【正文】 近幾年隨著電子工業(yè)的發(fā)展而出現(xiàn)的電子式電能表，它是利用電流和電壓作用于固態(tài)電子器件而產(chǎn)生電能輸出量的電能計(jì)量?jī)x表。 結(jié)合電力市場(chǎng)運(yùn)作和管理的實(shí)際需要，當(dāng)前電能量計(jì)量?jī)x器的測(cè)量已經(jīng)從簡(jiǎn)單的有功電度和無(wú)功電度測(cè)量發(fā)展 到測(cè)量電壓 (相電壓／平均值 )、電流 (相電流／平均值 功率因數(shù)、工頻頻率、無(wú)功功率、視在功率、單相或雙向電能量、預(yù)測(cè)／熱需求、諧波、對(duì)稱分量，以及其它電力參數(shù)值的測(cè)量，如相序轉(zhuǎn)換、電壓／電流非平衡、分時(shí)段。 目前市面上的一些智能型的電力參數(shù)測(cè)試儀，多采用一片普通單片機(jī) cPu(往往是 8位機(jī) )，同時(shí)完成電力參數(shù)的計(jì)算和整個(gè)儀表系統(tǒng)的管理任務(wù)，再加上輸入變換、 A／ D轉(zhuǎn)換以及字長(zhǎng)等諸多環(huán)節(jié)的影響，致使儀器的整體 精度和準(zhǔn)確度越來(lái)越不能滿足日益提高的性能要求。 DSP技術(shù)的高速發(fā)展為電力參數(shù)測(cè)試技術(shù)帶來(lái)了新的變革，特別是在電力系統(tǒng)電壓和電流的高次諧波的測(cè)量和分析，非正弦情況下的有功電能和無(wú)功電能的計(jì)量方面， DSP的應(yīng)用成為了目前電力參數(shù)測(cè)試儀器開(kāi)發(fā)的最新趨勢(shì) 我 國(guó)雖然引進(jìn)了國(guó)外一些多功能電力參數(shù)測(cè)試儀器，但其在功能、價(jià)格、維護(hù)等方面不能完全適合我國(guó)現(xiàn)階段的需要，因此迫切需要一種高質(zhì)量、高可靠性、功能齊全、價(jià)格低廉的多功能電力參數(shù)測(cè)試儀。 本課題的研究工作就是在此背景下展開(kāi)的。該裝置可用來(lái)測(cè)量單相、三相交流電路的電壓、電流、頻率、功率因 數(shù)、有功和無(wú)功功率、視在功率等參量；可對(duì)諧波進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量及分析 。 對(duì)諧波測(cè)量的 方法進(jìn)行深入的分析和討論，提出用雙譜線插值算法進(jìn)行諧波分析， 研究分析其他各參數(shù)的測(cè)量方法， 進(jìn)行基于 DSP的軟、硬件設(shè)計(jì)。 第 2 章電力參數(shù)測(cè)量原理 電壓電流有效值的測(cè)量 若以采樣周期 sT 對(duì)瞬時(shí)電壓、電流在一個(gè)采樣周期內(nèi)采樣 N個(gè)點(diǎn)，則離散的電壓電流有效值的計(jì)算方法如下 電壓有效值： ???? 10 2 )(1 Nn nuNU （ ） 電流有效值： ????102 )(1 Nn niNI （ ） 式中： N一個(gè)周期內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù) U、 I電壓、電流有效值 )(nu 、 )(ni 電壓、電流瞬時(shí)采樣值 頻率的測(cè)量 頻率是指單位時(shí)間內(nèi)事物周期性運(yùn)動(dòng)的次數(shù)。從概率統(tǒng)計(jì)的意義上，各節(jié)點(diǎn)的頻率是相等的，并在作同步的變化。 電力系統(tǒng)頻率一方面作為衡量電能質(zhì)量的指標(biāo)，需要加以動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，另一方面作為實(shí)施安全 穩(wěn)定控制的重要狀態(tài)反饋量，要求能實(shí)旄重構(gòu)。 本文采用的測(cè)頻方法是硬件測(cè)頻法，它的實(shí)質(zhì)就是周期法。 它存在一定的缺陷，但實(shí)現(xiàn)電路簡(jiǎn)單，響應(yīng)快，計(jì)算機(jī)計(jì)算量小。信號(hào)周期 1T f? ， 將信號(hào)周期 N等分，就可得到信號(hào)的采樣間隔，從而實(shí)現(xiàn)采樣頻率對(duì)系統(tǒng)頻率的跟蹤。針對(duì) FFT算法存在的柵欄效應(yīng)和頻譜泄露現(xiàn)象造成的測(cè)量誤差，可以通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)拇昂瘮?shù)抑制泄露現(xiàn)象，也可以根據(jù)所選窗函數(shù)的形式對(duì)幅值和相位進(jìn)行插值修正，在一定程度上彌補(bǔ)柵欄效應(yīng)造成的誤差。 算法原理 設(shè)一個(gè)頻率為 0f 、幅值為 A、初相位為 ? 