基于DSP的電網(wǎng)諧波檢測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

王迪 汪自強 李鑫

【摘要】隨著我國經(jīng)濟與社會的快速發(fā)展，電力工業(yè)的日益壯大，電力系統(tǒng)諧波已經(jīng)成為電力領(lǐng)域日益重要的研究課題。諧波檢測是解決其他諧波相關(guān)問題的基礎(chǔ)和重要依據(jù)，因此進行諧波檢測的研究具有重要的理論和實踐意義。本設(shè)計以基2-FFT算法為基礎(chǔ)，在以DSP芯片（TMS320F28335）為核心的控制器上實現(xiàn)256點FFT運算。系統(tǒng)硬件部分主要由電源轉(zhuǎn)換電路、信號轉(zhuǎn)換與調(diào)理電路、DSP控制器模塊與液晶顯示組成，實現(xiàn)對電網(wǎng)諧波的測量與顯示。

【關(guān)鍵詞】電網(wǎng)諧波;基2-FFT;DSP

Abstract：With the rapid development of our economy and society and the fast growing of electric power industry，the harmonic of power system has become a research subject of electric field which is becoming more and more important in our life.Harmonic detection is the foundation and the important basis to solve the problem of harmonic related to others，so the research on harmonic detection is of great theoretical and practical significance.This design core algorithm is based on 2 FFT principle，using the DSP chip （TMS320F28335） as the controller to realize the 256 point FFT arithmetic.System hardware is mainly composed of power conversion circuit，signal transformation and conditioning circuit，DSP core controller and LCD，realize the power grid harmonic measurement and display.

Key Words：power grid harmonic;based on 2-FFT;DSP

引言

當今社會隨著科學技術(shù)的突飛猛進，各行各業(yè)對高質(zhì)量電力的需求不斷增加。各式各樣的電氣設(shè)備投入到電網(wǎng)中，產(chǎn)生了大量對電器設(shè)備造成損害的諧波，因此對電網(wǎng)諧波的抑制刻不容緩。而對電網(wǎng)諧波的測量恰恰是諧波抑制的首要任務(wù)，是諧波抑制的前提和依據(jù)。

1.系統(tǒng)硬件設(shè)計

如圖1所示，本系統(tǒng)的硬件以DSP芯片TMS320F28335作為核心控制器，輔以電源電路、信號調(diào)理電路及同步采樣電路，能夠?qū)崿F(xiàn)對電網(wǎng)電壓信號向0～3V采樣信號的轉(zhuǎn)換并且提供AD同步采樣的觸發(fā)信號。DSP芯片將采樣到的信號進行FFT運算并顯示在LCD上，能夠直觀地體現(xiàn)信號的頻域信息（即電網(wǎng)的諧波信息）。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

1.1 信號調(diào)理電路

信號調(diào)理電路主要包含電壓跟隨器、加法電路電路和反相電路。如圖2所示，信號調(diào)理電路先將220V交流電經(jīng)變壓器降壓，使得signal_0的峰峰值在3V內(nèi)（-1.5V～+1.5V），此信號進入電壓跟隨器后再與1.5V基準相加，使signal_1信號的電壓范圍在0～3V內(nèi)。

圖2 信號調(diào)理電路

1.2 抗混疊濾波電路

在將同步采樣信號進行FFT運算時，為了防止頻譜混疊，需要添加前置抗混疊濾波器即低通濾波器，濾除信號中的高頻分量。由于本系統(tǒng)需要檢測的是電網(wǎng)電壓信號的前20次諧波分量，因此本系統(tǒng)在電網(wǎng)電壓信號測量時只處理頻率在1KHz以內(nèi)的信號成分，而對于其它部分信號的濾除對本系統(tǒng)的運行并無影響。

