電力諧波分析與計量

摘 要：諧波具有固有的非線性、隨機性、非平穩性和影響因素的復雜性等特征，運用傅里葉變換的方法實現諧波測量，其測量精度高、使用方便。為了確保信號頻率和采樣頻率一致，硬件上采用AD73360模/數轉換器芯片采樣數據，使每個通道均同步采樣以確保通道之間不存在相位延遲，AD73360與TMS320VC5416相結合實現了對多路電壓、電流信號的實時采集與數據處理。

關鍵詞：傅里葉變換；諧波測量； AD73360；TMS320VC5416

中圖分類號：TP216+.4 文獻標識碼：B 文章編號：1004373X(2008)1516003

Analysis and Computation of Electric Power Harmonics

LI Hu，ZHENG Zhengqi，JIANG Chuanji

(East China Normal University，Shanghai，200241，China)

Abstract：Harmonic is nonlinear，random，non-stationary，and the impact of factors is complex.The method of FFT is used to measure and analyze harmonics usually，it is high precision and easy to use.In order to keep the frequency and sampling frequency in accord ，AD73360 ADC chip is used to capture the data，which makes each channel sample synchronously.AD73360 combining with TMS320VC5416 can capture voltage and current signals on real-time and process them.

Keywords：FFT；harmonics measurement；AD73360；TMS320VC5416

1 引 言

諧波測量是諧波問題中的一個重要分支，也是研究諧波問題的出發點和主要依據。但是諧波具有固有的非線性、隨機性、非平穩性和影響因素的復雜性等特征，因此難以對諧波進行準確測量。

基于傅里葉變換的諧波測量是當今應用最多也是最廣泛的一種方法，它由離散傅里葉變換過渡到快速傅里葉變換的基本原理構成，使用此方法測量諧波精度較高、使用方便。其缺點是在采樣過程中，當信號頻率和采樣頻率不一致時:LT0Ts=Lfsf0=NT0為信號周期、Ts為采樣周期、fs為采樣頻率、L為正整數、f0為信號頻率即當上式不成立時，使用該方法會產生頻譜泄漏效應和柵欄效應，使計算出的信號參數(即頻率、幅值和相位)不準確，尤其是相位的誤差很大，無法滿足測量精度的要求，而且需要一定時間的電流值，且需進行2次變換，計算量大，計算時間長，從而使得檢測時間較長，檢測結果實時性較差。

因此在電力監控器中，進行同步采樣是準確測量實時信號的關鍵，因為在電力系統中，除了要檢測每相電壓、電流值，還要檢測彼此之間的相位，這就要求對幾路信號進行同時采樣。

AD73360是一個具有六通道模擬輸入的AD轉換芯片，每個通道均采取同步采樣以確保通道之間不存在時間延遲，因此不用考慮相位的延遲，特別適合于三相制電力運行參數測控類應用(三個相電壓和三個相電流同時采樣)系統。

2 電路設計

與并行接口相比，采用串行接口的硬件連接線大為減少，這樣不僅可以減少印制電路板的面積，還可以減少電磁干擾，從而有利于系統更加穩定。AD73360和TMS320VC5416接口極其方便，兩者都支持工業標準的六線同步串行接口，圖1是該接口的邏輯電路原理圖。

圖1 AD73360與TMS320VC5416接口電路設計其中AD73360的引腳中SCLK為串行時鐘輸入端，MCLK為主時鐘輸入，它由外部時鐘驅動，SDI是串行數據輸入，控制信息可從此腳輸入并在SCLK的負邊沿與時鐘同步。SDO是串行數據輸出，采樣數據可從此腳輸出并在SCLK的正邊沿與時鐘同步。SDOFS是SDO串行傳輸的幀信號輸出，SDIFS是SDI的串行傳輸的幀信號輸入。幀同步信號都是具有一位寬，在每個輸入字的第一位(MSB)前一個SCLK周期有效，所不同的是，SDOFS在SCLK的正邊沿為基準，SDIFS在SCLK的負邊沿被采樣。

為了防止由于輸入被測信號頻率偏移而造成的諧波偏離，本系統采用了一個同步鎖定電路來確保MCLK 鎖定在輸入信號頻率的整數倍上，如圖2所示。

圖2 MCLK同步產生電路按照圖1連好線以后，在系統默認的狀態下，各時鐘頻率如表1所示。

表1 系統默認的狀態下的時鐘頻率

MCLKDMCLKSCLK采樣速率fsSDIFS/SDOFS13.107 2 MHzMCLK/1=

13.107 2 MHzDMCLK/8=

1.638 4 MHzDMCLK/2 048

=6.4 kHzDMCLK/2 048

=6.4 kHz

3 AD初始化

DSP的片上外設McBSP與外設的數據交換通過DX引腳發送和RX引腳接收。通信由CLKX、CLKR、FSX、以及FSR引腳控制。McBSP初始化完成后就可以通過它對AD73360進行初始化。AD73360首先進人程序方式并向AD73360寫控制字，然后再切換到數據方式，在AD73360讀數據后，系統將不再切換回程序方式。

