基于dsp电力谐波测量装置的设计

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1、目 录摘 要IAbstractII1 绪论11.1课题研究的背景11.2国内外研究发展动态31.3课题研究的意义42 电力谐波的检测原理及分析22.1 谐波检测系统实现的主要功能22.2 电力系统谐波测量22.2.1 电力系统谐波产生的原因22.2.2 电力系统谐波测量方法简述22.2.3 FFT算法的特点92.3谐波检测中存在的问题102.3.1信号混叠102.3.2频谱泄漏与栅栏效应102.3.3 谐波测量频谱泄漏原因及解决方案122.4 电网电能质量标准122.4.1 电能质量电力系统频率允许偏差132.4.2 电能质量供电电压允许偏差132.4.3 电能质量公用电网谐波133 电力谐波

2、检测装置的硬件设计73.1 系统的整体结构73.2 DSP芯片的结构与选择163.2.1 DSP芯片的基本结构163.2.2 DSP芯片的结构及评价指标163.2.3 DSP芯片的选择173.2.4 TMS320LF2407 DSP简介173.3 A/D转换电路183.4存储器扩展及复位电路223.4.1存储器扩展223.4.2复位电路233.5 锁相环电路243.6 与PCF8583的接口电路253.7 按键输入和液晶显示电路263.7.1按键输入电路263.7.2液晶显示电路273.8串行接口电路284 硬件系统调试165 结论16参考文献16致谢16毕业设计（论文）知识产权声明16毕业设

3、计（论文）独创性声明16附录17ii1 绪论1 绪论本章首先介绍当前电力质量的主要危害谐波危害，引出电力系统测量的重要性，其次介绍国内外在此方面的研究发展状况以及国内现有仪器由于采用单片机而存在的不足和缺陷，同时介绍了数字信号处理的发展，特别是近些年DSP处理器的普及更为电力系统智能采集注入了新活力，最后介绍了本课题的研究意义。1.1课题研究的背景 随着电力电子技术的发展，电力电子装置带来的谐波问题对电力系统安全、稳定、经济运行构成潜在威胁，给周围电气环境带来了极大影响，谐波被认为是电网的一大公害，同时也阻碍了电力电子技术的发展因此，对电力系统谐波问题的研究已被人们逐渐重视。电力电子装置等非线

4、性负载所产生的谐波会引起负载和输电设备的过载、失控和增加损耗，甚至严重危害电网和用电设备的安全。随着电力电子技术在家庭、工业、交通、国防日益广泛的应用，电力电子装置本身功率容量和功率密度的不断增大，电网遭受谐波污染也日益严重。谐波危害可以归结为:(l)对旋转电机(发电机和电动机)产生附加功率损耗和发热，并引起振动。(2)对无功补偿电容器组引起谐振或谐波电流的放大，从而导致电容器因过负荷或过电压而损坏，对电力电缆也会造成电缆的过负荷或过电压击穿。(3)增加变压器和电网的损耗，当发生谐振现象时，损耗可达到相当大的程度。(4)对继电保护、自动控制装置和计算机产生干扰和造成误动作。尤其是一些衰减时间较

5、长的暂态过程，如变压器合闸涌流中的谐波分量，由于其幅值和含量都很大，更容易引起继电保护的误动作。(5)造成电能计量的误差。一方面是增加电度表本身的误差，另一方面是谐波源负荷从系统中吸收基波功率而向系统送出谐波功率，这样受害的用户既从系统中吸收基波功率，又从谐波源吸收无用的谐波功率，其后果是谐波源负荷用户少付电费，而受害的用户多付电费。(6)谐波电流在高压架空线路上的流动除增加线损外，还将对相邻通讯线路产生干扰影响。电网谐波已成为许多电子设备与系统现场可靠运行的主要障碍之一，谐波污染的问题还严重阻碍了诸如变频调速等大批高效、节能电力电子技术的推广应用。因此，国内外都在加紧研究谐波污染的治理方法。

6、近些年，我国也开发了一些电力测量装置和电能质量监测装置，但在功能上、实用化方面还不够理想，还1存在许多问题: 1)处理功能较差、可扩展存储空间较小、运算速度较馒，难以运用精确严格的算法进行大量的实时数据处理，不满足电力监测高实时性的要求； 2)电力系统中最常用微处理器包括51系列和96系列等控制型器件，但随着电力系统对实时性、数据量和计算要求的不断提高，这些器件在计算能力方面已不能很好地适应电力系统的要求，致使电力系统的高精度测量、实时监控和先进算法的运用受到了限制；3)有的产品虽然直接引进了国外的技术模块，功能较强，可是价格较高，且不完全适合我国市场;4)有的产品无通讯和控制输出功能，不满足

7、电力系统网络化、自动化的发展方向;5)人机交互性不好。在过去的几十年里，单片机的广泛使用实现了简单的智能控制功能，但是随着计算机科学与技术、信号处理理论与方法的迅速发展，需要处理的数据量越来越大，对电测仪表的实时性和精度的要求也越来越高，而电能质量监测装置不同于一般的电力基本参数测量仪器，要进行电能质量指标的计算、分析和监视，并且要运用复杂的数学算法，如果采用比较先进的单片机Intel8OC196进行基本的32点FFT运算，在1ZM主频下采用快速算法仍然需要0.25秒左右，如采用更加先进复杂的算法则需要的时间更长显然，传统的单片机技术已不能满足电力系统实时监控的需要。数字信号处理器DSP是在模

