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摘要：本文將論述一個(gè)基于DSP 的電力系統(tǒng)電力參數(shù)的檢測與計(jì)算的設(shè)計(jì)。電力參數(shù)準(zhǔn)確、快速測量對于實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)調(diào)度自動化、保證電網(wǎng)安全與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有十分重要的意義。本設(shè)計(jì)將得到日益廣泛應(yīng)用的數(shù)字信號處理芯片與精確的傅立葉變換運(yùn)算這兩種先進(jìn)的軟硬件技術(shù)有效地結(jié)合起來，設(shè)計(jì)了一種基于DSP 的多功能電力參數(shù)測量儀。

　　The Parameters Detection and Calculation of The PowerSystem

　　Ye Bing, Ding Lei, Li ChengDong

　　(School of Information and Enectrical Engineering,CUMT,JiangSu XuZhou 221008)

　　Abstract: This article discusses the parameters detection and calculation of a power system based onDSP. Accurate powerparameters, rapid measurement for the realization of Automatical dispatching arevery important to ensure the security and economic operation of power grids. The article combinesdigital signal processor that is increasingly widelyused with the exact Fourier transformeffectively ,they are advanced computing hardware and software technology. And designs amulti-function parameter measurement of power based on DSP.

　　Keywords: Digital Signal Processing, Alternate Sampling,Fourier Transformation

　　因此，在供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，對諧波、負(fù)荷電流水平和功率因數(shù)等電網(wǎng)參數(shù)進(jìn)行合理的估算，并采取相應(yīng)的措施(如加設(shè)濾波和無功補(bǔ)償裝置)是非常必要的。隨著微處理器技術(shù)的快速發(fā)展、工業(yè)生產(chǎn)自動化程度的不斷提高，為本系統(tǒng)的成功研制提供了前提條件。設(shè)計(jì)的研制主要針對國內(nèi)電力系統(tǒng)供配電的實(shí)際情況，通過基于DSP 的傅里葉變換算法[2]，采用交流采樣技術(shù)實(shí)現(xiàn)多種電力參數(shù)的在線實(shí)時(shí)測量，為電網(wǎng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供可靠保證。同時(shí)借鑒國內(nèi)外研制同類裝置的經(jīng)驗(yàn)，研制和開發(fā)一種實(shí)用高效的電力參數(shù)測試儀，以適應(yīng)電力系統(tǒng)自動化發(fā)展的需要。在實(shí)際繼電保護(hù)系統(tǒng)的測量參數(shù)中，我們要考慮的問題很多，測量內(nèi)容也很多。本文設(shè)計(jì)主要針對線路保護(hù)中的三相電壓、電流、功率、功率因素、頻率、諧波等電力參數(shù)進(jìn)行檢測及計(jì)算。

　　1 電力參數(shù)的交流采樣算法及軟件實(shí)現(xiàn)方法

　　1.1 傅立葉算法

　　縱觀國內(nèi)外電力系統(tǒng)參數(shù)的采樣與檢測，目前對電力系統(tǒng)參數(shù)的主要采樣方法有兩種：直接采樣點(diǎn)算法，快速傅立葉變換算法[3](FFT)，本文主要利用快速傅立葉變換算法，對于直接采樣點(diǎn)算法不予詳細(xì)介紹。傅氏算法的基本思想源于傅里葉級數(shù)。該算法假設(shè)輸人信號為周期性函數(shù)信號，即輸入信號中除基頻分量外，還包含直流分量和各種整次諧波分量。此時(shí)，輸入信號可表示為：

　　式(1-4)即為傅氏算法。由于該算法的數(shù)據(jù)窗寬度為一個(gè)基頻周期，故也稱為全周傅氏算法。根據(jù)三角函數(shù)的正交性，當(dāng)輸入信號為周期性信號時(shí)，采用傅氏算法可準(zhǔn)確地求出信號中的某次諧波分量，并保證其他整次諧波分量及恒定直流分量衰減到零。

