【正文】 4100001 1 5101101 5 6110011 3 7111111 7 為了實現(xiàn)實時的FFT，需要MCU的指令系統(tǒng)有著豐富的間接尋址方式，且最好能在一個指令周期內(nèi)完成乘和累加的工作。這時，采樣所得的信號中混入虛假的低頻信號分量，這種現(xiàn)象叫做混疊。設(shè)信號為單一頻率信號(t)= （）其對應(yīng)的頻譜為()=2π（） （）即在處有一條單一的譜線。減少頻譜泄漏的方法主要有3種:l)利用加窗插值算法對快速傅立葉算法進行修正的方法，該方法可減少泄漏，有效地抑制諧波之間的干擾和雜波及噪聲的千擾，從而可以精確測量到各次諧波電壓和電流的幅值及相位。 電能質(zhì)量供電電壓允許偏差電壓允許偏差是指電力系統(tǒng)電壓緩慢變化時，實際電壓與系統(tǒng)標稱電壓之差，通常指電壓變化率小于每秒1%時實際電壓值與系統(tǒng)標稱電壓值之差，可用有名值或標稱值表示。 (HR)周期性交流量中含有的第n次諧波分量的方均根值與基波分量的方均根值之比(用百分數(shù)表示)，第n次諧波電壓含有率以HRU表示，第n次諧波電流含有率以HRI表示。A/D轉(zhuǎn)換在整個諧波監(jiān)測系統(tǒng)中占有非常重要的地位。(4)多種尋址方式循環(huán)尋址(Circular addressing),位倒序(bitreversed)等特殊指令，使FFT、卷積等運算中的尋址、排序及計算速度大大提高。TMS32O系列DSP芯片的基本結(jié)構(gòu)包括:(l)哈佛結(jié)構(gòu)。由于FFT運算涉及的運算在數(shù)字信號處理中很有代表性，因此FFT運算時間常作為衡量DSP芯片運算能力的一個指標:(d)MIPS:即每秒執(zhí)行百萬條指令。另外考慮到價格，芯片的硬件資源，還有利用的成熟度和可靠度及實驗室現(xiàn)有條件等原因，在這里我選擇TMS320LF2407。片內(nèi)高達32K字的FLASH程序存儲器，544字雙口RAM（DARAM）和2K字的單口RAM（SRAM）10位的轉(zhuǎn)換精度難以滿足高性能系統(tǒng)的要求。片內(nèi)時序控制器控制1至4通道的轉(zhuǎn)換，在默認模式下4個采樣保持放大器的輸出從1通道到4通道依次進行轉(zhuǎn)換，當4個通道全部轉(zhuǎn)換完畢后對外部產(chǎn)生一個中斷信號。MAX125的同步采樣特性使MAX125可以很方便地用于多相電機控制、電網(wǎng)同步控制、功率因數(shù)監(jiān)測、數(shù)字信號處理振動和波形分析。取MAX125的信號作為中斷信號，若它為低說明本次轉(zhuǎn)換已經(jīng)結(jié)束，就可以驅(qū)動中斷服務(wù)程序，讀取A心轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。CH2ACH2B，CH3ACH3B，CH4ACH4B：分別為通道通道通道4的2路模擬信號輸入端，后同通道1。RD：讀狀態(tài)輸入端；根據(jù)轉(zhuǎn)換模式，需要轉(zhuǎn)換N個通道，則需且僅需N個RD脈沖（1≤N≤4）。最后一次轉(zhuǎn)換結(jié)束后，芯片將中斷輸出引腳INT拉低。為防止模擬信號的干擾，在電路板設(shè)計時，應(yīng)將模擬地和數(shù)字地隔離。TMS320LF2407A可擴展的外部程序存儲器總共192K字:64K字程序存儲器:64K字數(shù)據(jù)存儲器。對照以上信號的使用方法，為了便于程序仿真調(diào)試，本系統(tǒng)擴展了兩片IS6lLV6416，一片用作數(shù)據(jù)存儲器，另一片用作程序存儲器。