基于DSP的多功能电参量测试仪的研制

基于DSP的多功能电参量测试仪的研制
朱自科，李亚娟
云南省计量测试技术研究院
摘要：本文介绍了以TI（德州仪器）公司TMS320C31为核心的多功能电参量测试仪的研制，从硬件电路、系统构成及测试原理等方面对该仪表进行了较为详细的介绍、分析和讨论。

关键词：数字信号处理（DSP）；失真度；FFT；电参量
Research on the Basic of Multi-functional Electric Parameter Tester of DSP
Zhu Zike , Li Yajuan
Yunnan Technological Research Institute of Metrology & Measurement Abstract:This text has introduced the research of the tester of multi-functional electric parameter taking Company TMS320C31 of TI (Texas instrument) as the core, and make a comparatively detailed instruction, analysis and discussion to this instrument from hardware circuit , system composition, test principle, etc.
Key words:Digital signal processing(DSP)；Distortion；Fast Fourier transformation；Electric parameter
0、引言
随着工业自动化水平的提高和国民经济的快速发展，各行业对电力系统供电质量的要求越来越高。

同时电力系统的污染现象也日趋严重，特别是各种非线性设备的广泛应用，如各种电弧炉、大容量调速电机、电气化铁道、电力整流设备等，使得电网中的电压、电流波形发生畸变，造成电能质量的严重恶化，甚至发生因谐波干扰而引发的安全事故；如造成电力系统的继电保护和自动装置产生误动或拒动，使各种电气设备产生附加损耗和发热等。

因此，现代工业对电网质量的监测提出了更高的要求。

针对电力系统的要求，我们研制了以DSP芯片TMS320C31为核心的多功能电参量测试仪，它实时提供了电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、频率等电参量的测量，而且能对电力谐波、失真度等进行监测和分析，为电力部门的监测和管理带来了极大的方便。

1、硬件组成及测试方法
多功能电参量测试仪硬件原理框图如图1所示
rsm rsm
T——测量周期
u（t）、i（t）——电压、电流瞬时值
如果对输入信号A/D在一个周期内进行n次采样，电压、电流离散值分别为u（n）、i（n），则根据（1）、（2）、（3）式可得离散后的计算公式如下：
rsm U =
(4)
rsm
I =………………（5） ()()1
1n
k P u k i k n ==⋅∑ (6)
而视在功率 r s m
r s S U I =⋅ ………………（7） 则无功功率
Q = (8)
P
cos S
ϕ=
………………（9） 据上所述，由于TMS320C31具有快速的乘、累加功能，所以在多功能电参量测试仪可很轻易地完成以上的运算。

在频率计算中，由于取数时我们采取了整周期采样原理，其频率测量则可按下式计算：
f =
⨯过零计数器值
采样计数器值A/D 采样周期
(10)
式中，A/D 采样周期为常数，过零计数器值和采样计数器值是根据测量时间的不同而变化的。

由于过零计数值是代表测量时间内测量了几个正弦波的周期，因此过零也是不存误差的，其产生误差来源主要是采样计数器的的截尾误差。

据以上所述，每次测量结束时，需进行5次过零判断，所以其所引进的截尾误差为 5采样值。

在该测试仪中，A/D 每秒采
样8万次，周期为12.5uS ，则其截尾误差为 50.000062580000
= 。

因此，其频率测量精度
可达0.01%以上。

3、谐波、失真度的测量
我们研制的电参量测试仪的谐波及谐波失真度的测量使用了一种全新的测量方法。

用周期信号的频谱分析——三角形式付里叶级数进行测量计算。

设周期信号为f （t ），重复周期T 1，角频率 111
22f T πωπ== ，f （t ）满足狄义
赫利条件时
()011112222cos sin cos2sin2f t a a t b t a t b t ωωωω=+++++
()0111
cos sin n n n a a n t b n t ωω∞
==++∑ (11)
可见f （t ）的直流分量
()01
011t T t a f t dt T +=⎰ (12)
余弦分量 ()01
0112cos t T n t a f t n tdt T ω+=⎰ ………（13） 正弦分量 ()01
011
2sin t T n t b f t n tdt T ω+=⎰ ………（14） 显然输入周期信号的波形决定直流分量的大小及基波与各次谐波的幅度、相位。

