【正文】 e system,together with the structure and function of the main ponents have been discussed in design of hardware circuit has been pleted and the debugging result of the data processing platform has been given. The system takes TMS320VC33 as a core processor, with the Complex Programmable Logic DeviceCPLD implementing the logic control of the peripherals of the DSP. And analog modules have been designed in this the DSP software programme, the thesis acplished the muftichannel data acquisition algorithm on the DSP TMS320VC33. 【 Key words】 : Power system parameters， DSP， Data acquisition 前言 目前，隨著技術(shù)進(jìn)步，電力系統(tǒng) 新投運(yùn)的 220kV及以下 變電站試運(yùn)行 24時(shí)正常后即按無(wú)人值班模式運(yùn)行。 而眾所周知，在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中，電力對(duì)社會(huì)和個(gè)人有著密切的關(guān)系和重要的意義，因?yàn)殡娏?、電壓過(guò)低過(guò)高，及設(shè)備壽命，嚴(yán)重的還會(huì)危及人身安全；均能影響各種電器設(shè)備的正常使用功效并且，對(duì)電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)和頻率等電力參數(shù)的準(zhǔn)確、快速地檢測(cè)、監(jiān)控可以及時(shí)掌握供電線路和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)中的故障或隱患，進(jìn)而采取合理和有效的措施，保證電力系統(tǒng)及設(shè)備運(yùn)行良好。 1 緒論 課題來(lái)源 來(lái)源于生產(chǎn) /社會(huì)實(shí)踐 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀、趨勢(shì)以及面臨的挑戰(zhàn) 在電力工業(yè)發(fā)展初期曾用電解化學(xué)原理進(jìn)行參數(shù)測(cè)量， 1890年，發(fā)明了感應(yīng)式電磁原理電能表，沿用至今。 隨著電子技術(shù)和微機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，微機(jī)廣泛地應(yīng)用于電力系統(tǒng)測(cè)量中，使得電力系統(tǒng)的測(cè)量、監(jiān)控技術(shù)得到了快速發(fā)展，精度和實(shí)時(shí)性有了很大的提高。如杭州遠(yuǎn)方儀器有限公司的 PF9800系列測(cè)量?jī)x器，蘭州勝利儀器公司的智能型電力參數(shù)采集測(cè)控儀表系列，青島青智儀器公司的電參量測(cè)試儀表 等。 隨著各種性能要求的提高，測(cè)量?jī)x器將在使用微機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上，融合計(jì)算機(jī)控制、網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 、總線技術(shù)和虛擬儀器相關(guān)技術(shù)，將測(cè)量、控制、分析集成于一體；這種裝置體積小，測(cè)量精度較高，具有較強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)化和自動(dòng)化功能，可以測(cè)量電壓、電流、功率因數(shù)、頻率、無(wú)功功率、視在功率、諧波及其他電力參數(shù)值的測(cè)量，而且可以進(jìn)行多條記錄存儲(chǔ)、可與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換、可進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)測(cè)量等。 