的單一頻率信號(hào) x(t)，在經(jīng)過(guò)了采樣頻率為 sf 的模數(shù)變換后得到如下的形式的離散信號(hào)： 0( ) s in ( 2 )sfx n A f???? （ ） 如果所加窗函數(shù)的時(shí)域形式為 w(n)，其連續(xù)頻譜 w(2? f)，則加窗后該信號(hào)的連續(xù)傅立葉變換為： 2 002 ( ) 2 ( )( ) ( ) ( ) ( ) ( )2j f n j jn ssf f f fAX f x n w n e e W e Wj f f? ? ???? ??? ? ?????? ? ?????? （ ） 如果忽略負(fù)頻點(diǎn) 0f 處頻峰的影響，在正頻點(diǎn) 0f 處附近的連續(xù)頻譜函數(shù)可以表達(dá)為： 02 ( )( ) ( )2 jsffAX f e Wjf? ? ?? （ ） 對(duì)上式進(jìn)行離散抽樣，即可得到它的離散傅立葉變換的表達(dá)式為：02 ( )( ) ( )2 jsk f fAX k f e Wjf? ? ???? （ ） 9 式中離散頻率間隔為 sffN??， N是數(shù)據(jù)截?cái)嗟拈L(zhǎng)度。設(shè)峰值點(diǎn)左右兩側(cè)的譜線分別為第 1k 和 2k 條譜線，這兩條譜線也應(yīng)該是峰值點(diǎn)附近幅值最大和次最大的譜線。顯然， ? 的數(shù)值范圍是 ? ?,? ，它是以原點(diǎn)為對(duì)稱的。當(dāng)窗函數(shù) w（ n）為實(shí)系數(shù)時(shí)，其幅頻響 (2 )wf? 是偶對(duì)稱的，因而函數(shù) ??g 及其反函數(shù) ??1g? 是奇函數(shù)。多項(xiàng)式逼近是一種近似計(jì)算復(fù)雜連續(xù)函數(shù)值的數(shù)值方法。而且，隨著硬件乘 法器在微處理器中的廣泛應(yīng)用，多項(xiàng)式逼近的計(jì)算公式易于采用程序代碼實(shí)現(xiàn)。 在對(duì)幅值進(jìn)行修正時(shí)，直接對(duì) 1k 和 2k 兩根譜線進(jìn)行加權(quán)平均，從而計(jì)算出實(shí)際的峰值點(diǎn)的幅值。對(duì)于一般的實(shí)系數(shù)窗函數(shù)，當(dāng) N較大時(shí)，式（ ）可進(jìn)一 步簡(jiǎn)化為 1 12( ) ( )A N y y v ????的形式，其中 ()v? 是偶函數(shù)。這樣修正算法的計(jì)算公式可改寫為： 1 2 22 1 0 2 2( ) ( . . . )llA N y y b b b???? ? ? ? （ ） 式中 0b ， 2b ... 2lb 為多項(xiàng)式的偶次項(xiàng)系數(shù)。當(dāng)采用一些典型的窗函數(shù)時(shí)，可由上述的多項(xiàng)式逼近和雙譜線修正算法推導(dǎo)出幅值、相位的簡(jiǎn)單實(shí)用的修正公式。 而在存在諧波的非正弦情況 F，有功功率定義為： 01TP uidtT? ? （ ） 11 經(jīng)離散化后，以一個(gè)周 期內(nèi)有限個(gè)采樣電壓和電流瞬時(shí)值來(lái)代替一個(gè)周期內(nèi)連續(xù)變化的電壓和電流函數(shù)值，則單相有功功率離散化后得： 101 ( ) ( )NnP u n i nN??? ? （ ） 其中： P有功功率 N個(gè)周期內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù) )(nu 、 )(ni 電壓、電流瞬時(shí)采樣值 三相總的有功功率為各單相有功功率之和 : 1 1 10 0 01 ( ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) )N N Na a b b c cn n nP u n i n u n i n u n i nN? ? ?? ? ?? ? ?? ? ? （ ） 單相視在功率的測(cè)量： IUS ?? （ ） 其中： U、 I電壓、電流有效值 視在功率為各單相視在功率之和： A A B B C CS U I U I U I? ? ? () 無(wú)功功率 為 ： 22 PSQ ?? （ ） 根據(jù)已經(jīng)所得的有功功率和視在功率，可得功率因數(shù)： cos( ) PS? ? （ ） 本章小結(jié) 本章主要 從理論上分析了本裝置所需測(cè)量的電壓／電流有效值、功率 等的測(cè)量原理，并給出了具體計(jì)算公式 。其中，數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)從電網(wǎng)中采集各種數(shù)據(jù)，完成各種數(shù)據(jù)處理工作。