【文章內容簡介】 整數倍頻率點上出現(xiàn)一些幅值較小的假譜，產生所謂的頻譜泄漏問題。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?？蛇x用不同窗函數(如矩形窗、海寧窗、布萊克曼窗、布萊克曼窗哈里斯窗)的插值算法，在實際測量過程中，選用矩形窗插值算法和海寧窗插值算法能夠滿足測量精度的要求，但是實時性較差，要采集多周期的數據，精度隨著采樣點及采樣頻率的增多而增加。2)修正理想采樣頻率法，這種方法的主要思想是對每個采樣點進行修正，得到理想采樣頻率下的采樣值，修正公式如式()n=1,2,…,M ()該方法計算量不大，并不需要添加任何硬件，實時性比上一種方法好，適合在線測量，但只能減少50%的泄漏。3) 利用鎖相器(PLL)使信號頻率和采樣頻率同步，鎖相器把取自采樣系統(tǒng)的電壓信號的相位和頻率與鎖相環(huán)輸出的同步反饋信號進行相位比較，當失步時，鎖相器的相位比較器輸出與二者相位差和頻率差有關的電壓，經濾波后控制并改變壓控振蕩器的頻率，直到輸入頻率和反饋信號頻率同步為止，一旦鎖定，便將跟蹤輸入信號頻率變化，保持二者的頻率同步，輸出的同步信號去控制對信號的采樣和加窗函數，此種方法實時性較好，同時可以解決頻譜泄漏難題。 電網電能質量標準為適應我國建立社會主義市場經濟體制的要求，貫徹落實國務院《質量振興綱要》，加強公用電網電能質量監(jiān)督管理，保證電網的安全運行和供電電能質量，依據《電力法》和國家有關規(guī)定部門制定了《電網電能質量技術監(jiān)督管理規(guī)定》，其中第二條明確規(guī)定了我國電網電能質量的各項指標。第二條本規(guī)定所稱的電能質量是指公用電網供到用戶受電端的交流電能質量，其衡量的指標有:電力系統(tǒng)的頻率偏差、供電電壓的允許偏差、電壓波動與閃變、三相電壓(電流)不平衡度，電網諧波含量。其中電壓和頻率偏差基本上取決于供求平衡關系，而后三者則不僅與電力系統(tǒng)有關，而且受用戶負荷性質的影響因此，電能質量監(jiān)測裝置不僅安裝在電力系統(tǒng)的樞紐變電站中，還應對重要用戶和特殊用戶(產生波形畸變的用戶)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。 電能質量電力系統(tǒng)頻率允許偏差根據電能質量電力系統(tǒng)頻率允許偏差規(guī)定系統(tǒng)的標稱頻率為50Hz，當系統(tǒng)容量較小時。 電能質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。根據電能質量供電電壓允許偏差GB1232590規(guī)定:%注:如供電電壓上下偏差同號(均為正或負)時，按較大的偏差絕對值作為衡量依據。%。+7%~10%。:電壓偏差（%）=（實際電壓額定電壓）/額定電壓100（%） 電能質量公用電網諧波根據電能質量公用電網諧波GB/T 1454993規(guī)定：(電壓或電流)諧波含量為從周期性交流量中減去基波分量后所得的量。諧波電壓含UnUn=178。 （）式中Un是第n次諧波電壓:諧波電流含量I In=178。 （）式中In是第n次諧波電流。 (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。第n次諧波電壓含有率HRU HRU=100(%) （）式中是第n次諧波電壓(方均根值)是基波電壓(方均根值)。第n次諧波電流含有率HRI HRI=100(%) （）式中In是第n次諧波電流(方均根值)I是基波電流(方均根值)。(THD)周期性交流量中的諧波含量的方均根值與其基波分量的方均根值之比(用百分數表示)。