貝兆彧， 陳鳴妤

（上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所 軍品分所，上海200135）

0 引 言

隨著船舶電力系統(tǒng)的高速發(fā)展，船舶電網(wǎng)容量的擴(kuò)大，大量變頻器、調(diào)速電機(jī)等非線性電力電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用，使船舶電力系統(tǒng)變得更加復(fù)雜多變，對(duì)配電網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)和維護(hù)提出了更高的要求，如何能夠高速、準(zhǔn)確地采集和測(cè)量各種電力參數(shù)顯得尤其重要。采用先進(jìn)的電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)研究、開(kāi)發(fā)電能檢測(cè)設(shè)備已經(jīng)成為船舶電力系統(tǒng)的新熱點(diǎn)。而網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測(cè)更是未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)，一些在線型電能質(zhì)量分析設(shè)備利用RS485、RS232、局域網(wǎng)等通訊接口，實(shí)現(xiàn)了電力參數(shù)網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測(cè)。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于電能質(zhì)量各項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)量還處在起步階段，無(wú)法完成長(zhǎng)期連續(xù)監(jiān)測(cè)，現(xiàn)有的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)手段和管理模式存在著實(shí)時(shí)性差、測(cè)量指標(biāo)少、工作量大、測(cè)量誤差大、效率低等缺陷。隨著數(shù)字處理技術(shù)、電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)的飛速發(fā)展，電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)勢(shì)必會(huì)朝著智能化、數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展［1］。

順應(yīng)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)的發(fā)展新趨勢(shì)，以數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)為核心，采用快速傅里葉變換（Fast Fourier Transf or m，F(xiàn)FT）算法程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，提高采樣數(shù)據(jù)的計(jì)算效率，使電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)符合當(dāng)今技術(shù)發(fā)展的需要。

1 總體設(shè)計(jì)

將二次側(cè)三相電壓和三相電流信號(hào)經(jīng)過(guò)電壓互感器（Potential Transf or mer，PT）、電流互感器（Current Transfor mer，CT）轉(zhuǎn)換為毫安級(jí)的電流信號(hào)，再放大成為－2.5～2.5 V的正弦電壓信號(hào)，然后送抗混疊低通濾波器濾去高頻分量，通過(guò)ADS8364芯片同步采樣轉(zhuǎn)換后，送入T MS320vc5402作為數(shù)據(jù)處理核心的數(shù)字信號(hào)處理（Digital Signal Processing，DSP）芯片進(jìn)行FFT運(yùn)算，得到基波及各諧波的基本參數(shù)，最后將運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行濾波并轉(zhuǎn)換成可識(shí)別的電力參數(shù)值，保存數(shù)據(jù)并在液晶顯示器（Liquid Cr ystal Display，LCD）上顯示。

這種方法可以對(duì)被測(cè)量信號(hào)的瞬時(shí)值進(jìn)行采樣，實(shí)時(shí)性好。同時(shí)，利用DSP的強(qiáng)大運(yùn)算能力可得到高精度的電力參數(shù)，簡(jiǎn)化了硬件上的電路設(shè)計(jì)。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 DSP芯片介紹

使用T MS320vc5402作為數(shù)據(jù)處理核心。T MS320vc54X系列是擁有16位總線的定點(diǎn)芯片，40位算術(shù)邏輯單元（Arit h metic Logic Unit，AL U）可進(jìn)行17×17位的乘法運(yùn)算和40位的加法運(yùn)算，具有主頻高、速度快、功耗低和成本低的優(yōu)點(diǎn)［3］。

2.2 硬件組成

以T MS320vc5402為核心，外圍設(shè)備主要由信號(hào)調(diào)理電路、A／D（Analog／Digital）轉(zhuǎn)換電路、復(fù)雜可編程邏輯器件（Co mplex Pr ogrammable Logic Device，CPLD）邏輯控制單元、按鍵輸入設(shè)備、液晶顯示電路、RS485和以太網(wǎng)通信電路、外部存儲(chǔ)設(shè)備等組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力參數(shù)地采集、處理、存儲(chǔ)、顯示以及通信等功能。裝置整體硬件結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)框圖

