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1、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16717597（2010）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
2、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
3、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。PC通信模块采集模块1采集模块2采集模块N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
4、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次谐波电压幅值与其基波电压幅值的百分比 电流畸变波形的第k次谐波电流含有率等于其第k次谐波电流幅值与其基波电流幅值的百分比 4.2、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： 电流的总谐波畸变率： 4.3、谐波检测的方
5、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
6、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TMS320LF2407
7、 DSP 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ADS8364 16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
8、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TMS320LF2407 DSP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TMS320C2xx DSP 的CPU核，保证了TMS320LF240x 系列DSP 代码和TMS320 系列DSP
9、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
10、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）CAN 2.0 B 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
11、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。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
12、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
13、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。图6.2 ADS8364接口电路图图6.3 TMS320LF2407接口电路图该模式下数据的读取顺序为：在对ADS8364复位后读取的第一个数据位通道A0的转换结果，第二次读取的数据A1通道的转换结果，接下来顺序读取的结果为B0、B1、C0、C1、A0、A1.由于ADS8364的片选线CS是同LF2407的I/O空间选择线IS相连，因此对A/D转换结果的读取只需要保证其地址不会同其它占用I/O空间地址的外设的地址冲突即可。ADS8
14、364的3个保持信号（HOLDA，HOLDB，HOLDC)同时同TMS320LF2407的PWM1相连，PWM1输出的脉冲频率为采样频率，因此每次同时启动6个通道的A/D转换。HOLDX是有源低电平取样触发器。当3条HOLD线均为低电平时6个模拟输入同时被采样，并在下一个时钟的上升沿转换过程开始，然后在20时钟周期后转换过程结束。当转换结束后，EOC引脚保持1/2时钟周期的低电平，因此将EOC引脚同TMS320LF2407的外部中断输入引脚相连，由此来触发中断以实时读取6个通道的A/D转换结果。7.3、电源电路设计电源电路为整个系统的所有芯片提供电源管理。电源电路不仅要满足各个功能模块所使用芯
15、片的电平要求，还应当有足够的功率驱动该系统上所有的芯片组。本系统采用多电源控制系统。其中5V电源供电GAL、MAX232等COMS型功能辅助芯片。由于LF2407芯片的供电电压只能是3.3V，所以设计时，还需要将5V电源变换为3.3V给CPU供电，因此使用了TPS7333元件作为5V/3.3V的转换芯片。电源的功率要求是：5V、750mA。如果需要扩展其他模块，则要求更高电流的电源。图6.4是芯片TPS7333的电路连接。另外，为满足数据预处理部分中运算放大器双电源的供电要求，需要提供-5V电源。而液晶模块因为选用的是具负压显示功能液晶，需提供-10V的显示驱动电压。因此该电路板采用的是四路供电电源模块，整个电源模块用多路开关与主电路隔离。为了提高系统的稳定性和抗干扰性，一般在信号地和电源地之间使用磁珠，电源输出点也通常使用磁珠。图6.4 电源电路7.4、TMS320LF2407存储器扩展接口设计