電壓總諧波畸變率以THD表示:THD=100(%) （）電流總諧波畸變率以THD表示: THD= （）3 電力諧波檢測裝置的硬件設計 本課題的主要任務是熟悉硬件連接，因此對于硬件的連接狀況和工作原理需要認真的學習，本章就介紹一下DSP的主要外擴芯片以及與DSP的連接情況和工作原理。本設計主要的外擴芯片有：MAX125A/D轉換器；鎖相環(huán)；PCF8583時鐘芯片；鍵盤和液晶；串行EPROM存儲器。 系統(tǒng)的整體結構 本設計的諧波監(jiān)測儀以TMS320LF2407為核心，數據采集的A/D轉換器用的是MAX公司的14位A/D MAX125，保證了測量的精度。系統(tǒng)的總體結構圖如圖31所示：電 流檢 測電壓檢測數據預處理A/DMAX125DSPTM320LF2407鍵盤液晶顯示PCF8283時鐘芯片串行EPROM電網網圖31 系統(tǒng)的總體結構圖上圖中，電網電壓和電流經互感器和運算放大器調理成適合A/D轉換的電壓后，輸入到A/D轉換芯片中，A/D轉換芯片將模擬輸入信號轉換為數字輸出信號送入到DSP中進行處理。A/D轉換在整個諧波監(jiān)測系統(tǒng)中占有非常重要的地位。本系統(tǒng)采用PCF8583時鐘芯片用來顯示當前的時間和日期，并可以通過鍵盤、液晶相結合對當前時間和日期進行設置；電壓信號經過A/D轉換，并經過FFT變換，計算出7次以下的諧波，通過液晶顯示出來；串行EPROM可以用來存放電壓、電流的定值，也可用來存放計算結果。 DSP芯片的結構與選擇 DSP芯片的基本結構(l)哈佛結構程序與數據存儲空間分開，各有獨立的地址總線和數據總線，取指和讀數可以同時進行，從而提高速度。(2)流水線操作功能DSP芯片采用多組總線結構，允許CPU同時進行指令和數據的訪問。因而，可在內部實行流水線操作。(3)硬件乘法/累加器在卷積、數字濾波、FFT、相關、矩陣運算等算法中，都有一類的運算，其中包含大量重復乘法和累加。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。而DSP有專用的硬件乘法器，使用MAC指令(取數、乘法、累加)，可以在單周期內完成。(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。1024點FFT的時間已小于lms。(5)獨立的DMA總線和控制器有一組或多組獨立的DMA總線，可以與CPU的程序、數據總線并行工作。在不影響CPU工作的條件下，DMA速度己達800Mbyte/s以上。(6)多處理器接口現(xiàn)在的DSP中大多都提供了串和并口，使多個處理器可以很方便的并行或串行工作。如TMS320C40有6個8bit的接口，VC5420提供MsBSP和16位的并口，ADI的ADSPZll6O也有類似的結構。(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條件下的調試。 DSP芯片的結構及評價指標1).為了快速地實現(xiàn)數字信號處理運算，DSP芯片一般都采用特殊的軟硬件結構，下面為TMS320系列為例介紹DSP芯片的基本結構。TMS32O系列DSP芯片的基本結構包括:(l)哈佛結構。(2)流水線操作:(3)專用的硬件乘法器:(4)特殊的DSP指令。(5)快速的指令周期。這些特點使得TMS320系列DSP芯片可以實現(xiàn)快速的DSP運算，并使大部分運算(例如乘法)能夠在一個指令周期內完成。由于TMS32O系列DSP芯片是軟件可編程器件，因此具有通用微處理器具有的方便靈活的特點。2).運算速度是DSP芯片的一個最重要的性能指標，也是選擇DSP芯片時所需要考慮的一個主要因素DSP芯片的運算速度可以用以下幾種性能指標來衡量：(a)指令周期:即執(zhí)行一條指令所需的時間，通常以ns(納秒)為單位。(b)MAC時間:即一次乘法加上一次加法的時間。大部分DSP芯片可在一個指令周期內完成一次乘法和加法操作.(c)FFT執(zhí)行時間:即運行一個N點FFT程序所需的時間。