圖2 A／D芯片與DSP接口電路

2.3 主要電路分析

將交流三相電壓和三相電流經(jīng)過(guò)PT、CT轉(zhuǎn)換為毫安級(jí)電流信號(hào)，再經(jīng)過(guò)放大成為－2.5～＋2.5 V的正弦電壓信號(hào)，然后送抗混疊低通濾波器濾去高頻分量，通過(guò)A／D芯片同步采樣轉(zhuǎn)換后得到數(shù)字量，送入DSP進(jìn)行FFT運(yùn)算，得到各電力參數(shù)，最后保存數(shù)據(jù)并在LCD上顯示。

采用ADS8364芯片，具有16位并行輸出、6通道同步采樣、250 k Hz高采樣速率、低功耗的特性，可滿足高精度采樣的要求。每片ADS8364都由3個(gè)A／D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，每個(gè)A／D轉(zhuǎn)換器有2個(gè)輸入通道，每個(gè)通道都有采樣保持器，可同時(shí)對(duì)6路輸入信號(hào)進(jìn)行采樣并保持，再逐個(gè)轉(zhuǎn)換，通過(guò)與T MS320vc5402的無(wú)縫連接，將轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)送入DSP做運(yùn)算處理。A／D轉(zhuǎn)換芯片與DSP芯片的接口見(jiàn)圖2［4］。

在對(duì)周期性電量進(jìn)行測(cè)量時(shí)，同步采樣是準(zhǔn)確測(cè)量實(shí)時(shí)信號(hào)的關(guān)鍵，可以減少FFT的頻譜泄露，減小測(cè)量誤差。

實(shí)現(xiàn)同步采樣的核心是鎖相環(huán)倍頻電路。鎖相環(huán)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率的實(shí)時(shí)跟蹤，再通過(guò)分頻來(lái)實(shí)現(xiàn)所需要的倍頻方波信號(hào)，作為A／D轉(zhuǎn)換的采樣時(shí)鐘信號(hào)。為了保證鎖相環(huán)輸出信號(hào)為A／D轉(zhuǎn)換芯片采樣時(shí)鐘輸入方波信號(hào)，需要將一路電壓的正弦信號(hào)通過(guò)過(guò)零比較器整形成與電網(wǎng)頻率相同的方波信號(hào)，作為鎖相環(huán)的輸入信號(hào)。

使用CPLD實(shí)現(xiàn)數(shù)字分頻。由于船舶電網(wǎng)的基波為50 Hz，1個(gè)周期內(nèi)采樣256點(diǎn)，采樣頻率為12.8 k Hz（＞50次諧波的2倍，不會(huì)發(fā)生頻譜混疊）。A／D轉(zhuǎn)換芯片20個(gè)時(shí)鐘周期采樣1次，所以輸入的時(shí)鐘頻率為256 k Hz，CPLD的分頻系數(shù)為5 120 Hz。

3 軟件設(shè)計(jì)

DSP的程序設(shè)計(jì)中集成開(kāi)發(fā)環(huán)境使用的是TI公司推出的針對(duì)T MS320系列的CCS 3.0。CCS 3.0集成了各種代碼調(diào)試工具，可以對(duì)DSP進(jìn)行仿真及可視化的數(shù)據(jù)分析，同時(shí)擁有大量的庫(kù)函數(shù)，為DSP軟件設(shè)計(jì)提供了很大的便利。利用FFT庫(kù)函數(shù)計(jì)算電力參數(shù)是整個(gè)程序的技術(shù)核心。

3.1 離散電力參數(shù)的計(jì)算

電力參數(shù)主要包括電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率和功率因數(shù)。在含有諧波的電網(wǎng)中，電壓和電流的計(jì)算公式為：

3.2 FFT算法

傅立葉變換是將一種時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)變成頻域信號(hào)的形式，在電信、聲學(xué)等信號(hào)處理中都有著很重要的意義。離散傅立葉變換（Discrete Fourier Transfor m，DFT）是將連續(xù)傅立葉變換離散化，但由于計(jì)算量巨大，只存在理論價(jià)值，未能實(shí)際得到運(yùn)用。FFT大大減小了DFT的運(yùn)算量，是計(jì)算機(jī)處理離散信號(hào)的高效方法［2］。