8、拟信号变换成数字信号以后进行高速实时处理的专用处理器，其处理速度比最快的CPU还快10一50倍。在当今的数字化时代背景下，DSP已成为通信、计算机、消费类电子产品等领域的基础器件，被誉为信息社会革命的旗手业内人士预言，DSP将是未来集成电路中发展最快的电子产品，并成为电子产品更新换代的决定因素，它将彻底变革人们的工作、学习和生活方式。DSP发展历程大致分为70年代的理论先行、80年代的产品普及、90年代的突飞猛进三个阶段。自从20世纪70年代末80年代初DSP芯片诞生以来，DSP芯片得到了飞速的发展，DSP芯片己经在信号处理、通信、雷达等许多领域得到广泛的应用目前，DSP芯片的价格越来越低，性

9、能价格比日益提高，具有巨大的应用潜力。DSP芯片在电力系统中的应用主要有:1）信号处理如数字滤波、自适应滤波、快速傅立叶变换、相关运算、谱分析、卷积、模式匹配、加窗、波形产生等; 2）通信如调制解调器、自适应均衡、数据加密、数据压缩、纠错编码等;3）仪器仪表如频谱分析、函数发生、锁相环等;随着DSP芯片性能价格比的不断提高，可以预见DSP芯片将会在该领域内得到更为广泛的应用。1.2国内外研究发展动态随着基于大功率电力电子开关设备的普及应用，它所带来的各种电能质量问题已引起各国电力工作者的高度重视，提高电能质量的新技术己成为近年来电力系统研究领域中新的研究热点。19931995年，美国电力研究院

10、(EPRI)在全国范围内进行了大规模的电能质量普查，获得了大量电能质量数据，与此同时，国外又兴起了研究“用户特定电力”(custom Power)的高潮，提出利用电力电子控制器提高配电网供电的可靠性和电能质量，随着计算机技术的不断发展，以此为基础的诸如时域仿真、频域分析以及建立在不同变换基础上的各种数字技术，如基于FFT变换的谐波分析，小波变换等已在分析电压/电流扰动波形、元件参数对这些扰动的影响、系统中的谐波以及开发用以解决电能质量问题的新型电力电子控制器等方面，得到了广泛应用。与此同时，我国许多科研和生产单位，一些高等院校相继开展了谐波研究工作，在多次学术会议上，交流了这方面的一些成果。目

11、前，我国在谐波研究领域主要有以下几个方面:1、 关于谐波源的特性。电力系统高次谐波源在许多情况下可以当作电流源来处理，在谐波源特性方面尚有大量的问题需要研究，例如各种型号电铁机车运行时谐波含量及牵引供电臂谐波特性等。2、 关于电力系统模型及其精度。变压器、电机、电容器、输电线路和线性负荷，都有精确的谐波数学模型，非线性负荷的谐波阻抗目前只有粗略的模型，更精确的模型尚在探讨中。电力系统谐波与供电系统关系非常密切。畸变波在电网中传播取决于电网参数，它可能使畸变受到抑制，也可使畸变放大。3、 关于谐波电流和电压的分析计算。大致分成线性分析、非线性频域分析和非线性时域仿真三种方法。显然，系统各个部分元

12、件的数学模型直接影响到计算值的误差。目前对负荷的模型还研究得很不够，背景谐波对远离谐波源线路得影响也不可忽略，由于元件谐波阻抗的复杂性和谐波源的多样性和多变性，给谐波分析工作带来一定的困难。4、 关于谐波的测试方法、测量仪器及设备。用计算的方法比较精确地获得电网谐波参数是很困难的，因此谐波的测试工作在谐波研究中占很重要的地位。我国的国家标准GB/TI4549-93也对谐波的测量作了明确的规定。5、 关于谐波的危害。主要表现在对电力设备运行的影响;对电度计量及常用仪表指示的影响;对继电保护和自动装置的影响:对通讯的干扰;对电网损耗的影响。6、关于抑制谐波的措施。原则上，在谐波源处采取抑制措施是最

13、有效的。一是在谐波源处加装滤波器，这是普遍的措施，目前广泛采用无源滤波器，静止无功补偿装置，有源滤波器也开始使用;二是对整流设备增加相数，对变电站的接入相序换相，以减少注入系统的谐波。7、关于谐波管理与标准。1993年国家技术监督局批准并颁发了电能质量一一公用电网谐波GB/T-14549一93，促使电力部门和电力用户采取措施，把电网的谐波水平控制在允许范围内，防止谐波危害，保证供电质量，以获得良好的经济效益。在硬件上，20世纪90年代，仪器仪表与测量科学进步取得重大的突破性进展，这个进展的主要标志是仪器仪表智能化程度的提高，同时微电子技术的进步将更深刻地影响仪器仪表，目前普遍采用EDA(电子设

14、计自动化)、CAM(计算机辅助制造)、CAT(计算机辅助测试)、DSP(数字信号处理)、ASIC(专用集成电路)及SMT(表面贴装技术)等。在重视高档仪器开发的同时，注重高新技术和量大面广产品的开发与生产，注重系统集成，不仅着眼于单机，更注重系统、产品软化，随着各类仪器装上了CPU，实现了数字化，软件上投入了巨大的人力物力，仪器仪表智能化程度越来越高。特别是近些年DSP处理器的普及更为智能采集注入了新活力，老式的仪表由于精度低，速度慢，需更新换代。目前随着电子技术的发展，单片机与DSP的融合以及嵌入式实时操作系统的引入将是必然的趋势。1.3课题研究的意义本采集系统主要针对电力系统中谐波测量进行