虛擬化。 同時(shí)用微機(jī)取代傳統(tǒng)的變送器充分發(fā)揮微機(jī)功能強(qiáng)大、靈活可靠、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的過(guò)程中，首要環(huán)節(jié)是數(shù)據(jù)采集。其采樣速率為 12kHz,完全能達(dá)到 IEC61850采樣速率的要求。 電力參數(shù)測(cè)量和諧波分析涉及到大量的數(shù)據(jù)計(jì)算，加上系統(tǒng)其它的任務(wù)，采用單 片 CPU甚至雙 CPU的裝置顯得力不從心，將 DSP芯片應(yīng)用于電力系統(tǒng)設(shè)備，有著傳統(tǒng)的單片機(jī)所不可比擬的優(yōu)勢(shì)。 基于 DSP技術(shù)，采用了新一代的浮點(diǎn)處理器 TMS320VC33為處理核心，圍繞TMS320VC33我們?cè)O(shè)計(jì)了電力參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，并對(duì)此系統(tǒng)進(jìn)行了相應(yīng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，包括了數(shù)據(jù)處理單元、 A／ D轉(zhuǎn)換單元、通訊單元、存儲(chǔ)單元等，并應(yīng)用面向?qū)ο笳Z(yǔ)言設(shè)計(jì)了下位機(jī)平臺(tái)。 其中二階濾波器的作用主要是補(bǔ)償 CT、 PT的相移，同時(shí)濾除 16次以上的諧波，以滿足交流采樣算法之要求。整流電路參數(shù)調(diào)整困難且受波形因素影響較大 。該方法的理論基礎(chǔ)是采樣定理，即要求采樣頻率為被測(cè)信號(hào)頻譜中最高頻率的 2倍以上，這就要求硬件處理電路能提供高的采樣速度和數(shù)據(jù)處理速度。 t? ，即 :采樣頻率為被測(cè)信號(hào)頻率的 N倍。利用鎖相頻率跟蹤原理實(shí)現(xiàn)同步等間隔采樣的電路如圖 。 此外，還可將分頻系數(shù) N設(shè)計(jì)為程控可調(diào)，則可根據(jù) 不同頻率的被測(cè)信號(hào)及DSP,A/D轉(zhuǎn)換器的速度，動(dòng)態(tài)改變 N值，以達(dá)到最好的效果。 n＝ 1 則基頻分量的實(shí)部和虛部分別為： X1R ＝ ??Nk NkkxN 1 )2c o s ()(2 ?和 X1I ＝－ ??Nk NkkxN 1 )2s in ()(2 ? 幅值為 X1 = 2121 IR XX ? 相角為 1? ＝ arctg(11RIXX ) 當(dāng) n＝ k時(shí)由 XRn ＝ ??Nk NnkkxN 1 )2c o s ()(2 ? XIn ＝－ ??Nk NnkkxN 1 )2s in ()(2 ? Xn ＝ 22 InRn XX ? n? ＝ arctg(RnInXX ) 將 k 代入算式就可以求出各次諧波的實(shí)部、虛部、幅值、相角等值。因?yàn)? TNT? 則： 211 NmmU N u?? ? (26) 這就是根據(jù)一個(gè)周期內(nèi)采樣瞬時(shí)值及每周期采樣點(diǎn)數(shù)計(jì)算電壓信號(hào)有效值的公 式。 視在功率為 :S=UI (210) 無(wú)功功率為： 22Q S P?? (211) 對(duì)于三相功率 : = A B CP P P P??總 (212) A B CQ Q Q Q? ? ?總 (213) 功率因數(shù)的測(cè)量 由于前面已經(jīng)測(cè)出了電壓、電流的有效值，以及平均功率，故功率因數(shù)可表示為： cos PUI? ? (214) 當(dāng)信號(hào)為電壓時(shí)，電壓的總有效值為 U= ????? 222120 UUU ／ 2 當(dāng)信號(hào)為電流時(shí)，電流的總有效值為 I= ????? 222120 III ／ 2 有功功率 P為 P＝ U0 I0 +U1 I1 COS 1? +﹒﹒﹒ + Uk Ik COS k? +﹒﹒﹒ 式中 Uk = 2kmU， Ik ＝2kmI， k? ＝ kiku ?? ? ， k＝ 1， 2﹒﹒ ﹒ Ukm 、 Ikm 為最大幅值。 ，通過(guò) RS－ 232接口可以連接 PC機(jī)，從而給調(diào)試帶來(lái)了很多方 便。電力系統(tǒng)頻率測(cè)量概念的引申和擴(kuò)展，關(guān)鍵在于信號(hào)對(duì)象 x(t)的選取及其觀測(cè)模型的確立。 (215) 定義 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 (218) (3) 進(jìn)一步考慮衰減直流分量影響，在觀測(cè)模型下： 錯(cuò)誤 !未找到引用源。從操作對(duì)象來(lái)看，主要是數(shù)字信號(hào)處理問(wèn)題：從測(cè)量目標(biāo)來(lái)看，是灰箱辨識(shí)問(wèn)題：從實(shí)現(xiàn)測(cè)量所借助的工具來(lái)看，是數(shù)值算法 (軟件 )和借以實(shí)現(xiàn)的各種模擬、數(shù)字裝置(硬件 )的設(shè)計(jì)問(wèn)題。即達(dá)到減少誤差、精 確測(cè)量的目的，這取決于觀測(cè)模型與真實(shí)信號(hào)的符合程度、數(shù)值算法及硬件實(shí)現(xiàn)等多方面因素，一般以對(duì)抗噪聲、諧波、衰減直流等非特征信號(hào)分量的能力來(lái)衡量。在電力系統(tǒng)的正常、異常運(yùn)行乃至故障條件下，均能可靠響應(yīng)。該方法物理概念清晰、易于實(shí)現(xiàn)，但精度低，受諧波、噪聲和非周期分量的影響，實(shí)時(shí)性不好，因此，實(shí)際的測(cè)量裝置很少單一地應(yīng)用原始的周期算法。該方法可以應(yīng)用于速度和精度要求都不高且信號(hào)的非特征分量可以忽略的場(chǎng)合。 諧波 2． 3． 1 諧波的定義 在電力系統(tǒng)中，人們總希望電網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)電壓、電流是理想的薩弦波，正弦電 壓可以表示為： ( ) 2 s i n ( )nx t U t? ??? 式中 U電壓有效值； ? 初相角； ? 角頻率， 2 2 /fT? ? ???； f頻率； T周期。頻率為基波頻率的分?jǐn)?shù)倍，稱為分?jǐn)?shù)諧波。在電力系統(tǒng)中由于電源電壓非正弦或由于電網(wǎng)器件非線性而產(chǎn)生的非正弦電流和電壓，一般具有周期特性 (或近似認(rèn)為是服從周期規(guī)律 )。離散傅立葉變換 (DFT)是連續(xù)傅立葉變換在離散系統(tǒng)中的表現(xiàn)形式。眾所周知，實(shí)現(xiàn)一次復(fù)數(shù)乘需要四次實(shí)數(shù)乘和兩次實(shí)數(shù)加，實(shí)現(xiàn)一次復(fù)數(shù)加需要兩次實(shí)數(shù)加。其實(shí) DFT中存在大量的重復(fù)運(yùn)算， knNW? (旋轉(zhuǎn)因子 ) 有如下的周期性和對(duì)稱性： 0 / 2/21 , 1 。仍以 N=1024為例，計(jì)算降為 5120次復(fù)數(shù)乘法，僅為原來(lái)的0． 488％。 本章重點(diǎn)討論 DFT的基 2算法： 基 2FFT算法又分為兩種： l、按時(shí)間抽取的基 2算法 (DecimationinTime DIT)：將時(shí)間序列 x(n)按時(shí)間下標(biāo) n的奇、偶分成兩組來(lái)分解 DFT，層層下分直到兩點(diǎn)的 DFT為止。 假定 N是 2的整數(shù)次 方，令 2MN? ， M：正整數(shù)，將序列 x(n)分解為兩組，一組為偶數(shù)項(xiàng)，一組為奇數(shù)項(xiàng)， (2 ) ( )lX r rX? 2(2 1) ( )X r rX?? r=0,1?? N/21 (224) 將 DFT運(yùn)算也相應(yīng)分為兩組 : 10( ) [ ( ) ] N nkNnX k D F T X n w???? ? 2201()()NNnk nkNNnnxnx n w w????????偶 數(shù) 奇 數(shù) / 2 1 / 2 1 ( 2 1 )200( 2 ) ( 2 1 )NN rkrkN Nrrxr x r ww?? ????? ??? / 2 1 / 2 122200( 2 ) ( 2 )NN r k r kl N Nrrrrx w x w???????? (225) 因?yàn)? 