基于DSP的电力系统谐波测量装置设计

张旭

摘 要：要想保证监测电力系统谐波的准确性，就要先掌握电网中谐波的存在情况，进而研发一些能够满足测量需求、具有实用性的电力参数监测设备。从基于DSP的电力系统谐波测量装置在我国的发展情况入手，详细分析了该装置设计过程中存在的难点，进而优化设计流程。

关键词：DSP；电力系统；谐波测量；测量装置设计

中图分类号：TM764.1 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.06.116

使用谐波测量工具可以收集数控机床中的进线电压和电流信号，还可以进一步研究谐波的相关情况，为数控机床滤波器的设计提供更具科学性的谐波数据。相关工作人员可以从谐波数据的角度出发设计无源滤波器，过滤掉高次谐波，从而完成电网端电压和电流波形等方面的测试。测试结果表明，该谐波测量设备完全可以满足谐波测量的基本需求。

1 硬件电路设计

1.1 信号调理电路

信号调理电路的主要作用是，保证电压、电流互感器传输出的强电信号可以通过转变的方式变为采集卡可以接收的弱电信号。其内部构成要素主要包含互感器、放大线路等。互感器的主要作用是转换信号，而辅助测量放大电路的主要工作就是将电流信号转变成电压信号，并且要将转化后的信号通过一定的比例放大。因为电压互感器具有一定程度的隔离作用，所以，它可以保证外部干扰不会对系统产生实质性的影响。但是，在设计过程中，必须考虑到其对谐波信号带来的负面影响。因此，在调理电路的过程中，要避免电容，减少滤波和相移。信号调理电路如图1所示。

1.2 过零检测电路

为了保证主芯片的同步采样工作可以顺利完成，有效提升数据处理工作的真实性，在电路中要融入一些过零检测电路。这一措施对谐波分析同步采样工作造成了巨大的影响，可以通过其将电压信号转换成相同频率的方波信号，再让DSP获取方波信号，从而跟踪电网频率。具体的过零检测电路如图2所示。

1.3 锁相倍频采样电路

在处理电力信号的过程中，先要完善频谱泄露问题。如果出现频谱泄露的情况，必然会影响测量的精确度，并且所有的采样周期、采样间隔都需要通过电网基波频率来设定，利用该方式可以有效控制频谱泄露所产生的误差。锁相倍频测量是与硬件设备同步进行的一种测量方式，通过锁相环带来的频率对其进行采样，当锁相环产生一个上跳变时，就会采集一次数据。

1.4 采样电路

利用DSP多通道缓冲串口接收传入其中的信号数据。由于TMs320vc5402有高速全双工串行口，所以，可以与系统中其余的期间和编码器等实现接口对接。从整体结构上看，McBS还可以划分成数据通道和控制通道，详细的MeBsp硬件结构如图3所示。

数据通道可以发送和接收数据，全方位地掌握通道内完成的任务，包含时钟的产生和产生的同步信号灯，并且信号控制程度可以通过多通道来选择。同时，它还控制通道中所诞生的中断信号，并将其送至CPU，进而产生同步控制器。CPU和DMA可以从数据寄存器当中读取部分数据，也可以编写待发送的数据。从RD端口接收到的数据可以通过位移寄存器这一设备将其复制到缓冲器中，再复制到DRR中，最终利用CPU和DMA读取得出结果的数据。这种利用多缓存方式得到的内部数据搬移和相应的数据通信都可以通过相同的方式完成，从而控制通道内部任务的稳定性。

2 软件设计

软件系统设计共分为DSP初始化处理、McBSP处理和AD处理，并且可以通过DSP和PC串口通信、并行的方式来完成程序引导。初始化处理属于面对相关量的一种设置方式，在处理采集到的数据时，FFT是核心的算法。工作人员可以通过对McBSP和AD73360进行初始化设置，这样便可以保证其相互通讯。待后者初始化设置之后，已经打开串口的接收便会被中断，相应地中断服务程序，并接收由A/D转化而来的数据。这表明，软件系统设计是正确的，它可以在数据采集过程中起到正面、积极的作用，能够有效保证后续数据分析的准确性。在进行谐波计算之前，要先计算FFT数据，然后从所有谐波有效值和含有率方面入手进行后续的计算。数据传输工作主要包含了串口初始化和数据的接收、发送等。

此次设计使用了实数FFT算法，原始实输入序列可以构成N点复序列，再计算复序列N点FFT，之后通过N点复数输出将其拆散成2N点复数序列，该序列和原始2N点序列DFT输出是相同的。使用该方式来完成组合输入和组合拆散输出，FFT运算量会减少50%，所以，如果在实际运算过程中妥善地使用该方式计算实输入序列DFT，那么，计算效率是常规方法的2倍。同时，可以利用这种方式来提升系统的实时性。从转换结果入手进行傅里叶变换FFT，使用变换结果计算所有谐波幅值，从而得出最终的电力参数。在谐波计算过程中，可以明确所有谐波的实部和虚部，计算相角正切函数的精准函数值，也可以将其变换使用，计算对应相角。

为了让系统可以脱离仿真器正常的加载程序，要在系统中添加并行自举引导程序。在CCS环境的影响下，PC机完全可以通过JTAG电缆目标系统中存在的DSP通信完成调试。当软件编写完成以后，可以脱离CCS环境，要求目标系统在连接电路后，自动执行代码完成谐波采集和谐波测量等工作。由于系统执行代码储存均在外部，不能将其存到储存器内，所以，当系统通电时，可以利用Bootloader将储存在外部储存器中的代码转移到内部储存器中，进而构成自启动基本条件。电压、电流模拟信号为今后的采样工作和相应谐波的计算打下了坚实的基础，它能有效保证谐波测量装置的正常运行。

3 结束语

近年来，随着经济的高速发展，它为电力系统带来了巨大的挑战，所以，必须要通过不断完善电力系统的方式让电力系统更好地为社会发展服务。本文从谐波测量的角度入手，阐述了脱离仿真器自行加载程序谐波测量分析装置的设计模式，并且实现了通过串口和PC机来传输相关数据，进一步提升了数据传输效率和储存效率。使用小波变换的方式计算特定时间频率，能够有效地保证谐波分析的准确性和科学性，为日后电力系统更好的发展提供前提条件，进而提升国家经济发展的速率。

参考文献

[1]柳扬意，危韧勇，李志勇，等.一种基于ANN理论的电力系统谐波测量新方法[J].电源世界，2012，11（28）：222-224.