圖34 復(fù)位電路 鎖相環(huán)電路鎖相環(huán)電路功能是對A/D芯片提供CONVST信號。所謂頻率合成是指將任一給定的基準頻率變換成一系列新的頻率信號fff3…而這些新頻率的穩(wěn)定度和基準頻率相當。 PCF8583有三個主要功能，可自動計時、編程設(shè)定、編程起鬧；事件計數(shù)器可進行事件計數(shù)器編程起鬧；256字節(jié)的靜態(tài)RAM，地址自動增量，其工作原理與一般帶I2C接口的EEPROM相同。 按鍵輸入和液晶顯示電路 本設(shè)計采用常規(guī)的44鍵盤來實現(xiàn)液晶顯示的菜單查詢、翻屏等各種功能。LCMxxZK的字型ROM內(nèi)含8192個16*16點中文字型和128個16*8半寬的字母符號字型。其中SLCK為輸入串行脈沖引腳，而SID為輸入串行數(shù)據(jù)引腳。其接口電路如圖3一9所示:圖39串行接口電路4 硬件系統(tǒng)調(diào)試系統(tǒng)設(shè)計好后，下面就要對系統(tǒng)進行調(diào)試了，這是設(shè)計中很重要的一步。對照一下CLKMD1，CLKMD2，CLKMD3，檢查頻率是否正確，如果CLKOUT的輸出正確，一般來說，DSP部分的硬件工作基本正常。硬件設(shè)計應(yīng)注意如下要點：（1）認真處理好復(fù)位和時鐘信號。本文對該監(jiān)測儀的軟件和硬件電路進行了設(shè)計，解決了一系列技術(shù)問題。（4）采用了工業(yè)上常用的4*4鍵盤和LCM12864液晶顯示功能，顯示方式為菜單式的層次化方式。由于時間的原因，剩余的工作還有待于日后完成?！罢l言寸草心，報得三春暉”， 最后，特別感謝作者的家人，是他們給予了作者學習的保障，并不斷給作者鼓勵和支持，使作者完成學業(yè)。兩位老師充分利用自己工作之余給作者進行細心的導，不厭其煩的解答作者提出的各種問題，定期檢查作者的設(shè)計進展，提出了大量寶貴的意見，并介紹了許多期刊書目資料供作者參考，有高度的責任心。 雖然諧波監(jiān)測儀的設(shè)計的硬件部分，已經(jīng)實現(xiàn)了其主要的功能。（3）軟件中采用電力系統(tǒng)諧波檢測中常用的FFT變換算法，是諧波檢測精度的可靠保證。DSP選用的是TMS32公LF2407芯片，它具有豐富的片上外設(shè)，多達40個可單獨編程或復(fù)用的通用物入輸出引腳，因此可以大大的簡化硬件結(jié)構(gòu)和體積，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。使用Debugger軟件，查看相應(yīng)的SRAM單元，是在按照設(shè)定交替變化，表明這部分沒有問題。仔細檢查了原件是否可靠的焊上，管腳間、電源與地間沒有短接，表貼元件焊接時相鄰管腳沒有撘錫、短路，元器件、有極性電容的安裝方向也都正確。MAX3232為電平轉(zhuǎn)換器，簡單易用，MAX3232具有一個專有的低壓降發(fā)送器輸出級，可獲得真正的RS232性能。采用C語言編程，程序的可移植性強。本設(shè)計就是采用的這種方法，在后續(xù)介紹軟件時再予以詳細說明。當日歷時鐘收到數(shù)據(jù)后，通過數(shù)據(jù)線SDA拉為低電平來應(yīng)答接受，因此IOPC3與IOPC5引腳應(yīng)配置為I/O方式，并要求接上拉電阻。 與PCF8583的接口電路 PCF8583為帶I2C總線接口的日歷時鐘芯片，其中還有256字節(jié)的靜態(tài)RAM，PCF8583也可作為一個6個BCD碼事件計數(shù)器，故在系統(tǒng)中應(yīng)用較為廣泛。