電能自動檢測系統(tǒng)的研制

劉藝智　何文昭

摘 要 本文提出一種電能自動檢測系統(tǒng)的設(shè)計，使用DSP為控制核心，實現(xiàn)對三相電壓、三相電流的基本測量，利用DSP的信號處理能力，使用FFT求解電網(wǎng)基波與諧波及其功率值，并通過RS232串口將數(shù)據(jù)實時上傳至計算機。本文研制的系統(tǒng)經(jīng)過多次試驗，能夠?qū)﹄娋W(wǎng)電能檢測與監(jiān)控，實測數(shù)據(jù)可以存儲，便于進一步的分析處理，為電力系統(tǒng)安全運行提供長期數(shù)據(jù)支持。

關(guān)鍵詞 電能；自動檢測；DSP

中圖分類號：TM734 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）24-0008-02

良好的電能是電力設(shè)備正常運行的保障。電力電子交流裝置與非線性設(shè)備的大量使用會對電網(wǎng)電能造成不可避免的電壓電流的畸變。直接導(dǎo)致的后果如同雷電波沖擊與電容器投切產(chǎn)生諧振一樣，使得繼電器裝置因諧波產(chǎn)生誤操作造成大面積停電從而導(dǎo)致經(jīng)濟損失，也會直接對電氣設(shè)備造成損壞。因此，保證良好的電能質(zhì)量，改善電能質(zhì)量對電網(wǎng)的安全運行與國民經(jīng)濟總體效益都有著重要的現(xiàn)實意義。此外，電能自動檢測技術(shù)也是測試技術(shù)的發(fā)展的重要分支。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1）系統(tǒng)實現(xiàn)功能。

本文使用DSP芯片完成對三相電壓、電流及功率的測量與計算機之間的通信。具體實現(xiàn)功能如下。

①對電網(wǎng)的電壓、電流波形實時采集。

②使用DSP中的FFT算法實現(xiàn)對波形的諧波分析，計算

功率。

③使用RS232串口，實時上傳數(shù)據(jù)，并通過串口，檢測平臺能夠?qū)﹄娔茏詣訖z測系統(tǒng)的測試狀態(tài)進行控制。

2）系統(tǒng)總體方案設(shè)計。

本文設(shè)計的電能自動檢測系統(tǒng)分為AD采集、DSP信號處理與數(shù)據(jù)上傳三個部分。電網(wǎng)電壓與電流分別通過電壓互感器與電流互感器接在各自的信號調(diào)理電路中，DSP通過對ADC芯片的時序控制完成對電壓、電流的采樣。采集的電壓電流信號經(jīng)過信號處理好，通過RS232串口實時上傳至計算機中。其總體方案設(shè)計框圖如圖1所示。本系統(tǒng)的主處理芯片采用TI公司的TMS320LF2407A。

圖1 系統(tǒng)總體方案框圖

2 電能參數(shù)測量與計算方法

1）頻率及相位差的測量。

頻率的測量可以通過FFT變換計算得到，即用2次信號的基波相位差與時間比得到。

對于信號，假定參考頻率為，信號的實際頻率為，對于某一基波而言有：

若設(shè)，則有：，即。而可以用兩次測量初相位角與與時間差比值求出，

即。因考慮使用FFT變換存在一定誤差，可以使用多次測量求平均的方法[3]。

使用過零法測量相位差。如圖2所示，A相電壓，A相電流，電流滯后于電壓。當(dāng)信號與零點比較器相比，當(dāng)信號高于零點時，輸出信號為高電平，當(dāng)信號低于零點時信號被置于低電平。這樣可以比較另個波形中相互出現(xiàn)信號上升沿或下降沿判斷之間的時間差。假設(shè)沿邊時間差為，而一個周期的總計數(shù)時間為n，這相位差為：

圖2 過零檢測法測量相位差

2）A/D信號采樣時序分析與設(shè)計。

因為電力系統(tǒng)的電壓與電流信號是工頻信號在50Hz左右，考慮高次諧波會數(shù)倍于工頻信號，根據(jù)奈奎斯采樣定律選擇采樣率應(yīng)高于1000Hz。因需要對三相電壓，電流進行采樣，因此采樣通道為6。這里使用DSP內(nèi)部ADC進行采樣。DSP芯片TMS320LF2407A自帶采樣精度為10位，16通道，最大采樣率為2MH中的ADC?？蓡为氃L問的16個結(jié)果寄存器（RESULT0～ RESULT15）用來存儲轉(zhuǎn)換結(jié)果[4]，采樣/保持獲取事件窗口有獨立的預(yù)計標(biāo)控制。

本系統(tǒng)中A/D的采樣啟動與停止采用中斷方式觸發(fā)，保證了各通道采樣率的一致性。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對于采集到的數(shù)據(jù)先進行FIFO緩存，然后進行分析計算。與一般的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計不同，本系統(tǒng)中DSP與A/D器件沒有用硬件FIFO，而使用軟件方法在數(shù)據(jù)區(qū)開辟6個512自己的存儲區(qū)域，來完成對采集數(shù)據(jù)的緩存。

3）基于FFT的電力諧波計算。

電力系統(tǒng)的諧波計算是通過對周期畸變非正弦波信號進行快速傅立葉變換求解基波與各次諧波的幅值與相位。

因為電網(wǎng)中任意一相的電壓電流信號都是周期信號，假設(shè)A相電壓信號為：

其中，為A相基波，為A相第k次諧波，為初始相位角，它們與傅立葉變換系數(shù)，存在：

，，

設(shè)諧波最高次數(shù)為M，取傅立葉變換階數(shù)為N，其關(guān)系為：。根據(jù)傅立葉變換得到傅立葉變換系數(shù)：

使用頻率抽樣法進行FFT運算，將N點按奇偶分解，，則N點DFT表示為：

由于與的周期只有N/2，根據(jù)旋轉(zhuǎn)因子

有：

快速傅立葉變換（FFT）是數(shù)據(jù)處理的核心算法，其FFT算法流程如圖3所示。系統(tǒng)初始化后定義FFT階數(shù)N和級數(shù)M，并初始化寄存器變量循環(huán)標(biāo)準(zhǔn)，計算M級旋轉(zhuǎn)因子，通過蝶形運算求解FFT。

圖3 FFT算法程序流程圖

3 總結(jié)

本文設(shè)計的電能自動檢測系統(tǒng)實現(xiàn)對三相電壓電流，諧波、基波功率的計算。使用DSP芯片TMS320LF2407A的內(nèi)部ADC完成對電壓電流波形采樣，并通過DSP實現(xiàn)FFT運算基波與各次諧波的幅值與相位。

作者簡介

劉藝智（1989-），男，助理工程師，大學(xué)本科，國網(wǎng)寧夏電力公司檢修公司，從事變電運維工作。

何文昭（1989-），女，助理工程師，大學(xué)本科，國網(wǎng)寧夏電力公司銀川供電公司，從事變電檢修工作。endprint