3.3 軟件流程

軟件采用C語(yǔ)言編寫，主要包括主程序和中斷程序。程序開(kāi)始時(shí)對(duì)DSP，A／D芯片及其它外部設(shè)備進(jìn)行初始化，然后主程序以循環(huán)的方式工作。在主循環(huán)中，當(dāng)預(yù)設(shè)1個(gè)周期的256點(diǎn)采樣完成后，程序?qū)Σ蓸拥臄?shù)據(jù)進(jìn)行FFT運(yùn)算，得到基波及各諧波的基本參數(shù)，再將運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行濾波并轉(zhuǎn)換成可識(shí)別的電力參數(shù)值，送入LCD顯示。中斷程序主要用來(lái)處理對(duì)實(shí)時(shí)性要求比較高的A／D采樣和按鍵輸入。程序流程見(jiàn)圖3。

DSP的核心算法是FFT算法，使用TI針對(duì)320系列設(shè)計(jì)的庫(kù)函數(shù)。該庫(kù)函數(shù)有FFT主程序、128點(diǎn)復(fù)FFT程序、256點(diǎn)分離實(shí)FFT程序、求幅值函數(shù)、加窗函數(shù)和加窗系數(shù)6個(gè)子程序文件。主要特點(diǎn)是將256點(diǎn)的實(shí)數(shù)FFT運(yùn)算通過(guò)128點(diǎn)的復(fù)數(shù)FFT運(yùn)算實(shí)現(xiàn)，減小運(yùn)算量并節(jié)省了程序空間。FFT運(yùn)算基本流程見(jiàn)圖4。

圖3 主程序流程圖

圖4 FFT運(yùn)算流程圖

表1 頻率測(cè)試數(shù)據(jù)表

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

為驗(yàn)證系統(tǒng)運(yùn)行情況及可行性，對(duì)所設(shè)計(jì)的裝置做了相關(guān)測(cè)試，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析。

頻率的測(cè)量主要通過(guò)DSP的內(nèi)部定時(shí)器計(jì)數(shù)差值求得。通過(guò)外部晶振頻率，內(nèi)部鎖相環(huán)倍頻系數(shù)，定時(shí)器時(shí)鐘預(yù)定系數(shù)計(jì)算出定時(shí)器輸入脈沖為2.844 4μs。對(duì)工頻電壓的頻率測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

以Dranetz BMI PX5－400.的測(cè)量值為參考標(biāo)準(zhǔn)值，對(duì)基本電力參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比可以計(jì)算出本裝置所測(cè)量的電壓偏差＜0.5%，電流偏差＜1%，功率因素偏差＜1%，有功／無(wú)功功率的偏差＜0.5%，頻率偏差＜0.02 Hz。

表2 基本電力參數(shù)測(cè)試表

裝置將采集到的電壓經(jīng)過(guò)FFT運(yùn)算，得出各次諧波的數(shù)據(jù)，列舉出20次以內(nèi)的諧波含量（見(jiàn)表3）。

表3 各次諧波含量測(cè)量表

將諧波數(shù)據(jù)以柱狀圖的形式顯示在LCD上，可以更直觀的表現(xiàn)出諧波的質(zhì)量（見(jiàn)圖5）。

圖5 電壓諧波柱狀圖

5 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)船舶電力系統(tǒng)的電網(wǎng)質(zhì)量問(wèn)題，設(shè)計(jì)了以T MS320vc54X為基礎(chǔ)的電能參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，利用DSP較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)電能參數(shù)實(shí)時(shí)的高精度測(cè)量，利用FFT算法分析電網(wǎng)電壓的諧波數(shù)據(jù)，并通過(guò)LCD顯示和鍵盤輸入實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互。經(jīng)過(guò)測(cè)試可以驗(yàn)證，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，誤差較小，符合高精度的要求。

［1］ 鄧少軍.基于DSP的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.沈陽(yáng)：東北大學(xué)，2006.

［2］ 李洪池，趙不賄.基于 DSP的電壓閃變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.低壓電器，2010（19）：34－37.

［3］ 劉毅.基于DSP的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究［D］.湖南：湖南大學(xué)，2008.

［4］ 潘立冬.基與雙DSP的自適應(yīng)采樣電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.河北：河北大學(xué)，2006.