圖3 二階巴特沃斯低通濾波器

理想的有源低通濾波電路的頻率響應(yīng)在通帶范圍內(nèi)具有一定幅值和線性相移，而在阻帶范圍內(nèi)其幅值應(yīng)為零，但實際的濾波電路卻難以達到理想的要求。如果要同時在幅頻和相頻兩方面都滿足要求就會顯得更加困難，因此只能根據(jù)實際需要尋求最佳的特性。由于本系統(tǒng)中需要幅頻響應(yīng)在通帶內(nèi)具有盡可能平緩的幅度特性，鑒于此本系統(tǒng)選擇二階巴特沃斯低通濾波電路，如圖3所示。

1.3 同步采樣電路

由于電網(wǎng)信號的頻率并不是固定不變的50Hz，而是在50Hz上下波動的，當使用DSP對電網(wǎng)信號進行處理與分析時，就會面臨采樣信號頻率和輸入信號頻率如何同步的問題，即對輸入信號的同步采樣。如果假設(shè)電網(wǎng)電壓信號的頻率為50Hz固定不變，此時就可以通過采用DSP內(nèi)置的定時器以采樣周期固定不變方法對輸入信號進行AD采樣，但是當電網(wǎng)電壓信號開始波動時，將采樣的信號進行FFT運算處理時，就會不可避免的產(chǎn)生誤差從而導致頻譜的泄漏。因此本系統(tǒng)采用了鎖相環(huán)鎖相倍頻電路來控制對信號的同步采樣，具有實時性好、精確度高的優(yōu)點。如圖4電路，signal_out信號進入由CD4046與CD4520組成的鎖相倍頻電路，得到256倍于電網(wǎng)頻率的方波信號，為DSP提供AD采樣的中斷觸發(fā)信號。

圖4 鎖相倍頻電路

2.系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括：DSP片上外設(shè)初始化、液晶的初始化、基2—FFT算法、按鍵控制與液晶的顯示。具體工作方式為：當系統(tǒng)得電后，首先在進行DSP及液晶的初始化程序后等待按鍵K0動作，當按鍵K0按下后，開始對電網(wǎng)電壓信號進行采樣。之后若K1按下，則對采樣的256點進行FFT運算并將計算后的頻譜于液晶上顯示，若K2按下則將一個周期的256個采樣點組成的波形于液晶上顯示。程序流程圖如圖5所示：

圖5 程序流程圖

3.系統(tǒng)調(diào)試

在系統(tǒng)設(shè)計時考慮到如若對信號進行實時采樣并將結(jié)果顯示，可能會出現(xiàn)觀察者尚未完全看清本次采集的信息，液晶的畫面就已切換。因此本系統(tǒng)采用按鍵控制每一次采樣的開始。此外，為了能夠更加清晰地觀察電網(wǎng)的信號的時域與頻域信息，本系統(tǒng)能夠控制液晶顯示畫面的切換。本系統(tǒng)提供兩種畫面顯示：（1）采樣信號的時域波形如圖6所示;（2）采樣信號的頻譜信息即電網(wǎng)電壓信號的前20次諧波的頻譜如圖7所示。

圖6 采樣所得波形

在圖7中可以觀察到3次諧波的成分很高，約為基波的四分之一。從圖中還可以發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)電壓信號中的奇次諧波含量較高，而偶次諧波的成分相對較少。高于7次的諧波即頻率大于350Hz的信號幾乎為零。

圖7電網(wǎng)信號的20次諧波頻譜

4.結(jié)語

本文介紹了一種基于DSP的電網(wǎng)諧波檢測裝置的實現(xiàn)，該裝置能夠簡易直觀地體現(xiàn)出電網(wǎng)中的諧波信息。但是該系統(tǒng)在諧波檢測算法上還有待提高，若能把小波變換和加窗插值FFT算法合理結(jié)合，并用它來分析諧波參數(shù)，將有效地提高電網(wǎng)諧波檢測的精度。

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作者簡介：

王迪（1990—），男，江蘇徐州人，現(xiàn)就讀于常熟理工學院電氣與自動化工程學院測控技術(shù)與儀器專業(yè)。

通訊作者：李鑫（1983—），男，安徽亳州人，碩士，實驗師，主要從事智能控制技術(shù)與現(xiàn)代檢測技術(shù)等方面的教學與科研工作。