对基于DSP的电力系统谐波检测装置设计的改进

1、原方案随着现代电力电子设备和非线性负载的大量使用，谐波污染日趋严重，谐波己成为电力部门及其用户日益关注的问题，因此对谐波进行检测与分析具有重要的意义。我此次选择进行改进的方案是由刘金波、崔正启发表在《硅谷》上面的基于《DSP技术的电力系统谐波检测》这样的一个方案，文章的编号为1671—7597（2010）0620088—02，页码为4页。2、改进方法：硬件设计方面，根据电力系统中数据采集和处理的实际特点，设计了信号的多通道采样保持和时钟转换电路，实现了多路信号的同步采样和快速转换。充分发挥了微控制器的控制功能和DSP芯片的数字信号处理优势。软件算法方面，系统采用传统的快速傅里叶变换(FFT)，对采集的电压和电流信号进行频谱分析。论文中还详细分析了信号的采样问题，以及信号的数字滤波问题。初步设计了对采集数据进行计算和处理的相关软件算法，实现了对谐波的测量功能。3、完成的功能：系统主要实现电能质量的实时检测。系统结构框图如图2.1所示，数据采集模块与通信中转模块组成一个现场系统，通信模块通过RS-232实现与PC机之间的通信。PC机通信模块向数据采集模块发出命令，数据采集模块通过通信模块向PC机回送测量数据以及执行结果。PC机通过调制解调器及计算机网络系统，以实现电能质量的实时检测与远程控制。设计的采集模块与通信模块需要完成的功能有：（1）网参数测量：电网参数测量主要对电压、电流、频率3个电网参数进行测量。电压电流有效值设计精度要求达到0.1%，频率设计精度要求为1%。（2）功率测量：功率测量主要包括视在功率、有功功率、无功功率、功率因数。有功功率与无功功率设计精度要求达到0.2%，功率因数精度要求为1%。（3）电网谐波分析：电网谐波分析要求能够检测最高为50次的谐波，设计测量精度要求达到0.5%。（4）通讯功能：现场采集量与分析结果通过CAN总线传输，经由系统的通信模块转发给PC机。图2.1系统结构框图3.1、国际中各级电网谐波电压限值电压/kVTHD奇次偶次0.3854.02.06/1043.21.635/6632.41.211021.60.8注：220kV电网参照110kV执行，衡量点为PPC，取实测95%概率值4、谐波的测量及计算方法4.1、谐波含有率电压和电流的波形畸变所含的某次谐波的含有率，反映畸变波形中谐波所占的比率。电压畸变波形的第k次谐波电压含有率等于其第k次谐波电压幅值KU与其基波电压幅值1U的百分比%100%UUU1kk电流畸变波形的第k次谐波电流含有率等于其第k次谐波电流幅值hI与其基波电流幅值1I的百分比PC通信模块采集模块1采集模块2采集模块N%100%1IIIkk4.2、总谐波畸变率(THD)电压和电流波形畸变的程度，常以其总谐波畸变率来表示，作为衡量电能质量的一个指标，各次谐波含有率的平方和的平方根称为总谐波畸变率THD,简称畸变率。电压的总谐波畸变率：NkkUUTHD22%电流的总谐波畸变率：NkkIITHD22%4.3、谐波检测的方法在谐波检测中，使用傅立叶算法。傅立叶变换是一种将时域信号转变为频域信号的变换形式。在频域分析中，频谱分析是信号分析的主要内容，它反映了系统性能的好坏。所谓信号的频谱，就是指信号的频率及对应的幅度值、相位，也可以分别称为幅度谱和相位谱。傅立叶变换是数字信号处理中对信号进行分析时经常采用的一种方法。但是如果采用常规的傅立叶变换，则该算法的运算量会特别大，不适合需要高速运行的嵌入式控制系统中采用，而通常方法是采用快速傅立叶变换(FFT)。利用FFT可以直接得到波形所含的各频谱分量。从尽量减少数据分析的运算量的角度出发，采用基于复序列FFT算法来实现谐波的测量。这种算法在运算的时候减少了离散傅里叶变换计算次数。减少计算时候的工作量，加快了计算速度。在进行大量运算的时候，效果还是非常可观的。5、系统硬件整体设计该系统可分为信号预处理、信号采集、数据处理与信号控制、显示、键盘、通信、电源7部分，如图4.1所示。