15、研究，通过对电力系统的谐波及电力各个参量的测量，我们可以实时测量检测电网质量:l)测量电压电流的幅值，有效值，防止电压过高对用电设备造成危害。用电设备设计在额定电压时性能最好、效率最高，但当电压偏离额定值时，其性能和效率都会降低，有的还会减少使用寿命，当电压偏差超过一定值时，会引起设备的损坏;2)鉴定实际电力系统及谐波源用户的谐波水平是否符合标准的规定，包括对所有谐波源用户的设备投运时的测量;3)电气设备调试、投运时的谐波测量，以确保设备投运后电力系统和设备的安全经济运行;4)谐波故障或异常原因的测量，谐波专题测试，如谐波阻抗、谐波潮流、谐波谐振和放大等;5)通过测量相位，有功功率，无功功率和

16、视在功率的测量计算，可以优化配置电力设备，提高功率因素;6)通过测量检测出电力系统不稳定的原因，从而通过必要的手段，如继电保护，电网滤波，反馈控制等使电网稳定运行。目前工矿企业和运输部门中，非线性负荷大量增加，首先是硅整流和换流技术的发展，例如化工部门在电解中广泛采用硅整流;电气铁道中采用的单相交流整流供电机车;冶金和矿山部门大量用可控硅(SCR)整流电源作拖动;高压直流输电(HVDC)中的换流站;家用电器(如电视机、可调灯)中广泛采用硅整流等等。其次是冶金、机械工业的发展使电弧炼钢炉容量不断扩大，单台容量由过去几吨发展到300一400吨，相应的电炉变压器容量也由几个MVA发展到100一200

17、MVA。此外，工业中广泛使用的电弧焊和接融焊设备、硅铁炉、高频炉等均属非线性负荷。电力变压器容量在不断增大，由于经济工作点的选择，也成为电力系统的一个重要的非线性负荷。随着科技的发展非线性负荷还将不断增加。非线性负荷从电网中吸收非正弦电流，引起电网电压波形畸变，因此通称为谐波源。不对称的波动谐波源(如电力牵引负荷)还引起电压波动、闪变和负序分量，使电能质量严重恶化，危及电力系统安全和经济运行，并影响某些用户的正常生产。目前国际上公认，谐波的“污染”是电力系统的公害，必须采取措施加以限制。据报道，我国发电量的10%左右尚未得到利用，线路的损耗高达2既，因电网波动而不得不采用过大的容量设计，致使系

18、统效率低下。通过电力谐波的分析，对保证电网的供电质量、挖掘现有容量的潜力，具有十分重要技术意义和经济价值。52 电力谐波的检测原理及分析2 电力谐波的检测原理及分析本章主要介绍电力采集的几项重要指标以及电力系统测试的几种模型，对比几种测试模型的优缺点，特别是其中基于FFT变换方法易产生的关于频谱泄漏缺点，提出采用锁相倍频的采集测试方法，该方法既可以消除频谱泄漏缺点，又可以达到实时准确的测量。2.1 谐波检测系统实现的主要功能谐波系统实现的主要功能如下：（1）测量任一相电压、电流输入值。 （2）谐波分析功能，可处理7次以内的谐波，测量精度满足国家GB/T 14549-1993 的精度。（3）数据

19、显示：可显示电压、电流的每一项的7次以下的谐波量，可显示当时间和日期。（4）定值设定：可设定每一项的7次以下谐波的越限值，可设定时间和期。2.2 电力系统谐波测量2.2.1 电力系统谐波产生的原因在早期，电力系统的谐波畸变主要是随着电机和变压器的设计和运行而产生的，其中主要谐波源是电力变压器的励磁电流，发电机是居第二位的谐波源。变压器和旋转电机在正常的稳态运行条件下，他们本身并不在网络中产生大的畸变分量，但是，在暂态扰动时和非正常运行时便会产生谐波分量。除此之外，在我们日常中还有两种谐波源，电弧炉和荧光照明灯。随着现在电力电子的发展，相角控制换流器和逆变器已成为越来越广泛的应用技术，特别是逆变

20、器供电的交流驱动在数量和额定功率上都在增加，并且随着节能兴趣的增加，他们对电力系统产生越来越重要的影响。2.2.2 电力系统谐波测量方法简述 谐波问题涉及面很广，包括对畸变波形的分析方法、谐波源分析、电网谐波6潮流计算、谐波补偿和抑制、谐波限制标准，谐波测量及在谐波情况下对各种电气量的测量方法等。谐波测量是谐波问题中的一个重要分支，也是研究分析谐波问题的出发点和主要依据。由于谐波具有固有的非线性、随机性、分布性、非平稳性和影响因素的复杂性等特征，因此难以对谐波进行准确测量，为此许多学者对谐波测量问题进行广泛研究，下面先介绍电力系统谐波测量的基本要求和谐波测量的几种常用方法: 1、采用模拟带通或

21、带阻滤波器测量谐波最早的谐波测量是采用模拟滤波器实现的。输入信号经放大后送入一组并行联结的带通滤波器，滤波器的中心频率f1、f2、.fn、是固定的，为工频的整数倍，且f 1f2、fn（其中n是谐波的最高次数），然后送至多路显示器显示被测量中所含谐波成分及其幅值。该检测方法的优点是电路结构简单，造价低，输出阻抗低，品质因数易于控制。但该方法也有许多缺点，如滤波器的中心频率对元件参数十分敏感，受外界环境影响较大，难以获得理想的幅频和相频特性，当电网频率发生波动时，不仅影响检测精度，而且检测出的谐波电流中含有较多的基波分量，要求有源补偿器的容量大，运行损耗也大。 2、基于神经网络的谐波测量在理论上，

22、神经网络在提高计算能力、对任意连续函数的逼近能力、学习理论及动态网络的稳定性分析等方面都取得了丰硕成果，已应用于许多重要领域。神经网络应用于电力系统谐波测量尚属起步阶段。它主要有三方面的应用：谐波源辩识；电力系统谐波预测；谐波测量。 3、利用小波分析方法进行谐波测量将小波分析作为调和分析已有重大进展。它克服了傅立叶变换在频域完全局部化而在时域完全无局部性的缺点，即它在频域和时域都具有局部性。利用小波变换能将电力系统中产生的高次谐波变换投影到不同的尺度上会明显地表现出高频、奇异高次谐波信号的特性，特别是小波包居于将频率空间进一步细分的特性，从而为谐波分析提供了可靠依据。 4、时空间矢量法1984

