电能质量分析仪的研制 骆东松，等 电能质量分析仪的研制 Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ Ｑｕａｌｉｔｙ Ａｎａｌｙｚｅｒ ｆｏｒ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ 钨东松 萤锦华 障若殊 纠承借 （兰州理工大学电气工程与信息工程学院，甘肃兰州 ７３００５０） 摘要：针对电力部门对电能质量进行监测的需求，设计了一种以高精度浮点运算ＤＳＰ为核心的电能质量分析仪，分别介绍了其软 硬件的实现方案。硬件主要应用了高性能低功耗的浮点数字信号处理器ＴＭＳ３２０ＶＣ３３和高精度Ａ／Ｄ转换器ＭＡＸ１２５；软件采用加窗 插值快速傅里叶变换算法（ＦＦｒｒ）进行数据分析，计算电网电压和电流中的各次谐波幅值、相位、功率及功率因数等参数，并将结果显示 在液晶屏上。整个系统硬件体积小、功耗低，能快速、高精度、高可靠性地测量谐波。 关键词：电能质量ＭＡＸ１２５ ＲＳ－２３２通信ＦＩＲ数字滤波快速傅里叶变换 中图分类号：ＴＰ２７３ 文献标志码：Ａ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ａｃｃｏｒｄａｎｃｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｅｍａｎｄｓ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｏｗｅｒ ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｔｏ ｍｏｎｉｔｏｒ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｅｎｅｒｇｙ ｑｕａｌｉｔｙ，ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｐｒｅｃｉｓｅ ｐｏｗｅｒ ｅｎｅｒｇｙ ｑｕａｌｉｔｙ ａｎａｌｙｚｅｒ ｗｉｔｈ ｆｌｏａｔ ｐｏｉｎｔ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ＤＳＰ ａｓ ｋｅｒｎｅｌ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｔｈｅ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｉｎｇ ｓｃｈｅｍｅｓ ｏｆ ｂｏｔｈ ｈａｒｄｗａｒｅ ａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ ａｒｅ ｉｎｔｒｏ－ ｄｕｃｅｄ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ｉｓ ｃｏｍｐｏｓｅｄ ｏｆ ｈｉｇｈ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｎｄ ｌｏｗ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｆｌｏａｔ ｐｏｉｎｔ ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｍ。ＴＭＳ３２０ＶＣ３３ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｐｒｅｃｉｓｅ Ａ／Ｄ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ＭＡＸ１２５：ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｉｓ ａｄｏｐｔｉｎｇ ｗｉｎｄｏｗ ａｄｄｅｄ ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ ＦＦＴ ｆｏｒ ｄａｔａ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ ｈａｒｍｏｎｉｃｓ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ，ｐｈａｓｅ，ｐｏｗｅｒ ａｎｄ ｐｏｗｅｒ ｆａｃｔｏｒ ｉｎ ｇｒｉｄ ｖｏｌｔａｇｅ ａｎｄ ｃｕｒｒｅｎｔ ａｎｄ ｄｉｓｐｌａｙ ｔｈｅｍ ｏｎ ＬＣＤ ｐａｎｅ１．