便携式电能质量监测仪设计与实现

2022-07-07刘娟

现代工业经济和信息化 2022年5期

刘娟

（吕梁高级技工学校，山西吕梁 033000）

引言

随着工业智能化进程的不断推进，电力系统中大功率、非线性负载不断增加，使得电网电压、电流波形发生畸变；电力系统中冲击性、波动性负荷逐渐增多，使得电网产生高次谐波，引起电压波动/闪变以及三相电压不平衡等诸多电能质量问题。电网电能质量被“污染”后，会增加线路电源损耗、浪费电网容量、降低设备利用率、缩短设备使用寿命[1-3]。因此，加强电网电能质量监测具有重要意义。便携式电能质量监测仪具有携带方便、使用灵活、用法简单的特点，可根据被测用电负荷的具体工况选用不同的监测功能，同时具备在线电能质量监测功能。在此基础上，提出以TMS320 DSP为核心的嵌入式便携式电能质量监测仪设计方案，解决特定工况下不能就地安装电能质量监测装置的问题，提升电网电能质量。

1 系统设计

在满足便携式电能质量监测仪功能的前提下，以可靠性、经济性、简单化为标准设计电能质量监测仪的系统方案，如图1所示。以TMS320F28335 DSP为核心，扩展同步信号捕获电路、电压/电流模拟信号采集电路，由内部eCAP模块、ADC模块、SCI模块完成信号采集、处理以及传送[4-5]。该监测仪采集电网电压Ua、Ub、Uc以及电流Ia、Ib、Ic信号，经电压/电流互感器后将强电信号转变为弱电信号后输入至信号调理电路。信号调理电路对弱电信号机行幅值调理，达到DSP芯片对输入信号的幅值要求。经过低通滤波器，过滤掉信号中的高次谐波，由ADCINA、ADCINB模块进行处理。同时eCAP模块对捕获到的电压/电流信号频率进行处理。TMS320F28335 DSP完成电压/电流信号计算、判断、处理后将SCI模块将计算结果传送至系统监测平台。

2 硬件设计

便携式电能质量监测仪硬件设计主要包括TMS320F28335 DSP最小系统设计（电源电路、复位电路、时钟电路、JTAG电路等）、同步信号捕获前端电路设计、模拟电量采集前端电路设计、外部通信接口单元设计等。重点分析模拟电流、电压采集电路详细设计过程。

2.1 模拟电流采集电路设计

模拟电流采集电路硬件设计原理如图2所示，为自举式同相交流放大电路，核心为两个放大器。经电流互感器传递的二次侧电流为弱电流，驱动负载能力弱，电流信号传递受阻。为增强电流信号的传输特性并完成电流相位统一，需对采集的电流信号进行放大处理。图2中的电阻R4为自举电阻，静态时R4电阻两端的电流为0，两端电压相等[6-7]。该模拟电流采集电路对电流互感器二次侧电流信号进行调理后，输出端的输出电压满足要求。

2.2 模拟电压采集电路设计

模拟电压次集电路硬件设计原理如下页图3所示，由分压电路、偏置电路、运算放大电路、二阶滤波电路、电压跟随电路组成。接收到电压互感器二次侧电压信号后，经分压并将该电压信号偏置为大于0的电压量，并放大调理至0~3 V，过滤高次谐波，最后由电压跟随电路提高该电压信号的负载能力。该模拟电压采集电路对电压互感器二次侧电压信号进行条例后，输出端的输出电压满足要求。

3 软件设计

3.1 软件总体设计

便携式电能质量监测仪软件设计基于TI公司的CCS6.0软件开发平台实现。该开发平台支持汇编、C++或者C代码，支持调试编译等功能。将编写好的程序下载至TMS320F28335 DSP时用XDS100V3仿真器，节省开发时间和开发工作量[8-9]。在设计便携式电能质量监测仪软件时，根据功能要求采用模块化设计理念，分为系统主程序模块、测频程序模块、模拟电量采集与分析模块、外部通信程序模块四部分。

3.2 电压、电流模拟量处理流程

设置TMS320F28335 DSP中的使能寄存器选定模数转换ADC单元的工作模式为级联并发采样，最大转换通道值为6，依次对输入电压信号Ua、Ub、Uc以及输入电流信号Ia、Ib、Ic信号进行采样与转换，精度可达10.5级，采样频率为0~12.5 MHz，采样周期为80 ns[10]。输入电压、电流信号模数转换结束后，程序转入中断处理函数，完成数据计算处理；然后返回主函数完成电量计算与分析，详细流程见图4所示。

4 系统测试

根据便携式电能质量监测仪硬件、软件设计方案，制作同步信号捕获前端电路、模拟电量采集前端电路、编写主程序模块、测频程序模块、模拟电量采集与分析模块、外部通信程序模块程序并完成软硬件调试和试验数据记录，重点分析模拟电压、模拟电流信号采集电路输入与输出量之间的关系并验证该功能是否满足TMS320F28335 DSP所需输入电量要求。

4.1 电压测试

以Ua电压为例，记录分别记录电压互感器一次侧电压有效值、电压互感器二次侧电压有效值以及监测仪计算的电压有效值，选取30组试验数据进行分析并得到如图5、图6所示关系图，基本为线性比例关系。电压互感器一次侧电压有效值与二次侧电压有效值的比例系数约为25；电压互感器二次侧电压有效值与TMS320F28335 DSP计算的电压原始有效值比例系数约为12.5。

4.2 电流测试

以Ia电流为例，试验、分析并记录电流互感器一次侧、二次侧电流有效值以及监测仪计算的电流有效值，选取30组试验数据进行分析并得到下页图7、图8所示关系图，基本为线性比例关系。根据图7、图8可近似计算横坐标、纵坐标比例系数分别为1 066、0.007 8。图5~下页图8验证了设计的模拟电压、电流采样电路的线性特性，证明了所设计方案的强抗干扰性和正确性，保证了数据传输不失真。