基于TMS320F2812DSP的电能质量监测装置的设计

锁相环电路现在一般使用集成锁相环芯片 CD4046，利用其相位比较器Ⅱ，中心频率设为12K。电 网频率为f，经过128倍频后，将128f的方波信号送入 F2812引脚XINT1，该信号称为同步脉冲。通过锁相环 产生同步触发信号的功能框图，如图2所示[3]。
电流持续1秒； （3）波峰系数：≥3。
摘要：由于传统电能质量监测系统的不足,本文提出了一种基于TMS320F2812的监测电能质量新方法。本系统主
要利用DSP芯片强大的数据处理能力和丰富的系统资源，对同步采样来的信号进行处理,从而对电能质量的五
项指标进行分析、存储。实验结果表明,TMS320F2812对数据的处理速度满足实时性要求,本系统能够快速、准确
0引言 随着国民经济的发展，电能作为一种特殊的商品
越来越受到人们的重视，如何保证电能安全、可靠，特 别是合格的供给用户，已经成为供电部门和用户双方 共同关注的问题。由于电能质量的下降，劣质的电能 已经给现在精细行业的生产部门造成了很大的经济 损失，所以研究和设计电能质量监测装置来监测和记 录电能受到的扰动和变化，为供电部门和电力用户提 供控制和改善电能质量的依据，是非常有必要的。
等。下面对这几个指标进行简要说明。
1.1 电压偏差
电力系统正常运行的电压偏移，称为电压偏差，
以实测电压与标称系统电压之差或其百分值来表示：
ΔU%= (U-Ue) ×100% Ue
（1）
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总第 46 卷 第 518 期 2009 年 第 02 期
电测与仪表 Electrical Measurement &Instrumentation
（2）
尽管广义的闪变包括电压波动的全部有害作用，
但不能以电压波动来代替闪变。电压闪变是指人眼对
电压波动所引起的照明异常而产生的视觉感受。电压
闪变情况的检测可以根据式（3）求出。
n
δu(t)=u(t)-(-1) u［t-
nT
］
2
（3）
式中u(t)为当前时刻的采样值；δu(t)为突变值。
当由式（3）算出的突变量值大于设定值时，判为
电压闪变。
1.3 频率偏差
电力系统负荷在不断地变动，电源出力及其调节
系统追随负荷变化又有一定的惯性，致使系统频率总
是一直处于变动的状态中。频率偏差是指电力系统频
率的实际值和标称值（50Hz）之差或其差值Δf与标称
值之比的百分数Δf％表示：
Δf%= f-fe ×100% f
（4）
式中f为频率实际值，单位Hz；fe为供电网频率标称值， 单位Hz
姨姨 姨
2姨 姨 姨
a a × B 姨 姨 姨 姨姨 姨
姨姨 姨
2
a
姨姨 姨
a C 姨 姨 姨 姨姨 姨 姨
在有零序分量的三相系统中，应用对称分量法分
别求出正序分量和负序分量，便可求出不平衡度：
εU=
U2 U1
×100%,
εI=
I2 I1
×100%
（7）
式中U1、I1为电压、电流的正序分量的方均根值；U2、I2
整个电能质量监测系统的硬件原理图如图1所
换器的选择原则。
示。
!

