【正文】 MAX125是MAXIM公司推出的一種高速、多通道、14位?！獢?shù)轉(zhuǎn)換芯片。其輸入信號范圍士5V，通道最大承受過壓可達(dá)士17V，簡化了信號調(diào)理電路。10位的轉(zhuǎn)換精度難以滿足高性能系統(tǒng)的要求。對于交流信號需要另外設(shè)計限幅抬壓電路。 A/D轉(zhuǎn)換電路A/D轉(zhuǎn)換是控制系統(tǒng)中的必備重要環(huán)節(jié)，其轉(zhuǎn)換精度決定了整個控制系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。片內(nèi)高達(dá)32K字的FLASH程序存儲器，544字雙口RAM（DARAM）和2K字的單口RAM（SRAM）基于TMS320C2xxDSP的CPU內(nèi)核，保證了TMS320LF240x系列DSP代碼和TMS320系列DSP代碼兼容。在TMS320系列DSP的基礎(chǔ)上，TMS320LF2407 DSP有以下一些特點：采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，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。在此，對其進(jìn)行簡要的介紹。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。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。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(dá)不到系統(tǒng)要求，則必須用多個DSP芯片并行處理。 DSP芯片的選擇DSP應(yīng)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(chǔ)。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(biāo):(d)MIPS:即每秒執(zhí)行百萬條指令。(b)MAC時間:即一次乘法加上一次加法的時間。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。(5)快速的指令周期。TMS32O系列DSP芯片的基本結(jié)構(gòu)包括:(l)哈佛結(jié)構(gòu)。(7) 所有DSP包含JTAGJoint Test Action Group標(biāo)準(zhǔn)測試接口(IEEEll49標(biāo)準(zhǔn)接口)，便于對DSP作片上的在線仿真和多DSP條件下的調(diào)試。(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。(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(shù)據(jù)總線并行工作。(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。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。因而，可在內(nèi)部實行流水線操作。 DSP芯片的結(jié)構(gòu)與選擇 DSP芯片的基本結(jié)構(gòu)(l)哈佛結(jié)構(gòu)程序與數(shù)據(jù)存儲空間分開，各有獨立的地址總線和數(shù)據(jù)總線，取指和讀數(shù)可以同時進(jìn)行，從而提高速度。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。 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。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(shè)計 本課題的主要任務(wù)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(rèn)真的學(xué)習(xí)，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。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)。 (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?jǐn)?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。 （）式中Un是第n次諧波電壓:諧波電流含量I In=178。:電壓偏差（%）=（實際電壓額定電壓）/額定電壓100（%） 電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波根據(jù)電能質(zhì)量公用電網(wǎng)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。%。 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(biāo)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(biāo)稱電壓值之差，可用有名值或標(biāo)稱值表示。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(fù)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(jìn)行監(jiān)測，下面就其中本論文主要需要的3項指標(biāo)的定義及算法進(jìn)行闡述。 