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｃｏｍｐａｃｔ，ｌｏｗ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ，ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｌｙ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｈａｒｍｏｎｉｃｓ ｗｉｔｈ ｆａｓｔ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ｈｉｇｈ ａｃｃｕｒａｃｙ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｏｗｅｒ ＭＡＸ１２５ ＲＳ一２３２ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ＦＩＲ ｄｉｇｉｔａｌ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ ＦＦＴ ０ 引言 ｌ硬件设计 随着电力电子技术的快速发展，越来越多的非线 电能质量分析仪主要由数据采集和处理、液晶显 性用电设备接入电网，使得电网谐波污染问题日益严 示、时钟电路、看门狗电路、键盘按键、数据通信和存储 重。谐波分析成为电力部门的一项重要工作。 器等部分组成，硬件模块功能图如图１所示。 我国传统的电能质量分析仪和监控系统一般采 用普通单片机作为核心部件。由于普通单片机的运 算速度有限，无法进行高频率采样和实时数据分析 等操作，因此，它在实际测量中的采样点数将受到严 重的限制。 近年来，数字信号处理器（ＤＳＰ）高速发展。它采 用先进的改进型哈佛结构，程序存储器和数据存储器 具有各自的总线结构，可以同时处理指令和数据，能快 速地采样、存储和实时处理数据。 电能质量分析方法通常有模拟滤波器的谐波测量 图１硬件模块功能图 法、基于傅里叶变换理论方法、基于瞬时无功功率理论 Ｆｉｇ．１ Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｈａｒｄｗａｒｅ ｍｏｄｕｌｅｓ 方法、基于神经网络理论方法和基于小波变换理论方 电压和电流信号首先通过隔离与差分输入（差分 法等…。本文采用了基于傅里叶变换理论方法。 输入是为了抑制共模干扰）转换为一５～＋５ Ｖ的电压 信号，然后通过四路同时采样的Ａ／Ｄ转换器ＭＡＸ１２５ 甘肃省科技支撑计划资助项目（编号：０８０４ＧＫＣＡＩＭ６）。 转换成数字信号送人ＤＳＰ进行处理，处理结果显示在 修改稿收到日期：２０１０—０３—１６。 第一作者骆东松，男，１９７０年生，１９９２年毕业于甘肃＿Ｔ－业大学自动化 液晶屏上，也可以通过串行通信口与上位ＰＣ机或远 系，获学士学位，副教授；主要从事工业自动化和嵌入式系统的研究。 程终端进行通信。另外，系统还可根据键盘按键输入 《自动化仪表》第３１卷第ｌｌ期２０１０年１１月 ６１ 电能质量分析仪的研制 骆东松。等 的不同，在液晶显示器上实时显示功率、功率因数、谐 波畸变率、２～５１次谐波幅值以及参数设定等内容 。 １．１ ＤＳＰ芯片及其外围芯片 图２中：采用ＭＡＸ２０２作为ＲＳ－２３２电平与１ＴｒＬ电 平的转换芯片，即Ｒ ｉ 、Ｔ 为ＲＳ一２３２电平，Ｒ 、Ｔ ｉ 为 ，丌Ｌ电平。由于ＴＭＳ３２０ＶＣ３３能够承受的最高电压为 ４．５ Ｖ，所以作为输入引脚使用的ＸＦ。和ＩＮＴ：不能直 接与ＭＡＸ２０２的Ｒ 相连。为了简化结构，采用电阻 数字处理器必须在下一个采样数据周期到来之前 完成全部运算，以保证信号处理的实时性。本设计选 用美国ＴＩ公司推出的ＴＭＳ３２０ｃ３ｘ系列３２位浮点数 字信号处理器ＴＭＳ３２０ＶＣ３３ ，其最高处理速度为 分压的方式，使这两个引脚上的高电平为３．３ Ｖ，这就 保证了ＴＭＳ３２０ＶＣ３３不被损坏。ＸＦ．为ＶＣ３３的输出 １５０ Ｍ／ＦＬＯＰＳ（浮点运算），指令周期为１３～１７ ＩＩＳ，此 引脚，可以与ＭＡＸ２０２的Ｔ 引脚直接相连。 