在该监测仪中，对连续的正弦波进行1600点的离散（在频率为50Hz 时），则根据付里叶级数定义有
()()011
0110
1122cos cos t T T n t a f t n tdt f t n tdt T T ωω+==⎰⎰ (15)
取T 1=2л，采样值大小用A m ，则
1599
1599
00
121cos cos 1600800m m m m m a A nt A nt ππ===⋅=∑∑ …………（16） 同理 1599
1sin 800m m m b A nt ==∑ ………………（17） 则对于基波或各次谐波分量可从下式得出
n c == ………（18） 根据失真度定义，失真度为谐波电压的有效值的平方根与基波电压有效值之比，则
1
S =
(19)
式中，U 1——电压信号基波有效值
U n ——信号n 次谐波电压有效值
S =
(20)
式中，C 1
——基波幅值（其中，=
幅值基波有效值）
U——输入信号有效值
则
S=
(21)
以上即为谐波及失真度数学计算公式。

在式（18）及（21）中，cost、sint为标准函数取样一周1600点标称值，作为标准函
数值存放程序区中。

由于TMS320C31具有灵活的寻址方式及快速并行乘累加功能，以及DSP专门提供的FFT指令，使得以上运算在DSP中更加快速方便。

4、误差分析
该仪器的测量误差主要由三部分组成，即输入信号的转化误差、A/D的量化误差和运算截尾误差。

①输入信号的转化误差：可采用高精度交流互感器和高精度分压器来控制，如电压输入分压器，我们采用精度为万分之一、温漂为±5ppm/℃的金属箔电阻，就可使其转化误差控制在万分之一以内。

②A/D转换的误差：由于离散化误差和采样点数n成反比，因此，每周内采样点数越多，其量化误差就越小；而A/D的位数决定了量化层的大小和精度，也就决定了幅值量化误差的大小。

因此，我们采用16位、转化时间为12.5uS的A/D，据测算其误差可小于10-5。

③截尾误差：由于该仪器的各种运算都是在TMS320C31中用32位浮点运算完成的，因此，其运算截尾误差可保证在百万分之一以内，完全满足了仪表的精度要求。

5、抗干扰措施
实际应用中，由于运行环境中存在着各种各样的干扰，会导致电参量数据的测量与计算出现随机误差，所以还需对现场运行进行防干扰。

本仪表主要采取了添加硬件、软件为辅的抗干扰方法，来削弱和抑制干扰因素，具体方法如下：
（1）合理安排电路板的线路走向与元器件分布，防止彼此影响；添加去耦电容，增加专门的电源层与地线屏蔽层；
（2）做好强、弱电信号、模拟信号与数字信号之间的隔离，处理好模拟地和数字地之间的连接；
（3）采用软件自监测技术，防止程序紊乱；
（4）设计软件“看门狗”功能等。

6、结束语
利用本文介绍的方法，该仪表的电压、电流、有功功率、无功功率、频率等的测量精度达到0.02级。

在实际运用中，在A/D转换速率和处理器运算能力允许的条件下，增加采样点数和迭代次数都能提高测量的精度。

本文采用TMS320C31型号的DSP控制芯片，使用基于FFT的交流测量算法及谐波测量技术，快速、实时、高精度地再现了电参量的测量值，为各用电部门的测量及管理提供了可靠的依据。

参考文献：
[1] 张雄伟，DSP芯片的原理与开发应用
[2] 刘传林，有源滤波器中对指定整数次谐波检测的算法，电测与仪表，2005（1）
[3] 万红里，一种并行FFT处理器的VLSI结构设计，电子技术应用，2005（5）。