基于DSP的電力系統諧波測量裝置設計

張旭

摘 要：要想保證監測電力系統諧波的準確性，就要先掌握電網中諧波的存在情況，進而研發一些能夠滿足測量需求、具有實用性的電力參數監測設備。從基于DSP的電力系統諧波測量裝置在我國的發展情況入手，詳細分析了該裝置設計過程中存在的難點，進而優化設計流程。

關鍵詞：DSP；電力系統；諧波測量；測量裝置設計

中圖分類號：TM764.1 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.06.116

使用諧波測量工具可以收集數控機床中的進線電壓和電流信號，還可以進一步研究諧波的相關情況，為數控機床濾波器的設計提供更具科學性的諧波數據。相關工作人員可以從諧波數據的角度出發設計無源濾波器，過濾掉高次諧波，從而完成電網端電壓和電流波形等方面的測試。測試結果表明，該諧波測量設備完全可以滿足諧波測量的基本需求。

1 硬件電路設計

1.1 信號調理電路

信號調理電路的主要作用是，保證電壓、電流互感器傳輸出的強電信號可以通過轉變的方式變為采集卡可以接收的弱電信號。其內部構成要素主要包含互感器、放大線路等。互感器的主要作用是轉換信號，而輔助測量放大電路的主要工作就是將電流信號轉變成電壓信號，并且要將轉化后的信號通過一定的比例放大。因為電壓互感器具有一定程度的隔離作用，所以，它可以保證外部干擾不會對系統產生實質性的影響。但是，在設計過程中，必須考慮到其對諧波信號帶來的負面影響。因此，在調理電路的過程中，要避免電容，減少濾波和相移。信號調理電路如圖1所示。

1.2 過零檢測電路

為了保證主芯片的同步采樣工作可以順利完成，有效提升數據處理工作的真實性，在電路中要融入一些過零檢測電路。這一措施對諧波分析同步采樣工作造成了巨大的影響，可以通過其將電壓信號轉換成相同頻率的方波信號，再讓DSP獲取方波信號，從而跟蹤電網頻率。具體的過零檢測電路如圖2所示。

1.3 鎖相倍頻采樣電路

在處理電力信號的過程中，先要完善頻譜泄露問題。如果出現頻譜泄露的情況，必然會影響測量的精確度，并且所有的采樣周期、采樣間隔都需要通過電網基波頻率來設定，利用該方式可以有效控制頻譜泄露所產生的誤差。鎖相倍頻測量是與硬件設備同步進行的一種測量方式，通過鎖相環帶來的頻率對其進行采樣，當鎖相環產生一個上跳變時，就會采集一次數據。

1.4 采樣電路

利用DSP多通道緩沖串口接收傳入其中的信號數據。由于TMs320vc5402有高速全雙工串行口，所以，可以與系統中其余的期間和編碼器等實現接口對接。從整體結構上看，McBS還可以劃分成數據通道和控制通道，詳細的MeBsp硬件結構如圖3所示。

數據通道可以發送和接收數據，全方位地掌握通道內完成的任務，包含時鐘的產生和產生的同步信號燈，并且信號控制程度可以通過多通道來選擇。同時，它還控制通道中所誕生的中斷信號，并將其送至CPU，進而產生同步控制器。CPU和DMA可以從數據寄存器當中讀取部分數據，也可以編寫待發送的數據。從RD端口接收到的數據可以通過位移寄存器這一設備將其復制到緩沖器中，再復制到DRR中，最終利用CPU和DMA讀取得出結果的數據。這種利用多緩存方式得到的內部數據搬移和相應的數據通信都可以通過相同的方式完成，從而控制通道內部任務的穩定性。

2 軟件設計

軟件系統設計共分為DSP初始化處理、McBSP處理和AD處理，并且可以通過DSP和PC串口通信、并行的方式來完成程序引導。初始化處理屬于面對相關量的一種設置方式，在處理采集到的數據時，FFT是核心的算法。工作人員可以通過對McBSP和AD73360進行初始化設置，這樣便可以保證其相互通訊。待后者初始化設置之后，已經打開串口的接收便會被中斷，相應地中斷服務程序，并接收由A/D轉化而來的數據。這表明，軟件系統設計是正確的，它可以在數據采集過程中起到正面、積極的作用，能夠有效保證后續數據分析的準確性。在進行諧波計算之前，要先計算FFT數據，然后從所有諧波有效值和含有率方面入手進行后續的計算。數據傳輸工作主要包含了串口初始化和數據的接收、發送等。

此次設計使用了實數FFT算法，原始實輸入序列可以構成N點復序列，再計算復序列N點FFT，之后通過N點復數輸出將其拆散成2N點復數序列，該序列和原始2N點序列DFT輸出是相同的。使用該方式來完成組合輸入和組合拆散輸出，FFT運算量會減少50%，所以，如果在實際運算過程中妥善地使用該方式計算實輸入序列DFT，那么，計算效率是常規方法的2倍。同時，可以利用這種方式來提升系統的實時性。從轉換結果入手進行傅里葉變換FFT，使用變換結果計算所有諧波幅值，從而得出最終的電力參數。在諧波計算過程中，可以明確所有諧波的實部和虛部，計算相角正切函數的精準函數值，也可以將其變換使用，計算對應相角。

為了讓系統可以脫離仿真器正常的加載程序，要在系統中添加并行自舉引導程序。在CCS環境的影響下，PC機完全可以通過JTAG電纜目標系統中存在的DSP通信完成調試。當軟件編寫完成以后，可以脫離CCS環境，要求目標系統在連接電路后，自動執行代碼完成諧波采集和諧波測量等工作。由于系統執行代碼儲存均在外部，不能將其存到儲存器內，所以，當系統通電時，可以利用Bootloader將儲存在外部儲存器中的代碼轉移到內部儲存器中，進而構成自啟動基本條件。電壓、電流模擬信號為今后的采樣工作和相應諧波的計算打下了堅實的基礎，它能有效保證諧波測量裝置的正常運行。

3 結束語

近年來，隨著經濟的高速發展，它為電力系統帶來了巨大的挑戰，所以，必須要通過不斷完善電力系統的方式讓電力系統更好地為社會發展服務。本文從諧波測量的角度入手，闡述了脫離仿真器自行加載程序諧波測量分析裝置的設計模式，并且實現了通過串口和PC機來傳輸相關數據，進一步提升了數據傳輸效率和儲存效率。使用小波變換的方式計算特定時間頻率，能夠有效地保證諧波分析的準確性和科學性，為日后電力系統更好的發展提供前提條件，進而提升國家經濟發展的速率。

參考文獻

[1]柳揚意，危韌勇，李志勇，等.一種基于ANN理論的電力系統諧波測量新方法[J].電源世界，2012，11（28）：222-224.