运算速度能满足控制外围设备、储存数据和实时分析 数据的要求。 ２软件设计 由于分析仪的其他芯片都使用５ Ｖ电压，而 软件流程主要包括系统初始化、数据采集、数字滤 ＴＭＳ３２０ＶＣ３３采用双电压供电，内部为１．８Ｖ，外部为３．３Ｖ， 波、加窗插值ＦＦＴ运算、液晶显示和通信等部分。软 所以需要进行电平转换，本设计选用ＳＮ７４ＡＬＶＣ１６４２４５ 件流程如图３所示。 芯片。该芯片为双向１６位电平转换芯片，保证了信号 之间的正常传递。Ａ／Ｄ转换电路采用芯片ＭＡＸ１２５。 开始 —— 一 由于ＤＳＰ在每个电信号周期采样５１２个点，并对 系统初始化 采样数据进行分析运算求出各个电力参数，所以储存 塑三薹ｊ 堕塑数堕据！显！示三兰 Ｉ竺 Ｉ 的数据量较大，需要外部扩展６４ ｋＢ的ＳＲＡＭ内存，其 ——— ———一 中高３２ ｋＢ作为数据储存器，低３２ ｋＢ在调试时存放程 采样并进行Ａ／Ｄ转换 序代码。在调试过程中，用户可以通过设置断点来跟 否 ———— 踪程序的运行，极大地方便了调试，调试成功后再把程 采样及Ａ，Ｄ转换完成 序烧入Ｆｌａｓｈ。 ＝＝＝ 鑫 数字滤波 １．２ ＴＭＳ３２０ＶＣ３３的ＲＳ－２３２通信 计算机的ＲＳ一２３２接口按照设定的固定波特率传 图３软件流程图 送，ＲＳ－２３２串行口通信采用三线式接法，即ＲＸ（数据 Ｆｉｇ．３ Ｆｌｏｗｃｈａｒｔ ｏｆ ｓｏｆｔｗａｒｅ 接收）、ＴＸ（数据发送）和ＧＮＤ（地）三个引脚。计算机 按帧格式发送和接收数据，一帧通常包括１位起始位 ２．１数字滤波 （…０’电平）、５～８位数据位、１位（或无）校验位、１位 根据采样定理，采样频率必须大于最高频率的两 或１位半停止位（“１”电平）。起始位表示数据传送开 倍以上才能得到各次谐波对应的全部频谱；当采样频 始，数据位为低位在前、高位在后，停止位表示一帧数 率不满足这个条件时，就会出现频谱混叠，产生误差， 据结束。 所以必须进行滤波。由于模拟低通滤波器的幅频特性 ＴＭＳ３２０ＶＣ３３微处理器的串口帧格式没有起始位 不可能是理想的矩形，这会导致信号的幅值和相位产 和停止位，只有数据位，且数据位为高位在前、低位在 生失真，给谐波组分带来一定的误差。所以，本设计采 后。ＴＭＳ３２０ＶＣ３３微处理器共有１０个引脚，可配置为 用ＦＩＲ数字滤波技术对采样的信号进行数字滤波，代 通用Ｉ／Ｏ口，其中ＸＦ。、ＸＦ 为专用的通用ＩｆＯ口，通过 替了模拟低通滤波。 软件设计可实现ＸＦ。、ＸＦ．专用Ｉ／Ｏ口与ＲＳ一２３２的串 本设计拟定以分析２—５１次谐波为目的，每个周 行通信。ＲＳ一２３２电路模块图如图２所示。 期采样５１２个点，采样频率为２５．６ ｋＨｚ。ＦＩＲ数字滤 ＴＭＳ３２０ＶＣ３３ ＭＡＸ２０２ 波器的设计方法如下： ＩＮＴ２ ＸＦⅡ 巧 Ｒｌ０ｕｔ 、接发ＴＲ送收ｌ１ｏ｜ ｎ端 计ＲＳ－２３２ ●＿－ 算机 ①信号频率为５Ｏ Ｈｚ，谐波的测量范围为２～ ５１次： ＸＦ６ ｋＨｚ，即每个周期采样５１２点； １ ＴｌＩｎ 地 ②采样频率为 ＝２５．③截频率 ：２．５ ｋＨｚ，阻带频率 ＝１２．８ ｋＨｚ； 图２ ＲＳ一２３２电路模块图 ④采用对称型ＦＩＲ数字滤波器。 Ｆｉｇ．２ Ｔｈｅ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ＲＳ一２３２ ｍｏｄｕｌｅ 采用窗函数法时，需要对理想特性的傅里叶级数 ６２ ＰＲｏＣＥＳＳ ＡＵＴ０ＭＡＴＩＯＮ ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＡＴＩｏＮ ＶｏＬ ３１ Ｎｏ．１１ Ｎｏｖｅｍｂｅｒ ２０１０ 电能质量分析仪的研制 骆东松，等 进行截断来得到滤波器的计算系数。根据设计数据选 用Ｈａｍｍｉｎｇ窗，其低通滤波器的阻带最小衰减为５４ ｄＢ， 过渡带宽为△∞＝８￣ｒ／Ｎ，其中Ⅳ为窗口长度。根据谐波 分析的要求，保证２～５１次谐波频域平直特性，滤除２５６ 次以上的谐波成分，所以选定２。５～１２．８ ｋＨｚ作为过渡 带，滤波器的截止频率为２．５ ｋＨｚ。 ２．２加窗插值快速傅里叶变换算法 ＲＡＭ中的程序和数据将全部丢失，所以在脱离仿真器 的环境中，通常做法是事先将程序的可执行代码存入 片外的ＥＰＲＯＭ或Ｆｌａｓｈ中。ＤＳＰ芯片每次上电后自 动进行自举，也就是常说的ＢＯＯＴＬＯＡＤＥＲ。