23、年，日本学者HAkagi等提出瞬时无功功率理论，并在此基础上提出了ip-iq法。这种方法都能准确地测量对称的三相三线制电路的谐波值。ip-iq法适用范围广，不仅在电网电压畸变时适用，在电网电压不对称时也同样有效。这种方法的优点是当电网电压对称且无畸变时，各电流分量（基波正序无功分量、不对称分量及高次谐波分量）的测量电路比较简单，并且延时小。 5、FFT变换法利用FFT变换来检测电力谐波是一种以数字信号处理为基础的测量方法,其基本过程是对待测信号（电压或电流）进行采样，经A/D转换，再用计算机进行傅里叶变换，得到各次谐波的幅值和相位系数。其方法如下：假设电网信号为: + (2.2.1)式中： （

24、2.2.2） （2.2.3） （2.2.4）m次谐波分量的幅值和相位可表示为 （2.2.5） （2.2.6）由欧拉公式得 （2.2.7）设U(k)为频域序列，则 = = （2.2.8）显然 （2.2.9） b （2.2.10）由（2.2.9）（2.2.10）式可以看出只要求出U(k)即可，由DFT变换得 (2.2.11)式中，U(n)为时域抽样序列 (2.2.12) k=(0,1,2,N-1) (2.2.13) 由于DFT运算量非常大，所以利用DFT快速变换FFT来处理时域序列U(n)，这也就是每个周期采样点为2N的原因。在实际的采样电路中，根据所选芯片运算量和电量谐波的精度来确定采样的点数和

25、采样的方法。一般我们在分析电力谐波时，根据国家有关标准，在交流电的一个周期内应采128个点。FFT变换是目前在电力系统谐波检测中应用最广泛的分析方法，使用此方法测量谐波具有精度高、功能多、使用方便的特点，能够实现整数次谐波的精确分析和检测，虽然它的计算精度要受信号频率发生变化的影响，但可以采用硬件跟踪输入信号频率的办法来解决。而本谐波监测系统便是利用FFT算法，计算7次以下的幅值并将其显示出来。快速傅里叶变换法的基本思想是利用复指数函数的周期性和对称性，充分利用中间运算结果，使计算工作量大大减少。快速傅里叶算法又分为时间抽取(DIT)FFT和频率抽取(DIF)FFT两类。快速傅里叶变换的时域分

26、析法，它是将一个长时间序列分解成比较短的时间序列，子时间序列还可以再继续分解成更小的子时间序列，递推下去直到最后得到一个最简单的子时间序列，即一个数为止;然后利用傅里叶变换计算公式对最后得到的最简单的子时间序列进行傅里叶变换，再将各子时间序列的傅里叶变换结果按一定规则进行组合，最后便得到原时间序列的傅里叶变换结果。为满足分解和组合的需要，时间序列的长度必须满足N=2(L为整数)的关系。2.2.3 FFT算法的特点 FFT的输出x(k)时按正常顺序排列在存储单元中的，即按X(0)，X(l)，X(7)的顺序排列，但是这时输入x(k)却不是按自然顺序存储的，而是按x(0)，x(4)，x(7)的顺序存

27、入存储单元，看起来好像是“混乱无序”的，实际上是有规律的，我们称之为倒位序。造成倒位序的原因是输入x(k)按标号k的偶奇的不断分组而造成。一般实际运算中，总是先按自然顺序将输入序列存入存储单元，为了得到倒位序的输入，我们通过倒位序寻址运算来完成。如果输入序列的序号k用二进制数(例如k2 k1 k0)表示，则其倒位序二进制数dk就是(k0 kl k2)，这样，在原来自然顺序时应寻址x(k)的单元，现在倒位序寻址后应寻址x(dk)。例如N=8时，x(3)的标号是k=3，它的二进制是011，倒位序二进制是110，即dk=6。表2-1列出了N=8时的自然顺序二进制数以及相应的倒位序二进制数。表2-1码

28、位的倒位序(N=8)自然顺 顺序（k）二进制数倒位序二进制数 倒位顺序d(k)0000000 0 1 001100 4 2010010 2 3011110 6 4100001 1 5101101 5 6110011 3 7111111 7 为了实现实时的FFT，需要MCU的指令系统有着丰富的间接寻址方式，且最好能在一个指令周期内完成乘和累加的工作。DSP控制器就是针对这些需求而设计的，并具有这样的指令和运算能力。DSP控制器特有的反序间接寻址方式，就是专为FFT算法而设计的，此外，DSP控制器能在一个指令周期内完成乘和累加的工作。因此，以DSP控制器来实现FFT算法较普通的单片机要容易的多。2

29、.3谐波检测中存在的问题2.3.1信号混叠 为了充分得到一个模拟信号的特征，必须有足够高的采样率。理论研究指出，为了在采样后真实地保留原始模拟信号的信息，采样率至少为信号的最高频率分量的2倍。这是采样的基本法则，称为采样定理。采样频率低于被采样信号的最高频率分量的两倍时，称为欠采样。这时，采样所得的信号中混入虚假的低频信号分量，这种现象叫做混叠。为了满足采样定理，必须进行抗混叠低通滤波器的设计。传统的设计采用模拟滤波器进行滤波，由于电阻、电容和运算放大器的参数不够精确或者随时间或温度变化，使得滤波器效果不佳。目前多采用数字滤波器设计的方法，滤波性能非常好，具有比模拟滤波器异常优越的幅度相位特性

