能，非常適合多路采集系統(tǒng)的需要[6-7]。

ADS8364內(nèi)部數(shù)字電源供電電壓為3~5 V，即可與3.3 V供電的微處理器接口，也可與5 V供電的微處理器機(jī)接口?，F(xiàn)在只需一片ADS8364，就可以對(duì)3路電壓和3路電流進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，與其他采用MAX125等A/D轉(zhuǎn)換器相比，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，提高了可靠性。A/D轉(zhuǎn)換器與DSP的連接見圖4。

圖4 數(shù)據(jù)采集過程硬件連接圖

2.3 CAN總線通信電路

電力參數(shù)的實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)將檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，包括對(duì)電網(wǎng)的諧波分析，可以通過CAN總線向上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)配電線路電力參數(shù)和諧波情況進(jìn)行集中檢測(cè)分析，方便地構(gòu)成電力參數(shù)網(wǎng)絡(luò)化檢測(cè)系統(tǒng)[6]。

CAN總線的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用總線式結(jié)構(gòu),通過CAN總線連接各個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，形成多主機(jī)控制器局域網(wǎng)(CAN)。由于DSP本身內(nèi)帶CAN總線模塊，不需要專門的CAN控制器。DSP本身不具有CAN收發(fā)器，需要外接CAN收發(fā)器82C250，中間使用光電隔離器6N137（如果距離很短，可以不使用光電隔離器），DSP與光電隔離器和CAN收發(fā)器硬件連接圖見圖5。

圖5 CAN總線通訊硬件連接圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 復(fù)序列FFT在DSP中的實(shí)現(xiàn)

編程實(shí)現(xiàn)復(fù)序列FFT算法時(shí)，一方面，需要對(duì)原始自然序列進(jìn)行碼位倒序排列；另一方面，由于X(k)是復(fù)數(shù)，運(yùn)算需要多次查表相乘運(yùn)算才能實(shí)現(xiàn)。要求CPU的指令系統(tǒng)具有靈活的間接尋址方式，最好能在一個(gè)指令周期內(nèi)完成乘和累加的工作。DSP控制器特有的反序間接尋址方式，可以很方便地實(shí)現(xiàn)FFT算法。在反序間接尋址方式中，操作數(shù)*BRO+/*BRO-可使當(dāng)前輔助寄存器AR內(nèi)容加上/減去一個(gè)存儲(chǔ)在AR0中的索引量，并且該加法/減法采用反向進(jìn)位，可以很方便的實(shí)現(xiàn)采樣序列的倒序排列。另外，DSP控制器能在一個(gè)指令周期內(nèi)完成乘和累加的工作。

3.2 軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

對(duì)于軟件的設(shè)計(jì),采用自頂向下的設(shè)計(jì)思想,其結(jié)構(gòu)圖如圖6。根據(jù)模塊化的設(shè)計(jì)思想,編寫主程序、數(shù)據(jù)采集程序、捕獲程序、數(shù)據(jù)處理程序、通訊程序、人機(jī)交換程序等主要的軟件模塊。主流程圖見圖7。

4 結(jié)論

圖6 軟件結(jié)構(gòu)示意圖

圖7 主程序流程圖

基于TMS320F2812 DSP的電力參數(shù)實(shí)時(shí)檢測(cè)的系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)檢測(cè)三相電力基本參數(shù)及電能質(zhì)量參數(shù)。利用DSP的復(fù)序列FFT算法可實(shí)現(xiàn)及時(shí)處理和分析，通過CAN總線向上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送，進(jìn)而對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的參數(shù)測(cè)量和故障分析。該系統(tǒng)采用硬件鎖相環(huán)技術(shù)達(dá)到同步采樣，減少頻譜泄露，提高采樣精度。

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