兩部分之間通過(guò)串口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸 數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)是整個(gè)測(cè)試裝置設(shè)計(jì)中 最為重要的一部分，儀器的絕大部分測(cè)試功能都依靠這一部分來(lái)實(shí)現(xiàn)。 信號(hào)調(diào)理模塊：由電壓電流互感器、濾波電路、換檔電路等組成，主要完成信號(hào)的變換和調(diào)理。 存儲(chǔ)器模塊：由 SDRAM芯片 HY57v6432200CT和 FLASH芯片 39VF400A組成。 RS232通訊模塊：由電平轉(zhuǎn)換芯片以及相應(yīng)的外圍電路組成。 鍵盤和顯示電路 :是人工干預(yù)系統(tǒng)的主要手段，與顯示器同屬人機(jī)通信部分。互感器構(gòu)成了信號(hào)檢測(cè)部分，電壓?jiǎn)卧獮殡妷夯ジ衅?PT，電流單元為電流互感器 CT，具體電路如圖 和圖 所示。 由電流互感器副邊輸出的是交流信號(hào)，存在正負(fù)特性。再把信號(hào)送入到 A／ D轉(zhuǎn)換口 。測(cè)頻電路設(shè)計(jì)如圖 所示： 選擇三相電壓電流 6路信號(hào)的其中一路作為基準(zhǔn)進(jìn)行跟蹤，這里選擇 1 路電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)首先經(jīng)過(guò)前端由 LM324 構(gòu)成的射極跟隨器，射極跟隨器起緩沖、隔離、提高帶載能力的作用，然后通過(guò)由 LM339 構(gòu)成的過(guò)零比較電路將其轉(zhuǎn)換成與電壓信號(hào)頻率相同的方波信號(hào)以采集頻率信息。 眾所周知， A／ D轉(zhuǎn)換器的種類繁多，性能各異，主要包括以下幾種：雙斜積分型、逐次逼近型和閃電式 A／ D轉(zhuǎn)換器。這得益于其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 而選擇 AD轉(zhuǎn)換器需要先確定 AD轉(zhuǎn)換器位數(shù)及信號(hào)的采樣頻率，所以在設(shè)計(jì)硬件電路之前需要確定這兩個(gè)參數(shù)的理論值。同時(shí)，本裝置在設(shè)計(jì)中，需要在 5個(gè)周波中采樣 1024個(gè)點(diǎn)，采樣頻率需要大于 10500Hz。還要知道信號(hào)彼此之間的相位關(guān)系，這就要求采用同步采樣技術(shù)來(lái)獲得準(zhǔn)確的信息。同 步采樣模塊一般采用多個(gè)采樣保持器、多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)和高速分辨率的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換囂來(lái) 15 構(gòu)成，這樣構(gòu)成硬件開(kāi)銷很大，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，且同步效果不一定理想，如果能找到合適的 A／ D轉(zhuǎn)換芯片，具有 6通道，且 6通道能夠同時(shí)采樣，則可以省去多個(gè)采樣保持器、多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，使設(shè)計(jì)工作大為簡(jiǎn)化，且使準(zhǔn)確度得到保證。 ADS8364為 250kHz、 6通道同步采樣的 16位逐次逼近 ADC，是 TI公司專為同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)的高速、低功耗 A／ D轉(zhuǎn)換芯片。當(dāng)三個(gè)保持信號(hào)同時(shí)被選通時(shí)，六通道同步采樣。 ADS8364的時(shí)鐘信號(hào)由外部提供，轉(zhuǎn)換時(shí)間為 20個(gè)時(shí)鐘周期，最高頻率為 5MHz，在 5MHz的時(shí)鐘頻率下 ADS8364轉(zhuǎn)換時(shí)間為 ，相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集時(shí)間為 ，每個(gè)通道的總的轉(zhuǎn)換時(shí)間為 4us， A/D轉(zhuǎn)換完成后產(chǎn)生轉(zhuǎn)換結(jié)束 信號(hào) EOC。 A／ D轉(zhuǎn)換結(jié)果為 16位，數(shù)據(jù)輸出方式很靈活，分別由 BYTE、 ADD與地址線 A2A1A0的組合控制。根據(jù) BYTE為 0或者為 1可確定每次讀取時(shí)得到的數(shù)據(jù)位數(shù)，根據(jù) ADD為 O或者為 1可確定第一次讀取的是通道地址信息還是通道 A／ D轉(zhuǎn)換結(jié)果。