便攜式電能質(zhì)量監(jiān)測儀設(shè)計與實現(xiàn)

劉 娟

（呂梁高級技工學(xué)校，山西 呂梁 033000）

引言

隨著工業(yè)智能化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，電力系統(tǒng)中大功率、非線性負(fù)載不斷增加，使得電網(wǎng)電壓、電流波形發(fā)生畸變；電力系統(tǒng)中沖擊性、波動性負(fù)荷逐漸增多，使得電網(wǎng)產(chǎn)生高次諧波，引起電壓波動/閃變以及三相電壓不平衡等諸多電能質(zhì)量問題。電網(wǎng)電能質(zhì)量被“污染”后，會增加線路電源損耗、浪費電網(wǎng)容量、降低設(shè)備利用率、縮短設(shè)備使用壽命[1-3]。因此，加強(qiáng)電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測具有重要意義。便攜式電能質(zhì)量監(jiān)測儀具有攜帶方便、使用靈活、用法簡單的特點，可根據(jù)被測用電負(fù)荷的具體工況選用不同的監(jiān)測功能，同時具備在線電能質(zhì)量監(jiān)測功能。在此基礎(chǔ)上，提出以TMS320 DSP為核心的嵌入式便攜式電能質(zhì)量監(jiān)測儀設(shè)計方案，解決特定工況下不能就地安裝電能質(zhì)量監(jiān)測裝置的問題，提升電網(wǎng)電能質(zhì)量。

1 系統(tǒng)設(shè)計

在滿足便攜式電能質(zhì)量監(jiān)測儀功能的前提下，以可靠性、經(jīng)濟(jì)性、簡單化為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計電能質(zhì)量監(jiān)測儀的系統(tǒng)方案，如圖1所示。以TMS320F28335 DSP為核心，擴(kuò)展同步信號捕獲電路、電壓/電流模擬信號采集電路，由內(nèi)部eCAP模塊、ADC模塊、SCI模塊完成信號采集、處理以及傳送[4-5]。該監(jiān)測儀采集電網(wǎng)電壓Ua、Ub、Uc以及電流Ia、Ib、Ic信號，經(jīng)電壓/電流互感器后將強(qiáng)電信號轉(zhuǎn)變?yōu)槿蹼娦盘柡筝斎胫列盘栒{(diào)理電路。信號調(diào)理電路對弱電信號機(jī)行幅值調(diào)理，達(dá)到DSP芯片對輸入信號的幅值要求。經(jīng)過低通濾波器，過濾掉信號中的高次諧波，由ADCINA、ADCINB模塊進(jìn)行處理。同時eCAP模塊對捕獲到的電壓/電流信號頻率進(jìn)行處理。TMS320F28335 DSP完成電壓/電流信號計算、判斷、處理后將SCI模塊將計算結(jié)果傳送至系統(tǒng)監(jiān)測平臺。

2 硬件設(shè)計

便攜式電能質(zhì)量監(jiān)測儀硬件設(shè)計主要包括TMS320F28335 DSP最小系統(tǒng)設(shè)計（電源電路、復(fù)位電路、時鐘電路、JTAG電路等）、同步信號捕獲前端電路設(shè)計、模擬電量采集前端電路設(shè)計、外部通信接口單元設(shè)計等。重點分析模擬電流、電壓采集電路詳細(xì)設(shè)計過程。

2.1 模擬電流采集電路設(shè)計

模擬電流采集電路硬件設(shè)計原理如圖2所示，為自舉式同相交流放大電路，核心為兩個放大器。經(jīng)電流互感器傳遞的二次側(cè)電流為弱電流，驅(qū)動負(fù)載能力弱，電流信號傳遞受阻。為增強(qiáng)電流信號的傳輸特性并完成電流相位統(tǒng)一，需對采集的電流信號進(jìn)行放大處理。圖2中的電阻R4為自舉電阻，靜態(tài)時R4電阻兩端的電流為0，兩端電壓相等[6-7]。該模擬電流采集電路對電流互感器二次側(cè)電流信號進(jìn)行調(diào)理后，輸出端的輸出電壓滿足要求。