30、。2.3.2频谱泄漏与栅栏效应在谐波测量中，所要处理的信号均是经过采样和A/D 转换得到的数字信号。设待测信号为x(t)，采样间隔为t秒，采样频率=1/t满足采样定理，即大于信号最高频率分量的两倍。则采样信号为xn=x(nt)，并且采样信号总是有限长度的，即n=0，1，N一1。也就是说，所分析的信号的持续时间为T=Nt，这相当于对无限长的信号做了截断，因而造成离散傅立叶变换的泄漏现象。设信号为单一频率信号(t)= （2.3.1）其对应的频谱为()=2（） （2.3.2）即在处有一条单一的谱线。矩形窗为 （2.3.3）其对应频谱为 = （2.3.4）持续时间为T的信号相当于与的乘积 (2.3.5

31、)根据立叶变换的乘积定理， (t)的傅立叶变换为(w)与琳(w)的卷积 =2 (2.3.6)若不计相位的变换， 就不再是单一的谱线，而是分布在整个频率轴上，这就是说能量不再集中，即产生了泄漏现象。谐波分析中，各次谐波所泄漏的能量会相互影响，造成误差。对于离散傅立叶变换(DFT)来说，从频率的离散化得到 (2.3.7)式中，w=2/T。如果不是整周期采样，即信号不是w的整数倍数，那么即使信号只含有单一频率，DFT也不可能求出信号的准确参数，这一现象通常叫做栅栏效应。 插值算法可以消除栅栏效应引起的误差，而谐波间的泄漏引起的误差则需用加窗 的方法来消除。2.3.3 谐波测量频谱泄漏原因及解决方案

32、所谓频谱泄漏就是信号频谱中各谱线之间相互影响，使测量结果偏离实际值，同时在真实谱线两侧其它基波整数倍频率点上出现一些幅值较小的假谱，简单的讲，造成频谱泄漏的原因是因为采样频率与信号频率不同步，造成周期采样信号的相位在始端和终端不连续。由于采用的是基于FFT变换，因而存在着FFT所带来的局限性，采集的点数必须是整周波或整周波的倍数，因为FFT变换从整体上看是在信号整周波求信号加权平均值，如果由于采集频率与电网不同步，即没有进行整周波采集，势必会造成采集值的积分与实际整周波积分值之间存在偏差，使测量结果偏离实际值，同时在真实谱线两侧其它基波整数倍频率点上出现一些幅值较小的假谱，产生所谓的频谱泄漏问

33、题。减少频谱泄漏的方法主要有3种:l)利用加窗插值算法对快速傅立叶算法进行修正的方法，该方法可减少泄漏，有效地抑制谐波之间的干扰和杂波及噪声的千扰，从而可以精确测量到各次谐波电压和电流的幅值及相位。可选用不同窗函数(如矩形窗、海宁窗、布莱克曼窗、布莱克曼窗-哈里斯窗)的插值算法，在实际测量过程中，选用矩形窗插值算法和海宁窗插值算法能够满足测量精度的要求，但是实时性较差，要采集多周期的数据，精度随着采样点及采样频率的增多而增加。2)修正理想采样频率法，这种方法的主要思想是对每个采样点进行修正，得到理想采样频率下的采样值，修正公式如式(2.3.8)n=1,2,M (2.3.8)该方法计算量不大，并

34、不需要添加任何硬件，实时性比上一种方法好，适合在线测量，但只能减少50%的泄漏。3) 利用锁相器(PLL)使信号频率和采样频率同步，锁相器把取自采样系统的电压信号的相位和频率与锁相环输出的同步反馈信号进行相位比较，当失步时，锁相器的相位比较器输出与二者相位差和频率差有关的电压，经滤波后控制并改变压控振荡器的频率，直到输入频率和反馈信号频率同步为止，一旦锁定，便将跟踪输入信号频率变化，保持二者的频率同步，输出的同步信号去控制对信号的采样和加窗函数，此种方法实时性较好，同时可以解决频谱泄漏难题。2.4 电网电能质量标准为适应我国建立社会主义市场经济体制的要求，贯彻落实国务院质量振兴纲要，加强公用电

35、网电能质量监督管理，保证电网的安全运行和供电电能质量，依据电力法和国家有关规定部门制定了电网电能质量技术监督管理规定，其中第二条明确规定了我国电网电能质量的各项指标。第二条本规定所称的电能质量是指公用电网供到用户受电端的交流电能质量，其衡量的指标有:电力系统的频率偏差、供电电压的允许偏差、电压波动与闪变、三相电压(电流)不平衡度，电网谐波含量。其中电压和频率偏差基本上取决于供求平衡关系，而后三者则不仅与电力系统有关，而且受用户负荷性质的影响因此，电能质量监测装置不仅安装在电力系统的枢纽变电站中，还应对重要用户和特殊用户(产生波形畸变的用户)进行监测，下面就其中本论文主要需要的3项指标的定义及算

36、法进行阐述。2.4.1 电能质量电力系统频率允许偏差根据电能质量电力系统频率允许偏差规定系统的标称频率为50Hz，正常的允许偏差为士0.2Hz，当系统容量较小时，允许偏差为士0.5Hz，国内各大电力系统的实际偏差均小于士0.2Hz的允许值。2.4.2 电能质量供电电压允许偏差电压允许偏差是指电力系统电压缓慢变化时，实际电压与系统标称电压之差，通常指电压变化率小于每秒1%时实际电压值与系统标称电压值之差，可用有名值或标称值表示。根据电能质量供电电压允许偏差GB1232590规定:a.35kV及以上供电电压正负偏差的绝对值之和不超过额定电压的10%注:如供电电压上下偏差同号(均为正或负)时，按较大