電網(wǎng)電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)為適應(yīng)我國建立社會主義市場經(jīng)濟體制的要求，貫徹落實國務(wù)院《質(zhì)量振興綱要》，加強公用電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)督管理，保證電網(wǎng)的安全運行和供電電能質(zhì)量，依據(jù)《電力法》和國家有關(guān)規(guī)定部門制定了《電網(wǎng)電能質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督管理規(guī)定》，其中第二條明確規(guī)定了我國電網(wǎng)電能質(zhì)量的各項指標(biāo)。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(jìn)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。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(jìn)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。 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)。如果不是整周期采樣，即信號不是△w的整數(shù)倍數(shù)，那么即使信號只含有單一頻率，DFT也不可能求出信號的準(zhǔn)確參數(shù)，這一現(xiàn)象通常叫做柵欄效應(yīng)。諧波分析中，各次諧波所泄漏的能量會相互影響，造成誤差。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。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。在諧波測量中，所要處理的信號均是經(jīng)過采樣和A/D 轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字信號。傳統(tǒng)的設(shè)計采用模擬濾波器進(jìn)行濾波，由于電阻、電容和運算放大器的參數(shù)不夠精確或者隨時間或溫度變化，使得濾波器效果不佳。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。這是采樣的基本法則，稱為采樣定理。 為了充分得到一個模擬信號的特征，必須有足夠高的采樣率。DSP控制器特有的反序間接尋址方式，就是專為FFT算法而設(shè)計的，此外，DSP控制器能在一個指令周期內(nèi)完成乘和累加的工作。表21碼位的倒位序(N=8)自然順 順序（k）二進(jìn)制數(shù)倒位序二進(jìn)制數(shù) 倒位順序d(k)0000000 0 1 001100 4 2010010 2 3011110 6 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。例如N=8時，x(3)的標(biāo)號是k=3，它的二進(jìn)制是011，倒位序二進(jìn)制是110，即dk=6。一般實際運算中，總是先按自然順序?qū)⑤斎胄蛄写嫒氪鎯卧?，為了得到倒位序的輸入，我們通過倒位序?qū)ぶ愤\算來完成。 FFT算法的特點 FFT的輸出x(k)時按正常順序排列在存儲單元中的，即按X(0)，X(l)，…X(7)…的順序排列，但是這時輸入x(k)卻不是按自然順序存儲的，而是按x(0)，x(4)，……x(7)的順序存入存儲單元，看起來好像是“混亂無序”的，實際上是有規(guī)律的，我們稱之為倒位序。然后利用傅里葉變換計算公式對最后得到的最簡單的子時間序列進(jìn)行傅里葉變換，再將各子時間序列的傅里葉變換結(jié)果按一定規(guī)則進(jìn)行組合，最后便得到原時間序列的傅里葉變換結(jié)果?？焖俑道锶~算法又分為時間抽取(DIT)FFT和頻率抽取(DIF)FFT兩類。而本諧波監(jiān)測系統(tǒng)便是利用FFT算法，計算7次以下的幅值并將其顯示出來。一般我們在分析電力諧波時，根據(jù)國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，在交流電的一個周期內(nèi)應(yīng)采128個點。其方法如下：假設(shè)電網(wǎng)信號為: + ()式中： （） （） （）m次諧波分量的幅值和相位可表示為 （） （）由歐拉公式得 （）設(shè)U(k)為頻域序列，則 = = （）顯然 （） b （）由（）（）式可以看出只要求出U(k)即可，由DFT變換得 ()式中，U(n)為時域抽樣序列 () k=(0,1,2…,N1) () 由于DFT運算量非常大，所以利用DFT快速變換FFT來處理時域序列U(n)，這也就是每個周期采樣點為2N的原因。這種方法的優(yōu)點是當(dāng)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。這種方法都能準(zhǔn)確地測量對稱的三相三線制電路的諧波值。利用小波變換能將電力系統(tǒng)中產(chǎn)生的高次諧波變換投影到不同的尺度上會明顯地表現(xiàn)出高頻、奇異高次諧波信號的特性，特別是小波包居于將頻率空間進(jìn)一步細(xì)分的特性，從而為諧波分析提供了可靠依據(jù)。 利用小波分析方法進(jìn)行諧波測量將小波分析作為調(diào)和分析已有重大進(jìn)展。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。但該方法也有許多缺點，如濾波器的中心頻率對元件參數(shù)十分敏感，受外界環(huán)境影響較大，難以獲得理想的幅頻和相頻特性，當(dāng)電網(wǎng)頻率發(fā)生波動時，不僅影響檢測精度，而且檢測出的諧波電流中含有較多的基波分量，要求有源補償器的容量大，運行損耗也大。輸入信號經(jīng)放大后送入一組并行聯(lián)結(jié)的帶通濾波器，濾波器的中心頻率ff….fn、是固定的，為工頻的整數(shù)倍，且f 1ffn（其中n是諧波的最高次數(shù)），然后送至多路顯示器顯示被測量中所含諧波成分及其幅值。諧波測量是諧波問題