数据采集模块主要完成数据采集、数据处理以及数据显示功能。与此功能相对应的电路包括测量电路、DSP最小系统电路以及人机接口电路测量电路完成信号的采样与变换。DSP最小系统电路完成信号的算法处理以及对整个系统的控制。人机接口电路包括键盘控制电路以及LCD显示信号处理结果。图4.1系统硬件整体结构图该系统中DSP选用的是TI公司的3.3V低电压供电的TMS320LF2407DSP芯片作为中央处理单元。根据该系统硬件电路设计的二个模块及DSP的特点。电源电路根据需要完成5V到3.3V电平转换。选用TPS7333提供系统3.3V供电。数据采集与信号调理电路完成电网信号的采样与转化。选用电压电流互感器接市电采样并用DVDI001参与信号调理。A/D转换部分是利用ADS836416位AD转换器，用来将采样的模拟信号数字化，以供数据处理单元运算处理。DSP最小系统进行谐波分析的数据运算处理以及提供合适的时序与逻辑来控制各外围功能模块单元完成相应功能。串口通信电路及USB接口电路用来将A/D转换完成的数据及时发送到PC机以待更进一步的数据处理。液晶显示模块采用192*64蓝屏点阵实现DSP谐波分析结果的显示。键盘控制部分为用户提供快捷的命令人机接口。通信中转模块中串行通信采用的是DSP内置的SCI控制器。收发器选用MAX232。6、DSP芯片的选择TMS320LF2407DSP除具有TMS320系列DSP的基本功能，还具有以下特点：（1）采用高性能静态CMOS技术，使得供电电压降为3.3v，减小了控制器的功耗；30MIPS的执行速度使得指令周期缩短到33ns（30MHz），从而提高了控制器的实时控制能力；（2）基于TMS320C2xxDSP的CPU核，保证了TMS320LF240x系列DSP代码和TMS320系列DSP代码兼容；（3）片内高达32K字*16位的Flash程序存储器；高达2.5K字*16位的数据/程序RAM；544字双端口RAM；2K字的单口RAM；（4）SCI/SPI引导ROM；（5）两个事件管理模块EVA和EVB，每一个均包括如下资源：两个16位通用定时器；8个16位的脉宽调制（PWM）通道，可以实现三相反相器控制、PWM的中心或边缘校正、当外部引脚PDPINTx出现低电平快速关闭PWM通道；防止击穿故障的可编程的PWM死区控制；对外部事件进行定时捕获的3个捕获单元；片内光电编码器接口电路；16通道的同步A/D转换器。（6）可扩展的外部存储器总共具有192K字*16位的空间，分别为64K字的程序存储器空间、64K字的数据存储器空间、64K字的I/O空间；（7）看门狗（WD）定时器模块；（8）10位ADC转换器，其特性为：最小转换时间为500ns、8个或16个多路复用的输入通道；（9）CAN2.0B模块，即控制器区域网模块；（10）串行通信接口（SCI）模块；（11）16位串行外部设备接口（SPI）模块；（12）基于锁相环（PLL）的时钟发生器；（13）高达41个可单独编程或复用的通用输入/输出（GPIO）引脚；（14）5个外部中断；（15）电源管理，具有3种低功耗模式，能独立地将外围器件转入低功耗工作模式。由于本系统的数据处理量大，对处理速度也有一定要求，因此，DSP芯片的型号选择TMS320LF2407。7、系统硬件电路图设计7.1、数据采集、处理模块数据采集模块包括信号调理模块和A/D转换模块。其中，信号调理模块又包括电流调理模块及电压调理模块。其功能是对输入的电信号（电压、电流）的幅值进行调整并进行初步的硬件滤波处理，使之成为A/D芯片（ADS8364）可以处理的信号。这部分电路还将高压部分与系统隔离，起到了保护作用。数据采集模块电压，电流调理部分如图6.1所示。