37、的偏差绝对值作为衡量依据;b.10kV及以下三相供电电压允许偏差为额定电压的7%;c.22OV单相供电电压允许偏差为额定电压的+7%10%;d.计算公式:电压偏差（%）=（实际电压-额定电压）/额定电压100（%）2.4.3 电能质量公用电网谐波根据电能质量-公用电网谐波GB/T 1454993规定：a.谐波含量(电压或电流)谐波含量为从周期性交流量中减去基波分量后所得的量。谐波电压含UnUn= （2.4.1）式中Un是第n次谐波电压:谐波电流含量I In= （2.4.2）式中In是第n次谐波电流。 b.谐波含有率(HR)周期性交流量中含有的第n次谐波分量的方均根值与基波分量的方均根值之比(用

38、百分数表示)，第n次谐波电压含有率以HRU表示，第n次谐波电流含有率以HRI表示。第n次谐波电压含有率HRU HRU=100(%) （2.4.3）式中是第n次谐波电压(方均根值)是基波电压(方均根值);第n次谐波电流含有率HRI HRI=100(%) （2.4.4）式中In是第n次谐波电流(方均根值)I是基波电流(方均根值);c.总谐波畸变率(THD)周期性交流量中的谐波含量的方均根值与其基波分量的方均根值之比(用百分数表示)。电压总谐波畸变率以THD表示:THD=100(%) （2.4.5）电流总谐波畸变率以THD表示: THD= （2.4.6）153 电力谐波检测装置的硬件设计3 电力谐波

39、检测装置的硬件设计 本课题的主要任务是熟悉硬件连接，因此对于硬件的连接状况和工作原理需要认真的学习，本章就介绍一下DSP的主要外扩芯片以及与DSP的连接情况和工作原理。本设计主要的外扩芯片有：MAX125A/D转换器；锁相环；PCF8583时钟芯片；键盘和液晶；串行EPROM存储器。3.1 系统的整体结构 本设计的谐波监测仪以TMS320LF2407为核心，数据采集的A/D转换器用的是MAX公司的14位A/D MAX125，保证了测量的精度。系统的总体结构图如图3-1所示：电 流检 测电压检测数据预处理A/DMAX125DSPTM320LF2407键盘液晶显示PCF8283时钟芯片串行EPRO

40、M电网网图3-1 系统的总体结构图上图中，电网电压和电流经互感器和运算放大器调理成适合A/D转换的电压后，输入到A/D转换芯片中，A/D转换芯片将模拟输入信号转换为数字输出信号送入到DSP中进行处理。A/D转换在整个谐波监测系统中占有非常重要的地位。本系统采用PCF8583时钟芯片用来显示当前的时间和日期，并可以通过键盘、液晶相结合对当前时间和日期进行设置；电压信号经过A/D转换，并经过FFT变换，计算出7次以下的谐波，通过液晶显示出来；串行EPROM可以用来存放电压、电流的定值，也可用来存放计算结果。153.2 DSP芯片的结构与选择3.2.1 DSP芯片的基本结构(l)哈佛结构程序与数据存

41、储空间分开，各有独立的地址总线和数据总线，取指和读数可以同时进行，从而提高速度。(2)流水线操作功能DSP芯片采用多组总线结构，允许CPU同时进行指令和数据的访问。因而，可在内部实行流水线操作。(3)硬件乘法/累加器在卷积、数字滤波、FFT、相关、矩阵运算等算法中，都有一类的运算，其中包含大量重复乘法和累加。在通用计算机的乘法用软件实现，需要用若干个机器周期。而DSP有专用的硬件乘法器，使用MAC指令(取数、乘法、累加)，可以在单周期内完成。(4)多种寻址方式循环寻址(Circular addressing),位倒序(bit-reversed)等特殊指令，使FFT、卷积等运算中的寻址、排序及计

42、算速度大大提高。1024点FFT的时间已小于lms。(5)独立的DMA总线和控制器有一组或多组独立的DMA总线，可以与CPU的程序、数据总线并行工作。在不影响CPU工作的条件下，DMA速度己达800Mbyte/s以上。(6)多处理器接口现在的DSP中大多都提供了串和并口，使多个处理器可以很方便的并行或串行工作。如TMS320C40有6个8-bit的接口，VC5420提供MsBSP和16位的并口，ADI的ADSPZll6O也有类似的结构。(7) 所有DSP包含JTAG标准测试接口(IEEEll49标准接口)，便于对DSP作片上的在线仿真和多DSP条件下的调试。 3.2.2 DSP芯片的结构及评价

43、指标1).为了快速地实现数字信号处理运算，DSP芯片一般都采用特殊的软硬件结构，下面为TMS320系列为例介绍DSP芯片的基本结构。TMS32O系列DSP芯片的基本结构包括:(l)哈佛结构;(2)流水线操作:(3)专用的硬件乘法器:(4)特殊的DSP指令;(5)快速的指令周期。这些特点使得TMS320系列DSP芯片可以实现快速的DSP运算，并使大部分运算(例如乘法)能够在一个指令周期内完成。由于TMS32O系列DSP芯片是软件可编程器件，因此具有通用微处理器具有的方便灵活的特点。2).运算速度是DSP芯片的一个最重要的性能指标，也是选择DSP芯片时所需要考虑的一个主要因素DSP芯片的运算速度可