=NN為采樣點數(shù)。TL7705A具有處理上電復(fù)位、欠電壓檢測復(fù)位、手動復(fù)位的功能。RD信號:讀使能選通信號讀選擇表示一個有效的外部讀周期此信號對所有外部程序、數(shù)據(jù)、FO空間有效。這種將程序和數(shù)據(jù)存儲在同一個存儲空間中的思想簡化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，但是，由于取指令和取操作數(shù)據(jù)要訪問同一存儲空間，使用同一總線，指令和數(shù)據(jù)分時讀寫，因此在高速運算時，不但不能同時取指令和取操作數(shù)，而且還會造成傳輸通道上的瓶頸現(xiàn)象。芯片工作模式中的所有通道轉(zhuǎn)換結(jié)束后，采樣/保持器重新處于采樣狀態(tài)，跟蹤模擬輸入的變化，此后，鎖相環(huán)的輸出脈沖的跳變將啟動XINT2中斷，軟件執(zhí)行中斷子程序，CS和RD將配合依次讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。MAX125提供的工作模式一共有9種，具體的描述見表3一1。CLK：時鐘輸入端；通常為16MHz,占空比必須為30℅至70℅，以保證信噪比SNR和動態(tài)噪聲電平DNL的性能。重新上電后，其默認的工作模式是多路開關(guān)處于A組CHI，單通道轉(zhuǎn)換。比如4路信號采樣，用TMS320C32的片上定時器1的TCLKI作為A心轉(zhuǎn)換的啟動信號，其中定時器輸出的時鐘頻率通過軟件來進行設(shè)置，在時鐘信號的上升沿啟動MAX125，MAX125就可以進行同步采樣，然后將按照預(yù)先設(shè)置的工作方式從1通道到4通道依次進行轉(zhuǎn)換，直到4個通道全部轉(zhuǎn)換完畢。當所有的轉(zhuǎn)換完成后，可以依次對RD腳施加讀脈沖以讀出內(nèi)部數(shù)據(jù)，四次讀操作依次讀出RAM中的4個數(shù)據(jù)字。一個+，一個經(jīng)過緩沖的電壓基準輸入端，一個內(nèi)部的16MHz時鐘，一組可以同時對4路輸入信號進行同步采樣的采樣/保持電路。對于交流信號需要另外設(shè)計限幅抬壓電路?；赥MS320C2xxDSP的CPU內(nèi)核，保證了TMS320LF240x系列DSP代碼和TMS320系列DSP代碼兼容。例如，電力系統(tǒng)一周波大約20ms為一幀，對于三路電壓和電流的采集，每20msFFT算法應(yīng)循環(huán)六次。(b)MAC時間:即一次乘法加上一次加法的時間。(7) 所有DSP包含JTAGJoint Test Action Group標準測試接口(IEEEll49標準接口)，便于對DSP作片上的在線仿真和多DSP條件下的調(diào)試。在通用計算機的乘法用軟件實現(xiàn)，需要用若干個機器周期。 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu) 本設(shè)計的諧波監(jiān)測儀以TMS320LF2407為核心，數(shù)據(jù)采集的A/D轉(zhuǎn)換器用的是MAX公司的14位A/D MAX125，保證了測量的精度。 （）式中Un是第n次諧波電壓:諧波電流含量I In=178。