12345678910111213141516ABCD16151413121110987654321DCBATitleNumberRevisionSizeEDate:25-May-2010SheetofFile:d:\MyDocuments\MyDesign1.ddbDrawnBy:R85KR105KR95KC10.01uFC30.01uFC20.01uFGND+5-5GND+5-5GND+5-5R205KR1149.9ΩR1349.9ΩR215KR1249.9ΩR1449.9ΩR1649.9ΩR1549.9ΩR2349.9ΩC7100pFC111nFC141nFC12100pFC40.01uFC9100pFC81nFC13100pFC10100pFGNDGNDGNDGNDGNDGND32184U3ALM35832184U2ALM35832184U1ALM358GNDGNDGNDC21100pFC16100pFC18100pFC19100pFC50.01uFC24100pFC60.01uFC15100pFC22100pFGNDR2549.9ΩR2449.9Ω2849.9ΩR2749.9ΩR2649.9ΩR225KGNDGNDGNDGNDGNDGNDGNDGNDC171nFC201nFC231nF32184U8ALM358+5-5C2610uFC280.1uFC250.1uFGNDGNDGNDCHCO+CHCO-CHBO+CHBO-CHAO+CHAO-CHAI+CHAI-CHBI+CHBI-CHCI+CHCI-RETinREToutDVDI001DVDI001R5510ΩR6510ΩR7510ΩR118KR218KR318KR418KR18510ΩR19510ΩR17510ΩIA+IA-IB+IB-IC+IC-UNUAUBUC32184U4ALM35832184U5ALM35832184U6ALM35832184U7ALM358_1+5-5+5-5+5-5+5-5GND图6.1电压、电流调理电路本系统采用的是单端输入ADS8364的参考输入电压为自身的参考输出，-IN端输入的共模电压为ADS8364输出的参考电压。由于ADS8364的参考输出为+2.5V，根据单端输入峰—峰值的计算公式CV+Vref、CV-Vref（CV=5V，Vref=2.5V)可得输入电压的范围为+2.5V~-2.5V。为了保证在正负极之间不会产生失调误差，必须要使正负极的电抗相匹配，本系统在正负极之间加入一个小电容（20pF）来使之匹配。7.2、数据转换模块A/D转换模块采用的是TI公司的ADS8364。ADS8364是一种高速、低功耗、6通道同步采样、16位模数转换器，主要应用于电机控制和多轴定位系统等方面。其共模抑制在50kHz时为80dB，因此，特别适用于噪声比较大的环境。ADS8364同TMS320LF2407的接口电路如图6.2与图6.3所示。ADS8364的3根地址线（A2、A1、A0）的接线方式使得（A2、A1、A0）=110，这便使得对A/D结果的读取方式为顺序循环方式。123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:25-May-2010SheetofFile:d:\MyDocuments\MyDesign1.ddbDrawnBy:CHA1-1CHA1+2AVDD3AGND4SGND5CHB0+6CHB0-7AVDD8AGND9SGND10CHB1-11CHB1+12AVDD13AGND14SGND15CHC0+16CHC0-17CHC1-18CHC1+19NC20DGND21DVDD22BYTE23BVDD24BGND25FD26EOC27CLK28RD29WR30CS31BGND32D1533D1434D1335D1236D1137D1038D939D840D741D642D543D444D345D246D147D048BGND49BVDD50RESET51ADD52A253A154A055HOLDA56HOLDB57HOLDC58AVDD59AGND60REFout61REFin62CHA0+63CHA0-64AD