44、以用以下几种性能指标来衡量：(a)指令周期:即执行一条指令所需的时间，通常以ns(纳秒)为单位。(b)MAC时间:即一次乘法加上一次加法的时间。大部分DSP芯片可在一个指令周期内完成一次乘法和加法操作.(c)FFT执行时间:即运行一个N点FFT程序所需的时间。由于FFT运算涉及的运算在数字信号处理中很有代表性，因此FFT运算时间常作为衡量DSP芯片运算能力的一个指标:(d)MIPS:即每秒执行百万条指令。如TMS320VC5410的处理能力为100MIPS，即每秒可执行一万万条指令。3.2.3 DSP芯片的选择DSP应用系统的运算量是确定选用处理能力为多大的DSP芯片的基础。运算量小则可以选用

45、处理能力不是很强的DSP芯片，从而可以降低系统成本;相反，运算量大的DSP系统则必须选用处理能力强的DSP芯片，如果DSP芯片的处理能力达不到系统要求，则必须用多个DSP芯片并行处理。对于我们的电力系统的检测，我们采用的是基于FFT变换的谐波分析方法，为计算谐波，我们必须采集一个满周波，因此采用的是按帧处理，不是每个输入样点循环一次，而是每隔一定的时间间隔(通常称为帧)循环一次。例如，电力系统一周波大约20ms为一帧，对于三路电压和电流的采集，每20msFFT算法应循环六次。所以，选择DSP芯片时应该比较一帧内DSP芯片的处理能力和DSP算法的运算量。另外考虑到价格，芯片的硬件资源，还有利用的

46、成熟度和可靠度及实验室现有条件等原因，在这里我选择TMS320LF2407。3.2.4 TMS320LF2407 DSP简介TMS320LF240是本设计的核心芯片。在此，对其进行简要的介绍。TMS320LF2407是美国TI公司推出的新型高性能16位定点数字信号处理器，它专门为数字控制设计，集DSP的高速信号处理能力及适用于控制的优化外围电路为一体，在数字控制系统中得以广泛应用。在TMS320系列DSP的基础上，TMS320LF2407 DSP有以下一些特点：采用高性能静态CMOS技术，使得供电电压降为3.3V，减少了控制器的功耗；30MIPS的执行速度使得指令周期缩短到33ns(30MHz

47、),从而提高了控制器的实时控制能力。基于TMS320C2xxDSP的CPU内核，保证了TMS320LF240x系列DSP代码和TMS320系列DSP代码兼容。片内高达32K字的FLASH程序存储器，高达1.5K字的数据/程序RAM，544字双口RAM（DARAM）和2K字的单口RAM（SRAM）两个事件管理器模块EVA和EVB，每个包括：两个16位通用定时器；8个16位的脉宽（PWM）通道。可扩展的外部存储器（LF2407）总共192K字空间：64K字程序存储器空间；64K字数据存储器空间；64K字I/O寻址空间。看门狗定时器模块（WDT）。控制器局域网络（CAN）2.0B模块。串行通信接口模

48、块（SCI）模块。16位的串行外设（SPI）接口模块。基于锁相环的时钟发生器。高达40个可单独编程或复用输入/输出引脚（GPIO）。5个外部中断（两个电机驱动保护、复位和两个可屏蔽中断）。电源管理包括3种低功耗模式，能独立地将外设器件转入低功耗工作模式。3.3 A/D转换电路A/D转换是控制系统中的必备重要环节，其转换精度决定了整个控制系统性能的优劣。虽然TMS320LF2407A内置10位高速A心模块，但该模块存在以下缺点;只能接收0一3.3V的单极性信号输入，对于交流信号需要另外设计限幅抬压电路;同一排序器内各通道串扰严重;10位的转换精度难以满足高性能系统的要求。所以本文选用Maxim公

49、司的14位高速A心芯片MAXI25作为外部模数转换器。其输入信号范围士5V，通道最大承受过压可达士17V，简化了信号调理电路;单路转换时间3。MAX125是MAXIM公司推出的一种高速、多通道、14位模数转换芯片。该芯片内部带有一个14位、转换时间为3s的逐次逼近型（SAR）模数转换电路（ADC），414位的RAM，可和数字信号处理器总线接口的三态输出器件；片内还有4个采样/保持（T/H），每个采样/保持的输入对应一个2选1模拟输入（共有8个模拟输入通道，4个一组，分为A和B两组），输出经4选1开关到A/D转换器。一个+2.5v的内部电压基准，一个经过缓冲的电压基准输入端，一个内部的16MHz

50、时钟，一组可以同时对4路输入信号进行同步采样的采样/保持电路。另外转换器可以容许士16.5V的过电压，在信号转换中一个通道的故障状态不会影响其它通道的转换结果。片内时序控制器控制1至4通道的转换，在默认模式下4个采样保持放大器的输出从1通道到4通道依次进行转换，当4个通道全部转换完毕后对外部产生一个中断信号。也可以通过MAX125的双向并行口对MAX125重新编程让它只转换123通道。这样MAX125将一直对特定的通道进行转换直到对它重新编程为止。中断信号总是在完成最后一次转换后出现。单一通道的转换时间为3。转换完成后将结果储存在芯片内部的4x14bitRAM中。当所有的转换完成后，可以依次对

51、RD脚施加读脉冲以读出内部数据，四次读操作依次读出RAM中的4个数据字。MAX125的并行接口数据访问和总线释放的定时特性与绝大部分数字信号处理器及16bit/32bit微处理器的特性兼容，故MAX125可以与这些处理器直接相连而不需等待状态。MAX125的同步采样特性使MAX125可以很方便地用于多相电机控制、电网同步控制、功率因数监测、数字信号处理振动和波形分析。MAX125采用36脚SS0P封装形式提供商业级070C温度范围和扩展工业级-40C85C温度范围两档产品。MAX125的工作过程:首先对MAX125进行初始化，通过双向引脚AO-A3向MAX125输入数据，选择芯片的工作模式，即

