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基于DSP的新型多功能電能質量監測儀表的設計
點擊次數：729 發布時間：2011-9-22
近年來，我國電力事業無論是發電總量還是電網的建設都得到了迅猛發展，電力系統的規模不斷擴大。但隨著生產力的發展，電能質量的問題日益受到重視，生產和生活中對于電能質量的要求也越來越高。由于高壓直流輸電系統的應用和大量變頻器、整流器、電弧爐等非線性負荷、沖擊性負荷不斷地引入電力系統，大量諧波電流注入電網，造成電力系統中諧波含量急劇上升和電壓波形嚴重“畸變”，致使電能質量下降。電網中的諧波污染日益嚴重，對繼電保護、計算機、測量和計量儀器及通訊系統都有不利和不可預知的影響;降低了電網可靠性，增加了電網損失;降低了電氣設備的效率和利用率，在生產和生活中都造成巨大的經濟損失。
鑒于以上的各問題，提高電能質量的新技術及改善電能質量的分析方法成為電力系統領域中的研究熱點。為了采取合理的措施提高電能質量，對電能質量參數指標準確的檢測和分析，對電力系統中各參數的實時、準確地測量，是解決電能質量問題的一個重要環節，只有對所存在的電能質量問題進行有效的檢測、數據分析，才能清楚該電能質量問題的特性，進而采取相應的解決措施，以保證電網安全、經濟運行。本設計以高性能數字信號處理器TMS320VC5402和高精度16位 A/D轉換器AD73360為核心，針對現有裝置在軟硬件設計方面存在的一些不足，通過基于DSP的快速傅里葉變換算法[1]，對裝置開發涉及到的軟硬件作出部分改進，對下位機重新作出設計，構架了DSP+MCU方案，設計了一種實時監測電力參數的裝置，可以測量三相電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數及頻率等，在電能質量方面具體包括：2～31次諧波分析、電壓波峰系數、電流K系數、三相電壓/電流不平衡度等。
1 系統工作原理及總體設計
本系統的硬件設計整體結構圖如圖1所示，以TI公司的TMS320VC5402芯片為核心，包括電流/電壓隔離電路、信號調理及A/D采樣電路、以16位低功耗單片機MSP430F149為核心的人機接口電路以及系統輔助電源，實現了對包括三相電流/電壓在內的各電參量的測量、顯示控制以及通信等功能。整個系統以準確采樣與處理為基礎，兼顧整體的設計簡單、成本低廉等因素。
首先三相電壓/電流經過精密電壓電流互感器轉換后濾除高次諧波，再經過信號調理電路變換為適合AD73360采樣的信號進行采樣。AD73360將采樣完的數字信號送入DSP。
由DSP對采樣數據作進一步抗混疊處理后，計算出各電力參數并通過快速傅里葉算法進行諧波分析，并將需要的參數進行存儲[2]。
經過DSP處理后的各實時電參量經通信單元送給以MSP430F149為核心的上位機進行顯示。系統設計包括鍵盤輸入控制電路以及LCD液晶顯示電路，實現友好、直觀的人機接口。
2 系統硬件設計
2.1 TMS320VC5402與AD73360接口電路
AD73360是ADI公司推出的6通道模擬輸入的16位串行可編程A/D轉換器。它采用∑-△ A/D轉換原理，具有良好的內置抗混疊性能，所以對模擬前端濾波器的要求不高,用一階RC低通濾波器就能滿足要求。其采樣率和輸入信號增益都是可編程的，采樣率可分別設置為64 kS/s、32 kS/s、16 kS/s和8 kS/s（輸入時鐘為16.384 MHz時），增益可在0 dB~38 dB之間選擇。AD73360能保證6路模擬信號同時采樣，且在變換過程中延遲很小。本系統中AD73360采用交流耦合的差分輸入,通過McBSP接口與TMS320VC5402相連，接口信號線的數目只有6條，簡捷。圖2是具體連接方法。
AD73360的串口時鐘SCLK信號作為McBSP的發送時鐘信號（CLKX0）和接收時鐘信號（CLKR0）;McBSP的發送引腳（FSX0）、接收幀同步引腳（FSR0）與AD73360的輸入引腳（SDIFS）、輸出幀同步（SDOFS）連接到一起，使McBSP的發送信號（FSX0）和接收幀同步時鐘信號（FSR0）與AD73360的輸出幀同步信號（SDOFS）保持同步。AD73360的數據輸出引腳（SDO）和輸入引腳（SDI）分別與McBSP 的數據接收引腳（DR0）和數據發送引腳（DX0）相連。AD73360的激活信號SE由鎖相倍頻電路的輸出倍頻信號AD_SE觸發，實現同步鎖相采集。 AD73360的驅動時鐘信號MCLK可以由DSP分頻得到，也可以由晶振直接產生，AD73360的zui高輸入時鐘為16.384 MHz。
2.2 鎖相倍頻電路及頻率測量
傅里葉變換要求每周期采樣點數等間隔，且采樣時間要涵蓋整周期。因此對采樣點數的要求非常嚴格。實現同步采樣的方式有軟件同步和硬件同步兩種，硬件同步采樣比軟件同步采樣響應迅速，能實時追蹤頻率變化。本裝置中采樣脈沖產生電路由過零比較器、鎖相器以及分頻電路組成。鎖相電路選擇了一種性能優良的CMOS 鎖相環路CD4046，同時CD4046提供給計數器74LS393來產生所需的分頻信號。
倍頻鎖相電路如圖3所示，首先將所檢測的信號送入方波發生器，輸出一個與輸入信號同頻率的方波f 1，然后送入由鎖相環CD4046和計數器74LS393構成的128倍頻鎖相電路。將74LS393分頻后的輸出信號接到CD4046比相器輸入端3，與f 1進行比較，直至3端和4端的輸入信號相位差不再隨時間變化，進入鎖定狀態。此時Vout輸出端對方波信號實現了128倍頻,依此方波對AD73360進行數據采集觸發。同時，74LS393的9腳輸出信號送入DSP的捕獲端口，用于測量頻率。
此鎖相倍頻電路不需要軟件干涉,節省了軟件資源，同時提高了檢測速度。倍頻鎖相電路為A/D采集提供了的觸發脈沖，提高了檢測精度，實現了同步鎖相采集。