AD73360內部共有8個控制寄存器，分別是CRA-CRH，AD73360同步串行接口能夠識別長度為16位的來自DSP的控制字，8個寄存器分別設置為0x8101，0x8241，0x8388，0x8488，0x8588，0x8600，0x8700。發送完后檢查接收緩存區，接收到的數據應為：0x0000，0xB901，0xBA41，0xBB88，0xBC88，0xBD88，0xBE00，

0xBF00。

然后再依次寫入0x8001，0x7FFF，AD73360就可以進入數據狀態了。這時應特別注意數據采樣頻率fs和SDIFS/SDOFS頻率之間必須滿足下列關系：SDIFS/SDOFS≥fs×6 表2為控制字設置后的各時鐘頻率。

AD73360在程序狀態時控制字寫入時序圖如圖3所示。

表2 控制字設置后的時鐘頻率

MCLKDMCLKSCLK采樣速率fsSDIFS/SDOFS13.107 2 MHzMCLK/1=

13.107 2 MHzDMCLK/8=

1.638 4 MHzDMCLK/1 024

=12.8 kHzSCLK/(16+1)

=96.376 4 kHz

圖3 程序狀態時控制字寫入時序圖 AD73360進入數據狀態時的6路采樣數據輸出時序圖如圖4所示。

圖4 數據狀態采樣時序圖

4 數據接收及誤差分析

數據接收可以采用3種方式：查詢方式、中斷方式、DMA方式。查詢方式簡單但占用了所有CPU資源；中斷方式：每當緩沖串口接收一個16 b樣本的數據，觸發一次串口接收中斷，將數據轉移到一個256word的數據接收緩沖區并計數。當計數達到256個，即緩沖區滿時，將256個數據轉移到數據處理存儲區，并通知主程序進行處理；DMA方式：使用一個通道自動接收McBSP傳來的數據并存入接收緩沖區，當緩沖區滿時觸發DMA中斷，將256個數據傳送到數據處理存儲區，傳送完畢觸發通知主程序進行處理。

由上比較可見，每接收一批樣本，用中斷方式將觸發256次中斷，也就是主程序被打斷256次去接收數據。而用DMA方式，只在全部256個樣本全部接收完畢時發生一次中斷。DMA的優勢是把CPU解放出來做其他的事，所以采用了DMA方式接收的方式。

把接收數據放入指定的緩存區中，在CCS中觀察50 Hz正弦波采樣結果如圖5所示。

圖5 AD73360采樣數據把采樣數據做256點FFT，其結果如圖6所示，圖中采樣頻率為12.8 kHz，做的是256點的FFT，顯示的是從基波到128次諧波的幅度值。由圖6可知，只存在第一點和與之對稱的最后一點的50 Hz幅度，高次諧波的幅度為零。

圖6 256點FFT結果圖為了驗證系統的誤差，把輸入信號變為50 Hz方波，把采樣數據做256點FFT，圖7為前31次諧波功率的理論值與所測值的對比圖。由圖7可知，實際所測值與理論值存在較小的誤差，這是因為系統在采集數據時存在量化噪聲和地線的干擾，使得采樣數據存在誤差。

圖7 諧波功率的理論值與所測值的對比圖

5 結 語

電力諧波計量的整個系統包括采樣前置模塊、A/D轉換模塊、DSP數據處理模塊、譯碼電路模塊(CPLD模塊)、上位單片機控制模塊等。整個過程是信號從前置電路整理后，經A/D轉換，由DSP的MCBSP口讀入，再將數據存儲至內存SARAM區，并按指定規律存放，TMS320VC5416進行FFT運算，將數據計算處理，然后通過SPI口送往單片機。

本系統軟件部分主要采用C語言，它開發的DSP程序具有可讀性強、移植性能好、開發效率高等優點。該程序經調試，可成功實現AD73360和DSP數據處理芯片之間的數據互傳，以及準確計量交流電流/電壓值、有功/無功功率、視在功率、功率因數頻率以及四象限電量等電力系統全部參量。

參 考 文 獻

［1］AD公司.AD73360 Data Sheet\\.1999.

［2］TI公司.TMS320C54X DSP Reference Set Vohme5:Enhanced Peripherals\\.2001.

［3］TI公司.TMS320C5XX C Source Debugger User's Guide\\.2001.

［4］張勇.C/C++硬件程序設計［M］.西安:西安電子科技大學出版社，2003.

［5］盛惠興，芮雄麗.AD73360與TMS320F206的接口設計［J］.微計算機信息，2003，19(6):60-61.

作者簡介 李 虎 男，1985年出生，華東師范大學碩士研究生。主要從事嵌入式與自動控制技術方向的研究。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文