　　1.2 傅里葉算法的應(yīng)用

　　傅里葉算法假設(shè)輸入信號為一周期性信號，根據(jù)傅里葉級數(shù)可知，交流電壓(電流)輸入信號可表示為:

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 系統(tǒng)總體框圖

　　可編程 DSP 芯片是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的微處理器，為了達(dá)到快速進(jìn)行數(shù)字信號處理的目的，DSP 芯片一般都具有程序和數(shù)據(jù)分開的總線結(jié)構(gòu)、流水線操作功能、單周期完成乘法的硬件乘法器以及一套適合數(shù)字信號處理的指令集。電力參數(shù)實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)以TMS320F2812[4] DSP 為核心，主要由電源電路、濾波放大電路、電壓電流互感器、采樣保持器電路、多路數(shù)據(jù)同時(shí)采樣電路、A/D 轉(zhuǎn)換電路、時(shí)鐘電路、大容量存儲電路等部件組成。系統(tǒng)總體框圖如圖3-1 所示。

　　電力參數(shù)實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)的具體工作原理如下：該系統(tǒng)同時(shí)采集6 路信號，即三相電壓、電流。用電壓、電流互感器來采樣三相電壓、電流信號;經(jīng)過濾波放大電路把采樣到的電壓、電流信號送到多路數(shù)據(jù)同步采樣電路中進(jìn)行同步模數(shù)轉(zhuǎn)換;將轉(zhuǎn)換后的電壓和電流的數(shù)字信號送到DSP 處理器;經(jīng)過復(fù)序列FFT 算法程序計(jì)算，得到所需要的電力參數(shù);最后將這些數(shù)據(jù)接口存入存儲器并且通過RS232 接口電路送給上位機(jī)實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話。

　　2.2 采樣脈沖的產(chǎn)生

　　電力系統(tǒng)中的電壓、電流信號是一種包含有多次諧波分量且基頻會發(fā)生漂移的周期信號。對此種信號的采樣進(jìn)行分析和處理的一個(gè)主要誤差來源是采樣頻率和信號基頻不同步時(shí)產(chǎn)生的泄漏誤差。一般硬件方法是盡可能提高定時(shí)器的分辨率。軟件方法是采用插值或排序等算法。這些方法只是減少了誤差，不能從根本上消除誤差，并且增加了系統(tǒng)硬件成本和軟件工作量。本系統(tǒng)中采用以數(shù)字鎖相環(huán)為核心的采樣脈沖產(chǎn)生器，硬件成本很低，并且大大減小了軟件工作量，最重要的是它從根本上消除了由于不同步帶來的誤差。如圖3-2 所示，將待測信號經(jīng)過過零比較器，得到一個(gè)方波。設(shè)信號頻率為f ;反饋頻率為f f ，輸出信號的頻率為o f 。根據(jù)閉環(huán)控制理論f f = i f ，由于要在一個(gè)基頻周期內(nèi)采樣128 點(diǎn)，所以采樣信號的頻率要是基頻的128 倍，需要128 倍頻，通過分頻器選擇分頻比，使f f =(1/128) o f ，從而得到fo =128 fi。所以采樣信號周期T=156.25μ s (設(shè)基頻為50Hz)。

　　2.3 A/D 轉(zhuǎn)換電路

　　本系統(tǒng)中采用MAX147 作為A/D 轉(zhuǎn)換器。MAX147 是一種具有8 個(gè)單端輸入通道或4個(gè)差動輸入通道的12 位精度的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。輸入電壓范圍：0～2.5V(或-1.25V～+1.25V)，可軟件配置單/雙極輸入。采樣頻率可133kHz。采用單電源供電，工作電壓范圍+2.7～+5.25V。它的功耗低：在3V/133kps 時(shí)其電源電流為1.2mA,在3V/133kps 時(shí)其電源電流為54μA，而在掉電模式時(shí)僅為1μA。它的通信接口與SPI/QSPI/Microwire/TMS320 兼容。