基于DSP的电力参数高精度测量装置的设计

2012-11-10贝兆彧陈鸣妤

上海船舶运输科学研究所学报 2012年2期

贝兆彧，陈鸣妤

（上海船舶运输科学研究所军品分所，上海200135）

0 引言

随着船舶电力系统的高速发展，船舶电网容量的扩大，大量变频器、调速电机等非线性电力电子设备的广泛应用，使船舶电力系统变得更加复杂多变，对配电网络的监测和维护提出了更高的要求，如何能够高速、准确地采集和测量各种电力参数显得尤其重要。采用先进的电力电子技术和计算机技术来研究、开发电能检测设备已经成为船舶电力系统的新热点。而网络化监测更是未来发展的必然趋势，一些在线型电能质量分析设备利用RS485、RS232、局域网等通讯接口，实现了电力参数网络化监测。目前，国内对于电能质量各项指标的测量还处在起步阶段，无法完成长期连续监测，现有的电能质量监测手段和管理模式存在着实时性差、测量指标少、工作量大、测量误差大、效率低等缺陷。随着数字处理技术、电力电子技术和计算机网络通信等技术的飞速发展，电能质量监测势必会朝着智能化、数字化和网络化的方向发展［1］。

顺应电能质量监测的发展新趋势，以数字信号处理技术为核心，采用快速傅里叶变换（Fast Fourier Transf or m，FFT）算法程序进行数据处理，提高采样数据的计算效率，使电能质量监测符合当今技术发展的需要。

1 总体设计

将二次侧三相电压和三相电流信号经过电压互感器（Potential Transf or mer，PT）、电流互感器（Current Transfor mer，CT）转换为毫安级的电流信号，再放大成为－2.5～2.5 V的正弦电压信号，然后送抗混叠低通滤波器滤去高频分量，通过ADS8364芯片同步采样转换后，送入T MS320vc5402作为数据处理核心的数字信号处理（Digital Signal Processing，DSP）芯片进行FFT运算，得到基波及各谐波的基本参数，最后将运算结果进行滤波并转换成可识别的电力参数值，保存数据并在液晶显示器（Liquid Cr ystal Display，LCD）上显示。

这种方法可以对被测量信号的瞬时值进行采样，实时性好。同时，利用DSP的强大运算能力可得到高精度的电力参数，简化了硬件上的电路设计。

2 硬件设计

2.1 DSP芯片介绍

使用T MS320vc5402作为数据处理核心。T MS320vc54X系列是拥有16位总线的定点芯片，40位算术逻辑单元（Arit h metic Logic Unit，AL U）可进行17×17位的乘法运算和40位的加法运算，具有主频高、速度快、功耗低和成本低的优点［3］。

2.2 硬件组成

以T MS320vc5402为核心，外围设备主要由信号调理电路、A／D（Analog／Digital）转换电路、复杂可编程逻辑器件（Co mplex Pr ogrammable Logic Device，CPLD）逻辑控制单元、按键输入设备、液晶显示电路、RS485和以太网通信电路、外部存储设备等组成，实现对电力参数地采集、处理、存储、显示以及通信等功能。装置整体硬件结构见图1。

图1 硬件结构框图

图2 A／D芯片与DSP接口电路

2.3 主要电路分析

将交流三相电压和三相电流经过PT、CT转换为毫安级电流信号，再经过放大成为－2.5～＋2.5 V的正弦电压信号，然后送抗混叠低通滤波器滤去高频分量，通过A／D芯片同步采样转换后得到数字量，送入DSP进行FFT运算，得到各电力参数，最后保存数据并在LCD上显示。

采用ADS8364芯片，具有16位并行输出、6通道同步采样、250 k Hz高采样速率、低功耗的特性，可满足高精度采样的要求。每片ADS8364都由3个A／D转换器构成，每个A／D转换器有2个输入通道，每个通道都有采样保持器，可同时对6路输入信号进行采样并保持，再逐个转换，通过与T MS320vc5402的无缝连接，将转换的数据送入DSP做运算处理。A／D转换芯片与DSP芯片的接口见图2［4］。

在对周期性电量进行测量时，同步采样是准确测量实时信号的关键，可以减少FFT的频谱泄露，减小测量误差。

实现同步采样的核心是锁相环倍频电路。锁相环可以实现对频率的实时跟踪，再通过分频来实现所需要的倍频方波信号，作为A／D转换的采样时钟信号。为了保证锁相环输出信号为A／D转换芯片采样时钟输入方波信号，需要将一路电压的正弦信号通过过零比较器整形成与电网频率相同的方波信号，作为锁相环的输入信号。

使用CPLD实现数字分频。由于船舶电网的基波为50 Hz，1个周期内采样256点，采样频率为12.8 k Hz（＞50次谐波的2倍，不会发生频谱混叠）。A／D转换芯片20个时钟周期采样1次，所以输入的时钟频率为256 k Hz，CPLD的分频系数为5 120 Hz。

3 软件设计

DSP的程序设计中集成开发环境使用的是TI公司推出的针对T MS320系列的CCS 3.0。CCS 3.0集成了各种代码调试工具，可以对DSP进行仿真及可视化的数据分析，同时拥有大量的库函数，为DSP软件设计提供了很大的便利。利用FFT库函数计算电力参数是整个程序的技术核心。

3.1 离散电力参数的计算

电力参数主要包括电压、电流、有功功率、无功功率和功率因数。在含有谐波的电网中，电压和电流的计算公式为：

3.2 FFT算法

傅立叶变换是将一种时域信号转变成频域信号的形式，在电信、声学等信号处理中都有着很重要的意义。离散傅立叶变换（Discrete Fourier Transfor m，DFT）是将连续傅立叶变换离散化，但由于计算量巨大，只存在理论价值，未能实际得到运用。FFT大大减小了DFT的运算量，是计算机处理离散信号的高效方法［2］。

3.3 软件流程

软件采用C语言编写，主要包括主程序和中断程序。程序开始时对DSP，A／D芯片及其它外部设备进行初始化，然后主程序以循环的方式工作。在主循环中，当预设1个周期的256点采样完成后，程序对采样的数据进行FFT运算，得到基波及各谐波的基本参数，再将运算结果进行滤波并转换成可识别的电力参数值，送入LCD显示。中断程序主要用来处理对实时性要求比较高的A／D采样和按键输入。程序流程见图3。

DSP的核心算法是FFT算法，使用TI针对320系列设计的库函数。该库函数有FFT主程序、128点复FFT程序、256点分离实FFT程序、求幅值函数、加窗函数和加窗系数6个子程序文件。主要特点是将256点的实数FFT运算通过128点的复数FFT运算实现，减小运算量并节省了程序空间。FFT运算基本流程见图4。