ＤＳＰ会通 过固化在片内（ＲＯＭ）的这段ＢＯＯＴＬＯＡＤＥＲ程序，将 片外的ＥＰＲＯＭ或Ｆｌａｓｈ中可执行代码通过某种方式 搬移到片内或片外的ＲＡＭ存储区，并自动执行。常 用的自举方式有并行自举和串行自举两种，其中并 谱分析是信号处理常用的方法，快速傅里叶变换 是离散傅里叶变换的一种快速算法 ，它使信号频谱 行自举方法又分为数据段传输法和两次下载法两 分析应用更加广泛。由于ＤＳＰ处理的数据是实数，而 ＦＦＴ运算是复数运算，如果不把实数据视为一个虚部 为零的复序列，就会增加运算量。本设计把电流电压 实数据中的一个作为复数的实部，一个作为复数的虚 部，计算完后再将其分离，这样可以减少一半的计算 量 。设计采用时间抽取Ｆｎ’方法，输入倒序，输出 顺序。计算程序包括两部分，第一部分为倒位序计算， 采用雷德（Ｒａｄｅｒ）算法；第二部分为递推计算，其具有 以下特点：每级有Ｎ／２个蝶型结，对于第ｍ级的Ｎ／２ 个蝶型结，共有２一。种蝶型运算，即有２，．－１个不同的系 数，分别为 ， ， ，…， ～，蝶型结两个节点的 结距为２一 ，运算步进值为２ 。 加窗插值快速傅里叶变换算法流程图如图４所 示。 电流电压组成复序列 ｌ Ｉ 对每一￣？ＦＦＴ ● ● 倒序排序 Ｉ ｌ找出各次谐波峰值两侧的值 ● ● 加窗运算 ｌ Ｉ 插值运算 ＋ ● 生成旋转因子 Ｉ ｌ 电流电压分离 图４快速傅里叶变换算法流程图 Ｆｉｇ．４ Ｆｌｏｗｃｈａｒｔ ｏｆ Ｆ 电网频率不是一成不变的，当以固定的采样频率 对电网信号进行采样而电网频率波动时，采样频率将 不能与输入信号同步，从而出现频谱泄漏。因此，为了 减少这种非同步误差，需要对ＦＦＴ进行改进 Ｊ。现有 的改进方法有很多，本文选用Ｈａｎｎｉｎｇ窗插值对ＦＦＴ 进行改进。Ｈａｎｎｉｎｇ窗插值计算量较少，同时可以通过 调节采样长度减少误差” 。 ２．３ ＴＭＳ３２０ＶＣ３３并行自举 现今高速ＤＳＰ的内存不再基于Ｆｌａｓｈ结构，而是 采用存取速度更快的ＲＡＭ结构。ＤＳＰ掉电后，其内部 《自动化仪表》第３ｌ卷第ｌｌ期２０１０年１１月 种。本设计采用数据段传输法，－其使用较为简单、灵 活、方便。 ３上位计算机软件 分析仪能以ＲＳ－２３２方式与上位计算机通信，将储 存在分析仪中的采样数据和分析后的数据传输到上位 计算机，并在上位计算机中显示出来；同时，它能实现 就地测量分析，也能实现远程监控。 上位计算机软件采用ＶＢ６．０和专业版的图形仪 表组件包做成。软件分为参数设置界面、分析结果图 形界面、分析结果表格界面和数据查询界面等界面，可 以实现通信波特率设置、数据图形化显示、数据表格化 显示和数据查询等功能。 ４结束语 本设计硬件上运用了ＴＭＳ３２０ＶＣ３３芯片和ＭＡＸ１２５ 高速Ａ／Ｄ转换芯片，采样速度和处理数据更快，能够 在一个基波周期内采样更多的点，提高了分析准度；软 件上用数字滤波器代替传统的模拟低通滤波器，并对 ＦＦＴ加以改进，进一步提高了数据分析准度。本分析 仪较好地满足了电力系统的应用要求。 参考文献 ［１］Ｍａｃｋ Ｇ Ｗ，Ｓｕｒｙａ Ｓ．Ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｒｍｏｎｉｃｓ［Ｊ］． ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ ＰｏｗｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＲｅｖｉｅｗ，２００１，２１（１１）：８— １１． ［２］周厚奎，张昱，金心宇．基于傅里叶和小波变换的电网谐波分析［Ｊ］． 电力系统及其自动化学报，２０ｏ５，１７（６）：６０—６２． ［３］郭森懋．数字信号处理器：体系结构、实现与应用［Ｍ］．北京：清 华大学出版社，２００５． ［４］胡广书．数字信号处理：理论、算法与实现［Ｍ］．北京：清华大学 出版社，１９９７． ［５］Ｄａｉｓｕｋｅ Ｔ．Ａｎ ｅｘｔｅｎｄｅｄ ｓｐｌｉｔ—ｒａｄｉｘ Ｆｂ－Ｔ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｌｅｔｔｅｒｓ，２００１，８（５）：１４５—１４７． 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