52、设定通道的转换模式。比如4路信号采样，用TMS320C32的片上定时器1的TCLKI作为A心转换的启动信号，其中定时器输出的时钟频率通过软件来进行设置，在时钟信号的上升沿启动MAX125，MAX125就可以进行同步采样，然后将按照预先设置的工作方式从1通道到4通道依次进行转换，直到4个通道全部转换完毕。在最后一路信号转换完毕后，MAX125会对外部产生一个中断信号石，即中断信号变低。取MAX125的信号作为中断信号，若它为低说明本次转换已经结束，就可以驱动中断服务程序，读取A心转换数据。读取数据的顺序也是固定的，按照CHI、CH2、CH3、CH4的顺序。读取数据时，在RD脚上连续加脉冲就能顺序

53、取得CHI一CH4的数据。通道1的数据总是最先读到，4次读操作后，MAX125的内部地址指针又会回到通道1。在连续读时，CS要保持低电平。MAX125一旦编程就会在指定的工作模式下连续工作，直到重新编程或失电为止。重新上电后，其默认的工作模式是多路开关处于A组CHI，单通道转换。其封装图在这里不画了，现在介绍一下其主要引脚的功能：CH1ACH1B：通道1的2路模拟输入信号输入端，后经一2选1多路转换开关输出为一路进采样/保持电路。CH2ACH2B，CH3ACH3B，CH4ACH4B：分别为通道2、通道3、通道4的2路模拟信号输入端，后同通道1。AVDD：+5V（5%）模拟供电输入端。AGND：

54、模拟接地端AVSS：-5V（5）模拟供电输入端D13-D6：并行数据输出端（D13=MSB）DVDD：+5V（5）数字供电输入端 DGND：数字接地端D5 D4：并行数据输出端D3/A3-D0/A0：双向的数据/地址端（D0/A0=LSB）；输入数据（A0-A3）及输出数据(D0-D13)是多路的三态双向接口，此并行I/O口很易与微处理器或DSP相接；由CS、WR和RD三端的信号来控制此I/O口的读写操作；当CS为高时，它不使能WR和的输入并强制此I/O口呈高阻状态。CLK：时钟输入端；通常为16MHz,占空比必须为30至70，以保证信噪比SNR和动态噪声电平DNL的性能。CS：片选信号输入端

55、WR：写状态输入端；当CS和WR为低，编程A0-A3，置相应的模式转换命令字，当WR或CS上升沿时，则所设命令字写入MAX125，从而完成转换模式设定（注：通电MAX125的缺省转换模式为A组单通道模式）。RD：读状态输入端；根据转换模式，需要转换N个通道，则需且仅需N个RD脉冲（1N4）。CONVST：转换启动信号输入端；其上升沿使各个T/H保持其模拟输入值。INT：中断信号输出端；下降沿INT变为低表示所有通道转换完成。AVSS：-5V（5）模拟供电输入端A3 A2 A1 A0转换时间（s）工 作 模 式0 0 0 03A组多路开关，单路转换，上电默认0 0 0 16A组多路开关，双路转换

56、0 0 1 09A组多路开关，3路转换0 0 1 112A组多路开关，4路转换0 1 0 03A组多路开关，单路转换0 1 0 16B组多路开关，双路转换0 1 1 09B组多路开关，3路转换0 1 1 112B组多路开光，4路转换1 X X X节电模式表3-1 MAX125的工作模式MAX125的工作过程可以结合表3-1来表述:在启动A/D转换之前首先需要对芯片的工作模式进行设置，在选中芯片以后使能WR信号，将工作模式设置字通过双向并行数据口写入芯片的工作模式设置寄存器。MAX125提供的工作模式一共有9种，具体的描述见表3一1。每一个/CONVST脉冲启动一次A/D转换过程，此后芯片将根据

57、设定的工作模式对四个采样放大器的输出顺序转换，并将转换结果保存在芯片内部的14x4的RAM。最后一次转换结束后，芯片将中断输出引脚INT拉低。外部的微处理器或数字信号处理器在检测到/INT引脚上的低电平后，根据设定的工作模式，通过在/RD引脚上施加一定数目的脉冲，将刀D转换结果通过双向数据口逐一读出。 图3-2 TMS320LF2407与MAX125的接口电路图3-2便是MX125的连接图，由于TMS320LF240X系列DSP的供电电压3.3V，而MAX125的供电电压为5V，因此其线路接口处都要有电平转换。经过预处理后的信号经过锁相环倍频后作为A/D转换的启动信号，而且同时作为XINT2的

58、外部中断的中断源。采样的频率取决于锁相环输出脉冲信号的频率，本设计是一周期采集128个点，即锁相环是进行128倍频。CONVST端的负脉冲启动一次A/D转换，转换时间取决于工作模式中的通道数，本设计是4个通道采样。芯片工作模式中的所有通道转换结束后，采样/保持器重新处于采样状态，跟踪模拟输入的变化，此后，锁相环的输出脉冲的跳变将启动XINT2中断，软件执行中断子程序，CS和RD将配合依次读取转换结果。在写入模式控制字和读取各通道数字输出数据时，片选端CS必须为低电平，其中CS片选信号是由DSP的IS和选择的地址线A7信号来控制的，DSP访问I/O空间时，引脚IS有效。为防止模拟信号的干扰，在电路板设计时，应将模拟地和数字地隔离。3.4存储器扩展及复位电路3.4.1存储器扩展TMS320LF2407A有两种引导启动方式:一种是MC(Microcontrol)控制器模式，与单片机的工作方式一样。DSP上电时，从片内的闪存(程序存储器)中开始执行程序，执行速度慢。另一种是MP(Microprocessor)微处理器模式，与PC机的装载引导相类似。DSP上电时，先执行一段