1、歡迎訪問Freekaoyan論文站基于DSP的交流電參量測量儀的研究歡迎訪問Freekaoyan論文站    歡迎訪問Freekaoyan論文站    摘要： 在電力系統諧波環境下，采用傳統儀器或常規微機測量算法會使電參量測量出現一定程度的誤差。應用傅氏變換原理及FFT快速算法消除諧波對測量的影響，同時與DSP技術相結合，研制了以TI公司TMS320F240DSP為核心的測控裝置，分析了儀器的硬件電路原理，實現了對交流電參量快速、準確、實時的測量。實驗結果表明，本裝置達到了國家標準對諧波測量儀器的要求。關鍵詞： 電

2、參量；諧波；快速傅立葉變換；數字信號處理器 0引言1實時準確的DSP算法11快速傅立葉級數算法1） 諧波算法的實現非正弦波是周期性電氣量，根據傅立葉級數分析，可分解成基波分量和具有基波頻率整數倍的諧波分量，基波和諧波分量的測量算法主要為快速傅立葉變換（FFT）。本文在進行諧波計算時，對兩個連續信號u（t）、i(t) 在一個周期內進行N點等間隔同步采樣，得到 FR（K）和FI（K）分別是F（K）的實部和虛部。 因此，進行一次N點復序列FFT，就可以同時求得電壓和電流的頻譜，得到各次諧波的電壓電流的幅值UL和IL，進而利用公式求出諧波下的三相電壓和三相電流值： 其中: i表示相別，L表示諧波次數。

3、采用FFT算法原理在求解電網參數中首先可以對各次諧波狀況有第一手材料，根據現場實際要求，可求保留到K次諧波，因此，其精度是完全可以調整的。在DSP指令集中，平方累加、相乘累加在重復命令下都是單周期指令，這使得上述運算得以快速實現。利用F240特殊的指令可以很容易實現FFT或濾波操作。FFT采用基-2、按時間抽取、原位運算。F240間接尋址選項*BR0+提供了位反轉變址尋址的能力，可以對基-2FFT程序中數據點重排序以完成原位運算操作。2) 頻率的測量頻率是電能質量的重要指標，本系統利用DSP芯片自帶的捕獲功能，即當捕獲引腳上出現指定電平時，DSP能捕獲指定定時器的讀數。因此我們將跟蹤頻率的方波

4、信號作為捕獲引腳的輸入信號，令連續兩次捕獲信號是定時器上的讀數之差為N，DSP定時器的頻率為fs，則交流信號的頻率f=fs/N。由于定時器的最大頻率為20MHz，所以測量的誤差極小，為減小偶然因素對測量的影響可測多個周期取平均值。12提高測量速度、測量精度的方法 1) 測量速度響應時間是衡量電參量微機測量方法的主要指標。在需要測量電網電壓和電流的各次諧波時，為減小計算量，提高測量反應速度，常采用下述方法： 盡量選用乘法次數較少的FFT算法本文FFT采用基2算法減少復數乘法次數以提高計算速度，運算效率提高12個數量級，同時邏輯關系較為簡單，易于編程。 數值運算采用定點制在利用FFT進行諧波分析過

5、程中，要進行大量的加減法和乘法運算。為提高諧波測量速度，可采用定點制運算。為保證精度，定點制運算時數值表示必須有足夠的字長。一般當字長為3字節時，足夠滿足一般測量精度的要求。 將兩個實序列構成一個復序列求傅立葉變換諧波計算時，為縮短計算時間可將電流和電壓兩個時間序列交互采樣構成一個復序列u(n)+ji(n)，先對復序列進行變換，然后再將變換結果按有關公式轉換成u(n)和i(n)的FFT變換結果，從而一次FFT運算就可同時完成一對電流電壓的諧波分析。2） 測量精度本文采用下述方法提高測量精度，下文對測量結果做了分析。 保證一定的采樣頻率根據采樣定理，采樣頻率應不低于信號中最高頻率的2倍，一般情況

6、下，電網中各次諧波含量是隨次數的增高而逐漸減少的，對電網觀測的結果表明，電網中19次以上的諧波含量已很低，因此本算法分析取到19次諧波，采樣頻率至少要在1900 Hz（每周波采樣38點）以上。事實上，為了減少噪聲對測量的影響，諧波測量時往往采用更高的采樣頻率，所以每周波采樣64點或128點（由鎖相環輸出決定）從根本上解決了測量精度和實時性之間的矛盾。 保證同步精度為了保證采樣的同步性,我們采用了倍頻鎖相技術，通過比較器（LM311）、鎖相環（CD4046）去控制信號進行采樣及A/D轉換。2系統硬軟件設計2.1系統硬件設計1） 數字信號處理部分：采用TI公司的TMS320F240是16位定點處理

