基于DSP的電網諧波檢測系統設計

摘要：本文以TMS320F2812數字信號處理芯片為硬件核心設計了電力諧波檢測系統的硬件電路，完成了系統的主要軟件設計，包括數據采集模塊，數字濾波模塊，數據處理模塊。

關鍵詞：諧波檢測 FFT DSP

目前，諧波已成為嚴重危害電力系統的問題之一。諧波檢測是諧波治理的一個重要分支，這在諧波控制中起著重要作用。因此，諧波的檢測是分析和控制的電力系統的一項重要的任務[1]。本文以FFT算法為理論基礎，以TMS320F2812為處理芯片，完成了一款電網諧波檢測系統的設計，文中對設計的軟硬件設計思路進行了詳細介紹，該對電網諧波治理項目具有現實意義。

1.FFT算法簡介[2]

快速傅里葉變換（FFT）的基本思想是利用復指數函數的周期

仍是偶數，可以進一步把每個點子序列再按其奇偶部分分部分解為兩個點的子序列。重復這個抽取過程，就可以使N點的DFT用一組2點的DFT來表示。如圖1所示的為一個N=8點的時間抽取FFT蝶形運算圖。

圖1 N=8按時間抽選FFT運算流圖

為了實現實時的FFT，需要的指令系統有著豐富的間接尋址方式，且最好能在一個指令周期內完成乘和累加的工作。TMS320F2812就是針對這些需求而設計的，并具有這樣的指令和運算能力。因此選用該款數字信號處理芯片為硬件核心來實現系統設計。

2.諧波檢測系統硬件設計

系統總體結構如圖所示：

圖2 系統結構圖

如圖2所示，電壓/電流傳感器、電壓/電流偏執電路共同組成了信號調理電路，其主要功能是將模擬信號經過放大、偏置等環節調至模數轉換部分輸入所要求的范圍。本設計采用的電壓互感器和電流互感器分別為SPT204A和SCT254FK的電壓互感器。互感器電路輸出的信號是峰值在10V左右的雙極性交流信號，而所采用DSP中的A/D要求其模擬輸入應該為0~3V單極性信號，因此還需要下面的偏置電路。

3.諧波檢測系統的軟件設計

3.1系統軟件的總體設計

系統總流程圖如圖3所示，主要包括數據采集模塊、數字濾波模塊和數據處理模塊。

圖3 系統總流程圖

3.2數據采集模塊

諧波分析共處理六路信號，采用序列采樣模式，使用了TMS320F2812的A/D模塊中A組的八個采樣通道，采用EVA中定時器2的周期中斷觸發A/D采樣，采樣頻率為l0240Hz。主頻為150MHz時，高速片上外設時鐘被分頻器2分頻后為75MHz，軟件設定A/D時鐘為3.75MHz。

3.3數字濾波模塊

由于模擬濾波一般相位線性度較差，故信號調理電路中的二級RC濾波電路只能進行粗略的一級濾波，濾除高于100倍基波的高次諧波，因此需要利用數字濾波器進行二級濾波，濾去61次以上的諧波[5]。常用的FIR數字濾波器的設計方法有窗函數法、頻率抽樣法和最優法等。窗函數法簡單、方便，是應用最廣泛的一種FIR濾波器的設計方法。[3]本文選擇了基于窗函數設計線性相位FIR濾波器。

3.4數據處理模塊

F2812可以硬件單指令周期實現32位*32位乘法，為了減少計算的舍入誤差，本文基于32位*32位乘法實現加窗和FFT運算[4]。FFT加窗插值計算諧波的步驟如下：(1)對輸入信號加窗處理；(2)執行N點FFT運算；(3)插值運算，求出諧波。

4.總結

諧波對電力系統的安全、經濟運行造成極大的影響，所以，對電網中的諧波含量進行準確測量，確切掌握電網中諧波的實際情況，對防止諧波危害，維護電網的安全運行是十分必要的。本文介紹的系統經實際運行檢驗，可以滿足電力系統的實際需求，對電網諧波治理工作具有積極的意義。

參考文獻:

[1]張直平.城市電網諧波手冊[M].北京：北京中國電力出版社，2001，12-65

[2]張伏生，耿中行，葛耀中.電力系統諧波分析的高精度FFT算法[J].中國電機工程學報，1999，19（3）63-66

[3]祁才君，陳隆道，王小海.應用插值FFT算法精確估計電網諧波參數[J].浙江大學學報（工學版），2003，37（l）112-116

[4]李紅偉.基于DSP的電力系統諧波檢測的研究[D].成都：西南交通大學，2005

[5]劉晰棋.基于TMS320F2812的數字采集和濾波的研究與實現[D].南京：南京理工大學，2007