基于DSP的电能质量监测仪的设计

王亚（江苏省徐州经贸高等职业学校，江苏 徐州 221000）

基于DSP的电能质量监测仪的设计

王亚
（江苏省徐州经贸高等职业学校，江苏 徐州 221000）

作者简介： 王亚（1979-），男，江苏联合职业技术学院徐州经贸分院讲师，本科学历，主要从事单片机等方面的教学与研究。

电网运行状态的实时可靠监测是电能质量控制的基础，为准确监测电网运行状态，提出一种以DSP为运行平台的高性能电能质量监测仪设计。系统选用TMS320F28335高性能浮点DSP为核心数据处理器，并采用基于布莱克曼窗的加窗插值FFT算法，实现对电能质量谐波参数的高精度测量。实验结果证明本系统有较高的实时性和分析精度，且人机交互十分友好，具有良好的应用参考价值。

电能质量；谐波参数；加窗插值FFT；DSP

0　引言

随着国民经济的快速发展，大功率电力电子变流装置在电力系统负载中所占比例越来越大，对电力系统带来了前所未有的污染与冲击，造成电网谐波、三相不平衡、高压尖峰干扰等问题，使得电网污染问题日益严重[1]。这些负面影响还严重干扰了用电设备尤其是一些敏感设备的正常运行，因此电能质量问题受到国内外学者的广泛关注。

算法是电能质量监测的重要内容，目前主要研究方向在于提出或改进新算法进行信号提取、去噪与分析处理[2]。其中FFT变换作为一种比较成熟的算法，给电力系统谐波分析带来很大方便，但FFT变换存在固有缺陷，如只能分析基波的整数倍谐波，对于有电弧炉等设备引起的电网简谐波却无能为力，同时FFT固有的“栅栏效应”、频谱长泄漏与短泄漏问题也降低了谐波分析的精度。为解决FFT算法存在的问题，很多学者对传统FFT进行了诸多改进。如为了改善非带限信号高频部分在整个频谱范围内造成的长泄漏，将窗函数引入FFT变换，提出加窗FFT变换；为了改善由于FFT变换的“栅栏效应”引起的对相邻谐波的频谱段泄漏影响，对FFT变换结果做插值修正，使结果更加精确[3]。

本文在分析了国内外在电能质量监测方面研究现状的基础上，根据电能质量分析对实时性、准确性、界面友好性的要求，开发了一种集数据采集、处理、分析与存储、具有良好人机交互性能的便携式电能质量分析仪，本设计采用DSP+PC的硬件架构，既充分运用了DSP的强大数据处理能力，又结合了PC机界面友好、易于后期软件维护与升级的优点。

1　电网谐波计算原理

电网谐波对电力系统的安全运行带来严重影响，不仅会增加电力系统的电力损耗，还会干扰通讯信号并加速一些设备的老化，对于一些正常工业生产中的电力监测带来很大误差。因此，在电能计算过程中，对于电网谐波的计算及其造成的误差分析显得非常重要[4]。

1.1谐波计算分析方法

分析电力系统谐波污染程度，一般用单次谐波含有率和总谐波畸变率来表示[5]。单次谐波含有率是研究单次谐波对系统的污染情况，总谐波畸变率是研究整个系统畸变程度的物理量。

第k次谐波含有率定义为第k次谐波方均根与基波方均根之比，计算公式如下：去掉畸变波形中的基波分量为谐波分量，其方均根值定义为谐波含量UH、IH，相应计算公式如下：而总谐波畸变率定义为谐波分量与基波分量均方根之比：

傅里叶变换法是一种成熟的谐波分析算法，一次变换即可算出基波和所有高次谐波，目前在谐波分析中得到了最广泛的应用。但傅里叶变换计算量较大且需要一定长度的采样序列，会影响傅里叶分析的实时性，且傅里叶变换是基于平稳信号的算法，对于频率快速变化的信号分析误差较大[6]。国内外学者通过改进算法对其进行优化，如利用加窗的方法来抑制某频率的成分在整个频谱内的泄漏。本设计在国内外研究的基础上，采用加窗插值FFT变换对谐波进行分析。