所以可以直接輸入到 AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換。 ADS8364的 BYTE和 ADD引腳都接地，因此選擇 16位數(shù)據(jù)輸出方式，并且對(duì)每個(gè)通道轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀取通過(guò)地址線 A A A0來(lái)選擇。 ADS8364采用 +5V模擬電源 (AVDD)和數(shù)字電源 (DVDD)。轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào) EOC通過(guò) FPGA引入 TMS320VC5502的中斷引腳 INT0上，每一次轉(zhuǎn)換完后就引發(fā) TMS320VC5502中斷， VC5502在中斷服務(wù)程序中讀取 16位轉(zhuǎn)換結(jié)果。 TMS320VC55X是 TI公司推出的新一代定點(diǎn) DSP芯片， TMS320VC5502就是基于這一代 CPU處理核的定點(diǎn) DSP芯片。 CPU的內(nèi)部總線結(jié)構(gòu)由一條程序總線，三條數(shù)據(jù)讀總線，兩條數(shù)據(jù)寫總線及用于外設(shè)和 DMA控制器的總線構(gòu)成。 16 的主要外設(shè) TMS320VC5502內(nèi)部集成了許多外圍設(shè)備，以便于控制與片外的存儲(chǔ)器、 協(xié) 處理器、主機(jī)及串行設(shè)備的通信。 MCBSP支持對(duì)一系列工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的串行設(shè)備的無(wú)縫連接。 HPI是一個(gè) 8／ 16位的并行接口，可訪問(wèn) C5502內(nèi)部存儲(chǔ)器的 32K字， HPI支持對(duì)一系列主處理器的無(wú)縫連接。 (2)兩個(gè) MAC單 元，一個(gè)時(shí)鐘周期可執(zhí)行兩次乘累加運(yùn)算。 (4)一個(gè) 16bit的 ALU，與 40比特的 ALU并行運(yùn)算。 (6)四個(gè) 40bit的累加器，保留計(jì)算的結(jié)果。 (8)32Kxl6bit的片內(nèi) RAM，分為 8塊 4K 16bit的雙訪問(wèn) RAM (9)16Kxl6bit的片內(nèi) ROM，支持多種自舉裝載模式。 (11)32 bit的外部并行總線存儲(chǔ)器，支持外部存儲(chǔ)器接口。 (13) I／ 0電壓， 。本系統(tǒng)擴(kuò)展的外部存儲(chǔ)器包括 SDROM和 FLASH。 TMS320VC5502內(nèi)外空間都統(tǒng)一編址，整個(gè) EMIF空間分為四個(gè)部分 CE0CE3，每個(gè) CE空間彼此獨(dú)立，可以進(jìn)行不同的訪問(wèn)控制，每個(gè)空間的大小為 4M字節(jié)片內(nèi)的存儲(chǔ)器自動(dòng)跳過(guò)。 SDRAM 接口電路設(shè)計(jì) SDRAM是 Synchronous Dynamic RAM的縮寫，即同步動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器。本系統(tǒng)中采用 SDRAM作為外接存儲(chǔ)器之一，它是 DSP單元存儲(chǔ) A／ D轉(zhuǎn)換后的采樣數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)運(yùn)算輸出的中間及最終結(jié)果的場(chǎng)所。 本系統(tǒng)中選用的 SDRAM為 HYNIX公司的 HY57V643220CT，芯片容量是 2Mx32位，覆蓋 TMS320VC5502的 CE2和 CE3子空間。 FLASH 接口電路設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)是一個(gè)需要脫機(jī)運(yùn)行的 DSP 系統(tǒng)，用戶代碼需要在加電后自動(dòng)裝載運(yùn)行。這樣既 利用了外部的存儲(chǔ)單元擴(kuò)展 DSP 本身有限的 ROM 資源，又充分發(fā)揮了 DSP 內(nèi)部資源的效能。 FLASH 是一種高密度、非易失性的電可擦寫存儲(chǔ)器，而且單位存儲(chǔ)比特的價(jià)格比傳統(tǒng)的 EPROM 要低，十分適合于低功耗、小尺寸和高性能的便攜式系統(tǒng)。 系統(tǒng)中選用的 Flash 存 儲(chǔ)器是 SST39VF400A，該芯片的容量是 256Kx16bit，它是一種低電源電壓芯片，工作電壓為