其中電壓和頻率偏差基本上取決于供求平衡關(guān)系，而后三者則不僅與電力系統(tǒng)有關(guān)，而且受用戶負荷性質(zhì)的影響因此，電能質(zhì)量監(jiān)測裝置不僅安裝在電力系統(tǒng)的樞紐變電站中，還應(yīng)對重要用戶和特殊用戶(產(chǎn)生波形畸變的用戶)進行監(jiān)測，下面就其中本論文主要需要的3項指標的定義及算法進行闡述。 諧波測量頻譜泄漏原因及解決方案 所謂頻譜泄漏就是信號頻譜中各譜線之間相互影響，使測量結(jié)果偏離實際值，同時在真實譜線兩側(cè)其它基波整數(shù)倍頻率點上出現(xiàn)一些幅值較小的假譜，簡單的講，造成頻譜泄漏的原因是因為采樣頻率與信號頻率不同步，造成周期采樣信號的相位在始端和終端不連續(xù)。則采樣信號為x[n]=x(n△t)，并且采樣信號總是有限長度的，即n=0，1，…N一1。這是采樣的基本法則，稱為采樣定理。例如N=8時，x(3)的標號是k=3，它的二進制是011，倒位序二進制是110，即dk=6。快速傅里葉算法又分為時間抽取(DIT)FFT和頻率抽取(DIF)FFT兩類。這種方法的優(yōu)點是當電網(wǎng)電壓對稱且無畸變時，各電流分量（基波正序無功分量、不對稱分量及高次諧波分量）的測量電路比較簡單，并且延時小。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于電力系統(tǒng)諧波測量尚屬起步階段。隨著現(xiàn)在電力電子的發(fā)展，相角控制換流器和逆變器已成為越來越廣泛的應(yīng)用技術(shù)，特別是逆變器供電的交流驅(qū)動在數(shù)量和額定功率上都在增加，并且隨著節(jié)能興趣的增加，他們對電力系統(tǒng)產(chǎn)生越來越重要的影響。2 電力諧波的檢測原理及分析本章主要介紹電力采集的幾項重要指標以及電力系統(tǒng)測試的幾種模型，對比幾種測試模型的優(yōu)缺點，特別是其中基于FFT變換方法易產(chǎn)生的關(guān)于頻譜泄漏缺點，提出采用鎖相倍頻的采集測試方法，該方法既可以消除頻譜泄漏缺點，又可以達到實時準確的測量。此外，工業(yè)中廣泛使用的電弧焊和接融焊設(shè)備、硅鐵爐、高頻爐等均屬非線性負荷。5)通過測量相位，有功功率，無功功率和視在功率的測量計算，可以優(yōu)化配置電力設(shè)備，提高功率因素。在重視高檔儀器開發(fā)的同時，注重高新技術(shù)和量大面廣產(chǎn)品的開發(fā)與生產(chǎn)，注重系統(tǒng)集成，不僅著眼于單機，更注重系統(tǒng)、產(chǎn)品軟化，隨著各類儀器裝上了CPU，實現(xiàn)了數(shù)字化，軟件上投入了巨大的人力物力，儀器儀表智能化程度越來越高。對電網(wǎng)損耗的影響。目前對負荷的模型還研究得很不夠，背景諧波對遠離諧波源線路得影響也不可忽略，由于元件諧波阻抗的復(fù)雜性和諧波源的多樣性和多變性，給諧波分析工作帶來一定的困難。電力系統(tǒng)高次諧波源在許多情況下可以當作電流源來處理，在諧波源特性方面尚有大量的問題需要研究，例如各種型號電鐵機車運行時諧波含量及牽引供電臂諧波特性等。DSP芯片在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用主要有:1）信號處理—如數(shù)字濾波、自適應(yīng)濾波、快速傅立葉變換、相關(guān)運算、譜分析、卷積、模式匹配、加窗、波形產(chǎn)生等。近些年，我國也開發(fā)了一些電力測量裝置和電能質(zhì)量監(jiān)測裝置，但在功能上、實用化方面還不夠理想，還存在許多問題: 1)處理功能較差、可擴展存儲空間較小、運算速度較饅，難以運用精確嚴格的算法進行大量的實時數(shù)據(jù)處理