1.2加窗插值FFT算法原理

传统FFT分析出现的频谱泄露问题主要是由信号截断造成的，信号截断造成信号部分能量泄露，因此选择合适的窗函数对信号进行截断至关重要。常见的窗函数主要有矩形窗、汉明窗、布莱克曼窗等[7]。其中布莱克曼窗具有较小的主瓣宽度及较好的旁瓣衰减性能，更适合于电能质量谐波分析。加窗FFT变换操作过程较为简单，即在信号序列变换之前，根据选择的窗口函数对信号序列进行加权[8]，然后对加权过后的窗口进行FFT变换。

由于电网频率存在一定的波动，因此很难做到对电网信号的同步采样，使得FFT分析时频域分辨点与信号的实际频率之间出现错位，造成谐波幅值分析出现较大误差。插值校正通过相邻两个频率分辨点幅值对信号真实频率幅值进行修正，可以有效抑制非同步采样带来的谐波分析误差影响[9-10]。

1.3基于加窗插值FFT的电能质量谐波分析

如图1所示，对电能质量进行加窗插值FFT分析主要分以下步骤：

第一步 FIR数字滤波：对以fs为采样频率采样的电流、电压信号离散序列进行FIR数字滤波，用于抑制后期FFT分析的频谱混叠现象；

第二步 加窗截断：对经FIR滤波处理的信号序列进行加窗（布莱克曼窗）处理，用于抑制后期频谱泄漏带来的谐波幅值误差；

第三步 实数FFT变换：对加窗处理后的信号序列进行实数FFT变换，降低FFT计算复杂度，得到谐波幅值；

第四步 插值修正：对FFT分析结果进行插值修正，抑制因信号的非同步采样引起的频谱泄漏现象，更进一步提高谐波分析精度。

图1　电能质量谐波分析示意图Fig.1 The harmonic analysis figure of power quality

2　硬件系统结构

本设计系统硬件采用DSP+PC的架构，由于加窗插值FFT算法计算复杂，为了提高系统信号处理能力，选用TI公司推出的TMS320F28335作为中央处理器[11-12]。此外，为提高系统采样性能和谐波分析精度，采用TI公司6通道高速同步交流采样芯片ADS8364作为系统采样AD，系统硬件结构图如图2所示。

图2　系统硬件结构图Fig.2 The structure drawing of system hardware

由图2可看出，电网信号经过采样调理电路被送到ADS8364转换为数字信号。DSP与ADS8364之间通过DSP内置XINTF实现无缝对接，采样得到的数字信号序列被送到DSP进行分析处理，得到要计算的电能质量参数，结果通过串口发送到PC上位机。为使系统实现长期的在线监测还配备了SD卡存储器，DSP与SD卡之间通过SPI接口读写[13-14]。

2.1前端调理电路设计

前端调理电路主要作用是对原始信号进行放大、滤波等处理。根据ADS8364对采样信号的要求，采样信号采用差分输入时，加在芯片采样引脚的电压应在0～5V之间，而且从互感器出来的信号是一个电流信号，因此前端电路的一个作用就是将电流信号转换成电压信号并满足ADS8364对输入信号的要求。由于本系统要求分析2～32次电网谐波，因此滤波截止频率为2*32*50=3200Hz，ADS采样频率被确定为3200*2=6400Hz，进一步可以算出ADS8364采样时钟频率为6400*20=128KHz，前端调理电路原理图如图3所示。

图3　前端调理电路原理图Fig.3 The front-end circuit principle diagram

2.2采样芯片与DSP接口电路设计

ADS8364采样芯片具有最高可达250Kps的采样频率，与DSP之间通过内置XINTF接口实现无缝连接，通过此连接并配合ADS8364控制时序，DSP可像访问本身内存一样对ADS8364进行读写控制。

如图4所示，IOPA2～IOPA4连接HOLDx引脚用于控制被采样的输入通道，EA12～EA15 是DSP的XINTF接口地址总线，D0～D15为XINTF数据总线，他们之间恰当配合用于使能ADS8364，并从中读取采样数据。DSP的PWM1输出用于供给AD采样时钟，将ADS8364的EOC引脚接到DSP外部中断引脚EXT_INT1上用于通知DSP采样完成，DSP在中断服务程序完成采样数据读取。