2.2 模擬電壓采集電路設(shè)計

模擬電壓次集電路硬件設(shè)計原理如下頁圖3所示，由分壓電路、偏置電路、運(yùn)算放大電路、二階濾波電路、電壓跟隨電路組成。接收到電壓互感器二次側(cè)電壓信號后，經(jīng)分壓并將該電壓信號偏置為大于0的電壓量，并放大調(diào)理至0~3 V，過濾高次諧波，最后由電壓跟隨電路提高該電壓信號的負(fù)載能力。該模擬電壓采集電路對電壓互感器二次側(cè)電壓信號進(jìn)行條例后，輸出端的輸出電壓滿足要求。

3 軟件設(shè)計

3.1 軟件總體設(shè)計

便攜式電能質(zhì)量監(jiān)測儀軟件設(shè)計基于TI公司的CCS6.0軟件開發(fā)平臺實現(xiàn)。該開發(fā)平臺支持匯編、C++或者C代碼，支持調(diào)試編譯等功能。將編寫好的程序下載至TMS320F28335 DSP時用XDS100V3仿真器，節(jié)省開發(fā)時間和開發(fā)工作量[8-9]。在設(shè)計便攜式電能質(zhì)量監(jiān)測儀軟件時，根據(jù)功能要求采用模塊化設(shè)計理念，分為系統(tǒng)主程序模塊、測頻程序模塊、模擬電量采集與分析模塊、外部通信程序模塊四部分。

3.2 電壓、電流模擬量處理流程

設(shè)置TMS320F28335 DSP中的使能寄存器選定模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC單元的工作模式為級聯(lián)并發(fā)采樣，最大轉(zhuǎn)換通道值為6，依次對輸入電壓信號Ua、Ub、Uc以及輸入電流信號Ia、Ib、Ic信號進(jìn)行采樣與轉(zhuǎn)換，精度可達(dá)10.5級，采樣頻率為0~12.5 MHz，采樣周期為80 ns[10]。輸入電壓、電流信號模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)束后，程序轉(zhuǎn)入中斷處理函數(shù)，完成數(shù)據(jù)計算處理；然后返回主函數(shù)完成電量計算與分析，詳細(xì)流程見圖4所示。

4 系統(tǒng)測試

根據(jù)便攜式電能質(zhì)量監(jiān)測儀硬件、軟件設(shè)計方案，制作同步信號捕獲前端電路、模擬電量采集前端電路、編寫主程序模塊、測頻程序模塊、模擬電量采集與分析模塊、外部通信程序模塊程序并完成軟硬件調(diào)試和試驗數(shù)據(jù)記錄，重點分析模擬電壓、模擬電流信號采集電路輸入與輸出量之間的關(guān)系并驗證該功能是否滿足TMS320F28335 DSP所需輸入電量要求。

4.1 電壓測試

以Ua電壓為例，記錄分別記錄電壓互感器一次側(cè)電壓有效值、電壓互感器二次側(cè)電壓有效值以及監(jiān)測儀計算的電壓有效值，選取30組試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并得到如圖5、圖6所示關(guān)系圖，基本為線性比例關(guān)系。電壓互感器一次側(cè)電壓有效值與二次側(cè)電壓有效值的比例系數(shù)約為25；電壓互感器二次側(cè)電壓有效值與TMS320F28335 DSP計算的電壓原始有效值比例系數(shù)約為12.5。

4.2 電流測試

以Ia電流為例，試驗、分析并記錄電流互感器一次側(cè)、二次側(cè)電流有效值以及監(jiān)測儀計算的電流有效值，選取30組試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并得到下頁圖7、圖8所示關(guān)系圖，基本為線性比例關(guān)系。根據(jù)圖7、圖8可近似計算橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)比例系數(shù)分別為1 066、0.007 8。圖5~下頁圖8驗證了設(shè)計的模擬電壓、電流采樣電路的線性特性，證明了所設(shè)計方案的強(qiáng)抗干擾性和正確性，保證了數(shù)據(jù)傳輸不失真。

5 結(jié)語

以便攜式電能質(zhì)量監(jiān)測儀為研究對象，重點分析了系統(tǒng)硬件、軟件以及測試方案，并完成以下工作：

1）以TMS320F28335 DSP芯片為核心，設(shè)計了便攜式電能質(zhì)量監(jiān)測儀系統(tǒng)方案，增加電壓、電流同步信號捕獲電路，增強(qiáng)模擬量處理能力；

2）完成三相電壓/電流模擬量輸入信號的硬件、軟件處理方案；

3）完成系統(tǒng)電壓、電流測試，驗證了設(shè)計的便攜式電能質(zhì)量監(jiān)測儀的正確性，具備推廣應(yīng)用條件。