由于FFT運算涉及的運算在數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。如TMS320VC5410的處理能力為100MIPS，即每秒可執(zhí)行一萬萬條指令。 DSP芯片的選擇DSP應用系統(tǒng)的運算量是確定選用處理能力為多大的DSP芯片的基礎。運算量小則可以選用處理能力不是很強的DSP芯片，從而可以降低系統(tǒng)成本。相反，運算量大的DSP系統(tǒng)則必須選用處理能力強的DSP芯片，如果DSP芯片的處理能力達不到系統(tǒng)要求，則必須用多個DSP芯片并行處理。對于我們的電力系統(tǒng)的檢測，我們采用的是基于FFT變換的諧波分析方法，為計算諧波，我們必須采集一個滿周波，因此采用的是按幀處理，不是每個輸入樣點循環(huán)一次，而是每隔一定的時間間隔(通常稱為幀)循環(huán)一次。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算法應循環(huán)六次。所以，選擇DSP芯片時應該比較一幀內DSP芯片的處理能力和DSP算法的運算量。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。 TMS320LF2407 DSP簡介TMS320LF240是本設計的核心芯片。在此，對其進行簡要的介紹。TMS320LF2407是美國TI公司推出的新型高性能16位定點數字信號處理器，它專門為數字控制設計，集DSP的高速信號處理能力及適用于控制的優(yōu)化外圍電路為一體，在數字控制系統(tǒng)中得以廣泛應用。在TMS320系列DSP的基礎上，TMS320LF2407 DSP有以下一些特點：采用高性能靜態(tài)CMOS技術，減少了控制器的功耗；30MIPS的執(zhí)行速度使得指令周期縮短到33ns(30MHz),從而提高了控制器的實時控制能力?；赥MS320C2xxDSP的CPU內核，保證了TMS320LF240x系列DSP代碼和TMS320系列DSP代碼兼容。片內高達32K字的FLASH程序存儲器，544字雙口RAM（DARAM）和2K字的單口RAM（SRAM）兩個事件管理器模塊EVA和EVB，每個包括：兩個16位通用定時器；8個16位的脈寬（PWM）通道?？蓴U展的外部存儲器（LF2407）總共192K字空間：64K字程序存儲器空間；64K字數據存儲器空間；64K字I/O尋址空間。看門狗定時器模塊（WDT）?？刂破骶钟蚓W絡（CAN）。串行通信接口模塊（SCI）模塊。16位的串行外設（SPI）接口模塊。基于鎖相環(huán)的時鐘發(fā)生器。高達40個可單獨編程或復用輸入/輸出引腳（GPIO）。5個外部中斷（兩個電機驅動保護、復位和兩個可屏蔽中斷）。電源管理包括3種低功耗模式，能獨立地將外設器件轉入低功耗工作模式。 A/D轉換電路A/D轉換是控制系統(tǒng)中的必備重要環(huán)節(jié)，其轉換精度決定了整個控制系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。雖然TMS320LF2407A內置10位高速A心模塊，但該模塊存在以下缺點。，對于交流信號需要另外設計限幅抬壓電路。同一排序器內各通道串擾嚴重。10位的轉換精度難以滿足高性能系統(tǒng)的要求。所以本文選用Maxim公司的14位高速A心芯片MAXI25作為外部模數轉換器。其輸入信號范圍士5V，通道最大承受過壓可達士17V，簡化了信號調理電路。單路轉換時間3。MAX125是MAXIM公司推出的一種高速、多通道、14位模—數轉換芯片。該芯片內部帶有一個14位、轉換時間為3μs的逐次逼近型（SAR）模—數轉換電路（ADC），414位的RAM，可和數字信號處理器總線接口的三態(tài)輸出器件；片內還有4個采樣/保