图4　ADS8364与DSP间接口示意图Fig.4 The interface diagram of ADS8364 and DSP

3　软件系统结构

软件系统主要包括AD采样程序、数据处理程序、SD卡存储及上位机串口通信程序、上位机应用软件四部分。AD采样程序主要用于驱动ADS8364并将转换后的结果读到DSP内存中；数据处理程序负责电能质量各参数的计算；SD存储及上位机串口通信程序负责数据的存储及将计算结果上传PC机显示；PC上位机应用软件负责上传数据的显示以及进一步分析，软件系统结构图如图5所示。

图5　软件系统结构图Fig.5 The software system structure

3.1ADS8364驱动程序设计

ADS8364是16位并行输出的AD转换芯片，易与DSP38335无缝连接。设计时配置XINTF模块和端口A、E、F相关引脚，用于控制ADS8364工作时序，配置16位XINTF总线宽度用于接收并行数据总线传来的转换数据，并将ADS8364的EOC引脚信号作为主机的一个外部中断源，在中断中完成一组数据的读取。如图6展示了ADS8364完整采样、读数的一组工作时序。

图6　ADS8364工作时序图Fig.6 The chart of ADS8364 working sequential

3.2串口通信程序的设计

DSP与PC机之间通过串口（内置SCI模块）实现数据的通信，这部分程序主要涉及通信协议的设计以及如何封装和解析数据帧。发往PC机的数据帧里封装了一次完整分析后产生的结果，用于PC机应用软件界面的显示；接收来自PC的数据帧主要用于告知DSP应用软件是否准备好以及发出其他修改系统参数的命令。

4　系统仿真与测试

由于整个DSP软件系统较复杂，在调试过程中分模块先后进行仿真调试。信号的加窗插值傅里叶变换是电能质量谐波分析的主要内容，此部分程序的仿真调试分为三步：首先在MATLAB软件上用M语言编写代码并验证算法的正确性，作为后面代码移植是否正确的比照；其次是将M语言转化成C语言的形式在VC++6.0开发平台上仿真运行，通过对比MATLAB运行结果验证程序的正确性；最后将在PC机上运行的C语言程序移植到DSP平台上运行，通过CCS3.3的在线仿真功能验证最后的移植工作是否成功。

给系统施加一个频率为50.15Hz，基波和各次谐波幅值分别为316.0V、 12.5V、 9.3V、 1.54 V、15.5 V、 0.93 V、 6.2 V、 4.5 V、 3.5 V、 2.1 V，相位分别为0.3π、0.8π、0.7π、0.6π、0.5π、0.3π、0.2π、0.1π、0.2π、0.1π的测试信号，运行结果如表1所示。

从表1中可以看出，在系统保留两位小数的情况下，DSP谐波分析程序计算结果与实际值完全一致，因此系统电能质量谐波分析具有较高精度。

图7　串口通信程序流程图Fig.7 The program flow chart of serial port communication

5　结论

该系统经过模拟测试，监测仪与上位机之间通信可靠，DSP读写SD卡正常，DSP计算电能质量参数具有较高精度，且PC上位机应用软件满足显示与数据后期处理要求，测试结果表明本系统有以下特点：（1）硬件系统配备了大容量SD存储卡，使系统具备对电能质量长期在线监测的功能；（2）软件系统设计始终遵循 “自顶向下，逐步求精”的思想，既降低开发难度又提高了软件系统的可靠性；（3）设计了基于布莱克曼窗的加窗插值FFT变换算法，谐波分析精度得到有效提高。电能质量监测仪的设计理念涉及多方面知识的运用，本文提出的基于DSP的电能质量监测仪的设计，人机交互十分友好，能为相关产品的设计提供技术参考。

表1　各次谐波实际值与DSP计算值对照表Tab.1 The comparison table of every harmonic actual value and DSP calculation value

[1] 肖湘宁，徐咏梅. 电能质量问题剖析[J]. 电网技术，2001，25 （3）：66-69.

Xiao xiangning，Xu Yonghai. Power quality analysis and its development[J]. Power System Technology，2001，25（3）: 66-69.

[2] 时平，刘桂英. 现代电能质量检测技术[M]. 北京：中国电力出版社，2008.