SPI

TMS

AD
AD 320

8364
F2812
SCI


XINTF

图1基于DSP的电能质量监测装置的硬件原理图 Fig.1 The hardware schematic of the power quality monitoring device based on DSP
为电压、电流的负序分量的方均根值。在没有零序分
量的三相系统中，已知三相量a, b, c用下式求不平衡
度：
姨εU=
1-姨% 3-6L 1+姨% 3-6L
×100％
2
式中L=(a4+b4+c4)/(a2+b2+c2) 。
（8）
2 电能质量监测装置硬件电路设计
在微机构成的实际电网测量中，采样频率的选择
是微机保护与硬件设计中的一个关键问题。采样频率
地反映出电力系统中电能质量各项指标的变化情况。因此,本系统很好地适应了电力系统对电能质量监测的要
求。
关键词：电能质量监测；TMS320F2812；电能质量指标；ADS8364
中图分类号：TM933
文献标识码：B
文章编号：1001-1390（2009）02-0043-05
Design on Equipment for Power Quality Monitoring Based on DSP2812
Vol.46 No.518 Feb. 2009
式中U为检测点电压实测值；Ｕe为检测点标称系统电 压。
1.2 电压波动与闪变
电压波动是指工频电压包络线的一系列变动或
周期性变化，常以两个电压波形极值电压均方根值
（或峰值）Ｕmax和Ｕmin之差相对于额定电压UN的百分数 表示。即电压波动值d为：
d= Umax-Umin ×100% UN
2.4 A/D 模块
器的截止频率为奈奎斯特频率(采样频率的一半)。谐
AD转换器是模数转换电路中的核心器件，在整
越高，要求微型机的运行速度越高。电能质量监测装 置是一个实时系统，数据采集部分以采样频率不断地
向监测装置输入数据，监测装置的微型处理器必须要
来得及在两个相邻采样间隔时间Ts内，处理完对每一 组采集值的各种操作和运算。为了满足对30次谐波测
量的采样，根据采样定理和实际工程的要求，我们采
用每周波采样128次。传统的51系列和96系列的单片 机在多个通道同时采样的情况下，无法满足实时测量
与运算的要求。而数字信号处理(DSP)技术的快速发 展，为电能质量实时监测提供了理想的解决方案。
对于A/D转换的位数，它决定了量化误差的大小，
反映了转换的精度和分辨率，这一点对继电保护和测
量装置十分重要。由于电力系统中高次谐波的含有量 相对于基波分量而言是非常低的，谐波次数越高其含
量越低。根据实测数据，如果采用12位分辨率的A/D 转换芯片，因为A/D转换精度不够，对15次谐波而言至 少会引起1.67%的误差，而且在实际谐波测量中一般
1.4 谐波分析
谐波源使得实际的电压波形偏离正弦波，这种现
象称为电压正弦波形畸变，通常以谐波来表征。利用
快速傅立叶变换FFT（Fast Fourier Transform）信号中各
次谐波分量从频域中分离出来，求出信号各次谐波的
幅值和相角，然后用相应的公式求出谐波电压含量
UH、电流含量IH、Leabharlann 次谐波电压含有率HRU（h ｈ为谐波
2.1 电流、电压变换器
定步长对电力系统的信号进行采样，会使实际每个工
为了尽可能使采样到DSP的信号逼近于原始信 频周期内采样点的起止时刻、采样点个数出现差异，
号，还应选择合适电流、电压变换器进行测量和转换， 这种差异将导致栅栏效应和频谱泄漏，使信号频谱分
使信号调整成适合AD转换的大小。
析的结果产生误差。为了尽量减小这种误差，设计锁
要求测到30次谐波，这样产生的误差影响会更大, 高 次谐波测量数据将没有可信性，因此现场监测单元中
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A/D转换器的分辨率至少应保证为14位，这是A/D转
SHAO Yu-huai，XIE Peng-hai，ZHANG De-zhi (College of Electrical & Power Engineering of TUT, Taiyuan 030024, China)
Abstract:Because of the shortcoming of the traditional monitoring systems of power quality, this article advances a new monitoring method of power quality which is based on TMS320F2812. The system makes use of the powerful data- processing capability and the wealth of system resources of DSP to process the sampled signals. Thereby the system can analyze and display the five targets of the power quality. The results of the experiment show that the speed of TMS320F2812 processing data can satisfy the requirement of the online monitoring. The system can reflect the changes of each power quality target quickly and accurately. Therefore, the system can well be adapted to the power quality monitoring requirements. Key words：Monitoring the Power quality, TMS320F2812, power quality indexes, ADS8364
根 据 所 选 AD转 换 芯 片 输 入 的 要 求 ，
可选择合适的变换器。
2.2 抗混叠滤波电路设计原则
图 2 同步采样电路功能框图
抗混叠滤波电路实质就是迫使信号
Fig.2 Synchronous Sampling circuits function diagram
通过一个有限带宽的低通滤波器，该滤波
根据《电能质量监测设备通用要求》[3]知：
相倍频电路跟踪系统频率的波动，同时根据设计的每
电压信号输入回路：
周期采样点数用一个计数器对系统频率进行倍频，倍
（1） 范围：互感器接入法：标称定电压100V/ 频后的信号作为A/D转换的采样触发信号。
姨３ ，过载能力：100V连续； （2）波峰系数：≥2。
电流信号输入回路： （1）范围：标称电流1A(220kV)，5A(110kV)； （2）过载能力：1.2倍额定电流连续，2倍额定
IEC标准对电能质量的定义: 电能质量是导致用 电设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率偏 差。其内容涉及频率偏差、电压偏差、电磁暂态、供电 可靠性、波形失真、三相不平衡度以及电压波动和闪 变等[1]。
* 山西省自然科学基金资助项目（2006011032）
文 中 提 出 了 一 种 基 于 数 字 信 号 处 理 DSP (Digital
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基于TMS320F2812 DSP的电能质量监测装置的设计*
邵玉槐，谢朋海，张德志
（ 太原理工大学 电气与动力工程学院，太原 030024）
1.5 三相电压不平衡 不平衡度表示电力系统中三相不平衡的程度，用
电压或电流负序分量与正序分量的方均根值百分比
表示，电压或电流不平衡度分别用εＵ或εI表示。
A姨
姨
姨 姨
0
姨 姨
1姨
姨 姨
姨
姨
姨
姨
1 姨
姨
A = 姨 1 姨
姨
姨
3 姨
姨
姨 姨
1姨
姨 姨 姨
A姨姨
姨
2
姨姨 姨
1姨
姨 姨
1 1 A 姨 姨姨 姨 姨姨 姨
次数）、各次谐波电流含有率、电压总谐波畸变率HRIh
和电流总谐波畸变率THDi：
HRUh=
Uh U1
×100%
HRIh=
Ih I1
×100%
（5）
%∞
%∞
姨∑ 姨∑ UH=
2
u k=2 k IH=
2
i k=2 k
THDu=
UH U1
×100％
THDi=
IH I1
×100％
（6）
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式中Uk为谐波电压方均根值；U1为基波电压方均根 值；Ik为第k次谐波电流方均根值；I1为基波电流方均 根值。
Signal Processing)的实时电能质量监测装置，利用DSP
芯片强大的数据数处理能力，可满足系统的大量运算
和实时处理数据的要求，研制该装置对增强电网监测
的实时性，提高供电的安全性和可靠性都有十分重要
的意义。
1 电能质量指标及其算法[2]
电能质量指标主要包括以下几项内容：电压偏
差、频率偏差、谐波及其引起的波形畸变、三相平衡度