222 2 / 2 /2n j n j n nNNNNw e e w????? ? ? 故 / 2 1 / 2 1/ 2 2 / 200( ) ( ) ( )NN r k k r kl N N NrrX k r rx w w x w???????? 2( ) ( )kl NkkwXX?? （ 226） 其中 ()l kX 和 2()kX 分別是 ()lrx 和 2()rx 的 N/2點(diǎn) DFT。 (1) (2) (2) 圖 蝶形運(yùn)算流圖符號(hào) 由于這種方法每一步分解都是按輸入時(shí)問(wèn)序列是屬于偶數(shù)還是奇數(shù)束抽取的，所以稱為“時(shí)間抽取法”。以上轉(zhuǎn)換需要的一個(gè)重要步驟就是保證采樣頻率與信號(hào)頻率同步。 傅立葉變換的卷積。 (236) 由于 Xm(t)的傅 立葉變換為 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 (237) 所以根據(jù)傅立葉變換的乘積定理， 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 已不再是單一的譜線，變成了以 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 l％范圍內(nèi)的波動(dòng) )都會(huì)使采 樣無(wú)法達(dá)到同步，結(jié)果導(dǎo)致各次諧波的中心頻率不能正好出現(xiàn)在濾波器的中心點(diǎn)上，而是落在某 2 個(gè)頻率分辨點(diǎn)之間，這樣，通過(guò) DFT 并不能直接得到各次諧波分量的準(zhǔn)確值，而只能以臨近的頻率分辨點(diǎn)的值來(lái)近似代替，這就是通常所說(shuō)的柵欄效應(yīng)。 ，然后進(jìn)行傅立葉變換。余弦窗函數(shù)可以表示為 錯(cuò)誤 !未找到引用源。其中 k=2,錯(cuò)誤 !未找到引用源。 設(shè)第 m次諧波信號(hào)為： 設(shè)諧波信號(hào)加海寧窗后表示為： 錯(cuò)誤 !未找到引用源。采樣序列 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 d錯(cuò)誤 !未找到引用源。 l，同時(shí)考慮采樣點(diǎn)數(shù) N一般較大， |錯(cuò)誤 !未找到引用源。 則可得 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 (246) 對(duì)信號(hào)加余弦窗后進(jìn)行插值算法能有效的減少柵極效應(yīng)和泄漏效應(yīng)引起的誤差，提高了 FFT 的精度，能達(dá)到實(shí)際測(cè)量中預(yù)期的精度要求。 ，則只要滿足采樣頻率 錯(cuò)誤 !未找到引用源。在本設(shè)計(jì)中，基于課題的特殊條件以及具體設(shè)計(jì)方法，應(yīng)該至少進(jìn)行 32X4=128 點(diǎn)的采樣。所以還必須對(duì)諧波的當(dāng)前周期進(jìn)行精確測(cè)量，在電磁干擾比較嚴(yán)重的地方，可能會(huì)由于一些干擾脈沖而使周期 測(cè)量出現(xiàn)錯(cuò)誤，因此可對(duì)周期值進(jìn)行校驗(yàn)。 為基波頻率 50Hz， 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 =40，錯(cuò)誤 !未找到引用源。 =2， 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ， 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 =12． 8KHz，直接 FFT 和加海寧窗 FFT 應(yīng)用插值算法的頻率、相位、幅值結(jié)果對(duì)比如表 2— 1，結(jié)果表明，加窗插值FFT 法比起直接 FFT 有效的提高了頻率、相位和幅值的測(cè)量精度，而且隨著采樣長(zhǎng)度的增加，精度還可以進(jìn)一步提高，它有效的減少了頻譜泄漏和比較好的消除了柵欄效應(yīng) ，頻率精度可達(dá) 0． 002％，幅度精度達(dá) 0． 1％，相位精度也控制在 5％內(nèi)，完全達(dá)到了電力諧波測(cè)量的精度要求。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示