Shi Ping，Liu Guiying. Modern power quality detection technology[M]. BeiJing: China Electric Power Press，2008. [3] 李林. 电能质量监测系统的设计与研究[M]. 黑龙江：哈尔滨工业大学出版社，2009.

LiLin. The design and research of power quality monitoring system[M]. HeiLongjiang: Harbin industrial university press，2009.

[4] 余健明，同向前，苏文成. 供电技术[M]. 北京：机械工业出版社，2007.

Yu Jianming，Tong Xiangqian，Su Wencheng. Power supply technology[M]. BeiJing: Mechanical industry press，2007.

[5] 谢胜，陈航，于平. 基于平均幅度谱的高精度频率估计方法[J]. 新型工业化，2011，1（3），31-36.

Xie Sheng，Chen Hang，Yu Ping. High-Accuracy Frequency Estimator Based On Average Amplitude Spectrum[J]. The Journal of New Industrialization ，2011，1（3），31-36.

[6] 祝纯，郑竞宏. DSP和小波理论在电能质量监测系统中的应用[J]. 电工技术杂志，2004，（4）：32.

Zu Chun，Zheng Jinghong. Application of DSP and Wavelet Transform for Power Quality Monitoring System[J]. Electrotechnical Journal，2004，（4）: 32.

[7] 赵健，王宾，马苗. 数字信号处理[M]．北京：清华大学出版社，2011，86-131.

Zhao Jian，Wang bin，Ma Miao. Digital Signal Processing[M] . Tsinghua University Press，2011，86-131.

[8] 方志红，张长耀，俞根苗．利用逆序循环实现FFT运算中倒序算法的优化[J]．信号处理，2004，（5）：533-535.

Fang Zhihong，Zhang Changyao，Yu Genmiao. Use Bit Reverse Loop to realize the optimization of Bit scramble algorithm in FFT[J]. Signal Processing，2004，（5）：533-535.

[9] 陈飞，岳宁，吴林峰. 一种实序列FFT新算法与C语言实现[J]．信息电子工程，2008，（6）：437-439.

Chen Fei，Yue Ning，Wu Linfeng. A New FFT Algorithm with Real Input and Implementation in C Language[J]. Information and Electronic Engineering，2008，（6）：437-439.

[10] 管天云. 扩展频谱时域反射法的理论与实验研究[J]. 新型工业化，2014，1（1）: 84-89.

Guan Tianyun. Theoretical and Experimental Study of Spread Spectral Domain Reflectome[J]. Industrialization Straregy，2014，1（1）: 84-89.

[11] 刘陵顺，高艳丽，张树团，等．TMS320F28335 DSP原理及开发编程[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2011.

Liu Lingshun，Gao Yanli，Zhang Shutuan，et al. The DSP principle and development programming of TMS320F28335[M]. Beijing:Beijing University of Aeronautics and Astronautics Press，20011.

[12] Sanjit K. K. Mitra. Digital Signal Processing: A Computer-Based Approach[J]. Older Edition，2000.

[13] Shao Chunsheng. Design of Power Quality Monitoring System Based on DSP and GPRS[J]. International Conference on Electronics and Optoelectronics，2011.

[14] Baifen Liu，Ying Gao. Research on power quality monitoring system based on DSP and GPR[J]. Industrial Electronics and Applications : IEEE，2012.

Design of Power Quality Monitor Based on DSP

WANG Ya
(Advanced vocational school of Xuzhou economy and trade, Xuzhou 221000, China)

The base of the power quality control is the real-time reliable monitoring of grid operation state. This paper presents a high-performance electric power quality monitor based on DSP for monitoring the grid operation state accurately. The system selects high-performance floating-point DSP TMS320F28335 as the core data processor, and adopts window interpolation FFT algorithm based on blackman window to realize high precision measuring of power quality harmonic parameters. The experimental results show that this system has higher instantiate and analytical precision. And the human-computer interaction is very friendly, having a good reference value in application.

Power quality; Harmonic parameters; Window interpolation FFT; DSP

10.3969/j.issn.2095-6649.2015.10.008

WANG Ya. Design of Power Quality Monitor Based on DSP[J]. The Journal of New Industrialization，2015，5（10）: 42-47.

本文引用格式：王亚.基于DSP的电能质量监测仪的设计[J]. 新型工业化，2015，5（10）：42-47.