7、器。它將高性能的DSP內核和豐富的微控制器外設功能集于單片之中，使得外圍電路簡化 ，軟件編程也變得容易。系統的數據采集和交流采樣計算、跳變沿捕捉、“看門狗”、程序的存儲等都由F240實現。為完成高速FFT運算，F240外面擴展了64 k數據存儲器用于數據的運算處理和存儲。2) 采樣保持和A/D轉換： 模擬信號經采樣保持和運算放大單元接入A/D進行數據轉換和處理。TMS320F240內含兩組8路10位A/D轉換器，轉換速度達100 kHz，而且采用多種采樣啟動方式。我們采用外部引腳觸發啟動方式，每次觸發后依次對模擬量進行采樣，并將采樣結果存入數據存儲器RAM中。3) 鎖相同步單元：為了保證采樣的

8、同步性，采用鎖相倍頻技術取一相電壓信號經比較器 （LM311）輸出跟蹤電網的頻率方波信號，作為鎖相環（CD4046）的輸入信號，同時也是頻率監測的信號源。方波經鎖相倍頻后作為采樣保持器（LF398）采樣保持和A/D轉換的觸發信號。4) 通信電路：采用RS232傳輸儀器與PC機間的數據和命令，便于將DSP處理后的數據傳輸到PC即做進一步分析處理或用PC機對儀器實現遠程操作控制。5) 鍵盤和顯示電路：采用320×240點陣的高分辨率微彩液晶屏顯示測量參數。通過F240的I/O完成4×4鍵盤的設計，鍵盤行線通過四輸入端與門連接到F240外部中斷XINT1引腳，以實現鍵盤中斷響應。

9、6) 雙口RAM：采用IDT7133實現AT89C52 和TMS320F240通信。IDT7133是一種高速2 k×16雙口靜態RAM，且帶片內總線仲裁電路，它具有兩組數據總線和地址總線，兩組總線可以同時訪問不同的存儲器單元，當兩組地址總線完全相同時，由片內總線仲裁邏輯向后訪問的一方發出等待信號，使該方進入等待，待另一方訪問結束后等待撤消，等待方繼續訪問這一地址。由于雙端口RAM的特殊結構，使得雙機可以方便快速地進行數據交換，從而大大提高了AT89C52 和TMS320F240的并行處理能力。2.2系統軟件設計DSP程序設計：TMS320F240應用程序開發過程分為程序編寫與模擬調試

10、、現場調試和脫離開發環境獨立運行三個階段。其中第二個階段需要在PC機和測試儀兩種環境交替進行，需要頻繁地啟動和停止系統運行，檢查運行結果數據等，甚至直接修改程序代碼；第三階段則要求測量儀獨立運行情況下，提供一定的顯示信息。我們采用了匯編語言和C語言的混合編程完成了19次諧波運算，為了提高程序代碼的效率，采樣中斷子程序、數字濾波器和FFT算法都采用了匯編語言編程，主程序采用C語言編程，提高了代碼可讀性和程序結構的清晰性。采用TI的CCS動態調試軟件，通過開發系統JTAG電纜，寫入F240片內SRAM中進行調試。最后將程序固化在串行Flash存儲器中，系統上電復位自動加載到F240片內SRAM中，

11、用于獨立運行環境。單片機AT89C52程序設計：將編好的單片機程序通過51開發系統，對串口、顯示及鍵盤等電路分別調試，最后將程序通過編程器直接固化串行PROM中。3實驗結果電網中19次以上的諧波含量已很低，因此本算法分析取到19次諧波。下面是一組電壓信號測量及誤差結果。系統測量誤差主要來源于系統模擬處理和數字處理的誤差，模擬處理引入的誤差包括電阻的精度，運放的失偏，A/D轉換精度等。數字處理的誤差主要來自定點處理中的有限字節長效應。表1所示為電壓信號測量結果，圖2所示為測量數據與理論值的誤差曲線，橫坐標為諧波次數，縱坐標為諧波幅值誤差。可以看出，直到19次諧波，檢測儀的測量誤差小于3%，測量精

12、度達到國標對B級諧波測量儀的要求。4結 語通過以上分析可以得出如下結論：1) 采用數字信號處理器構成的雙CPU計算機控制,保證了測量儀實時性的要求;2) 雙口RAM IDT7133的使用解決了雙機間數據的大量快速雙向傳送，且可靠性高；3） 諧波污染對電網設備構成威脅和損害，該測量儀能有效對電力系統實行實時在線諧波監測，確定諧波污染情況，以便采取相應的措施進行控制；4） 本裝置在實驗室進行了測量實驗，結果表明，所選DSP是目前用于電量測量方面比較理想的選擇，其價格低于通常模擬電路的價格，系統有很高的性價比，精度較高，滿足諧波測量儀的要求，具有廣泛的應用前景。參考文獻1張雄偉，曹鐵勇（ZHANG

13、Xiongwei,CAO Tieyong）.DSP芯片原理與開發應用(Digital Signal Processing Principle & Application).北京:電子工業出版社(Beijing:Publishing House of Electronics Industry),2000.2吳湘淇（WU Xiangqi）.信號系統和信號處理(Signal System & Signal Processing). 北京:電子工業出版社(Beijing:Publishing House of Electronics Industry),1996.3吳競昌（WU Jingchang）.電力系統