基于TMS320LF2407的电力谐波分析系统研究

图 6 上位机界面图 在研制监控仪(采用精度为 0.1 级的传感器和 10 位 A/D 转换器)上进行试验，同时与电能质量 FLUKE 检测值进行了对比。检测数据 精度很高，均符合部标和国标的 检测装置 表明:电压、电流
分析系统误差主要来源于两个方面:硬件电路 (包括传感器、 A/D转换器)所产生的误差和程序计算 所产生的误差。由于计量部分没有滤波电路，所以 其硬件电路的主要误差来源于传感器和10位A/D转 换器。选用的传感器精度为0.1级，即测量误差为真 值的0.1%；A/D转换采用10位A/D转换器，能分辨 出满刻度的0.0977%。综合上述误差，硬件电路所 产生的总误差为0.293%。FFT软件计算误差小于 0.072%，则本装置测量部分的硬件和软件总的理论 误差为0.365%，在0.4级以内。 相应可知功率和电度 的理论误差小于0.3%，在0.5级以内。 由于选择快速高精度的处理器DSP，从而极大 地提高了测量精度。总之，在硬件技术、计算机通 信、 网络数据处理技术日新月异的配合下， 基于DSP 的谐波分析仪将会发挥更大的作用。
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u (t )
由 FFT 的结果可以得出各次谐波的含量， 经计算 可以得到总的谐波畸变率(THD)，根据 S=Uk• Ik/2 可以求出视在功率，进而求得功率因数和无功功 率。
3 样机研制及误差分析
研制样机集数据采集、实时录波、电能质量 分析等多种功能于一体，能充分满足企业用户或 电力局对电网电能质量监测、分析的要求。研制 的样机外观电路图如图 3 所示：
L
L
n
（ 2）
图 4 DSP 采样电压波形图
I nm sin( n t n )
n 1
根据测量到 N 点的电压序列{u(n)}和电流序 列{i(n)}可构造一个复序列 x(n)=u(n)+ji(n)，(0≤n ≤N-1)。 进一步进行 DFT 计算并考虑其复共轭性 质，则可得到电压、电流的频谱为：
作者简介：
王建元（1971-），男，陕西人，汉族，教授，主要研究 方向为电力系统稳定控制及电力电子技术。 李 明（1981-），男，吉林人，汉族，硕士，主要研究 方向为电能质量监测。
3
基于TMS320LF2407的电力谐波分析系统研究
作者： 作者单位： 王建元， 李明， 王晶浩， 程琳琳 东北电力大学,吉林吉林,132012
标准要求。其中对 a
参考文献
[1] [2] 史国栋，蒋益兴。电能质量采集系统的现状与展望[J].煤矿自 动化, 2001， l3（6） ： 19-21。 李必涛， 文劲宇。 基于 DSP 的智能型电力监测仪的研究 [J] 。 电力设备自动化，2000，28（4） ： 33-36。 [3] [4] TMS320LFC1X/C2X/C5X/240X User’ s Guide。 刘旭明。 谐波分析高效算法研究[J]。 武汉大学学报， 2004， 37 （4） ： P.110-112。 Assembly language Tools
相电压检测 1－19 次谐波的对比数据如下表所示： 表 1 a 相谐波检测数据
谐波次数 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 FLUKE 测量 3.0302V 0.0012V 0.0302V 0.0002V 0.0102V 0.0005V 0.0022V 0.0020V 0.0012V 0.0001V 0.0002V 试验 DSP 测量 3.0310V 0.0022V 0.0252V 0.0002V 0.0302V 0.0004V 0.0018V 0.0022V 0.0011V 0.0001V 0.0000V
U ( k ) 1 [ X ( k ) X * ( k )] 2 1 * I (k ) [ X ( k ) X ( k )] 2 j
由前述复序列 FFT 公式可对 DSP 采样数据进 行 FFT 分析,本例采集带有 3，5 次谐波的电流电 压样本进行分LASH，使得存储变 得很方便[3]。 硬件电路主要包括采样电路、 中央处理单元、 复位电路、键盘和液晶显示功能等几个部分。整 体结构图如图 1 所示：
锁相环电路 电流互感器 外围 调理 电路
TMS320L F2407 AD 模块
液晶 键盘
0 引言
随着电力事业的迅猛发展，大量的非线性电 力电子装置、冲击性负载以及非对称性用电设备 在各工业部门和电力系统中广泛应用，这给电网 带来了电压与电流波形畸变、功率因数降低、三 相不平衡等严重的电网污染，使得电网中谐波大 量存在，造成电能质量日益恶化[1]。为此，对电 网的谐波监测与无功功率的补偿势在必行。 因此基于 DSP 控制的高精度电力系统谐波 检测装置也应运而生，该装置使用高速运算 TMS320 型号 DSP，硬件电路简单可靠[2]。实现 对三相电压、电流、有功功率、无功功率、视在 功率、 功率因数、 电能电度等的精确测量和计算。 装置的实际运行环境中存在大量的谐波与噪音等 干扰，实际采样得到的电参量信号中含有大量的 干扰信号，这样导致测量出现很大误差。为了提 高装置在测量数据时的测量精度，在数据高精度 处理过程中，首先要选择合适的数据处理算法， 然后再依据数据处理算法采用各种干扰抑制、去 除等综合方法，提高电参量数据的测量精度，达 到装置的实时监控与动态补偿的要求。
图 2 锁相环电路图 由抬升电路和锁相环电路共同组成了采样电路的外围调 理电路，保证了采样信号满足 DSP 的采样要求。
位。由此可计算离散化的电压、电流有效值和有 功功率的计算公式为（N 为采样点数） ：
2 [ X I ( N k ) X I ( k )] [ X R ( N k ) X R ( k )] U k 2 2 I [ X I ( N k ) X I ( k )] [ X R ( N k ) X R ( k )] k 2 1 P [ X ( K ) X ( N K )] X ( k ) X ( N K )] I I R k N R
1
由于 TMS32LF2407 芯片的 AD 采样最大只 能送入 3.3V 的电压信号，因此，在将电流、电压 信号送到 AD 口之前要经过电流互感器和电压互 感器进行调理，为了使引入的信号免受外界的干 扰，互感器类型的选择和调理电路的抗干扰应特 别注意。 1.1 外围调理电路 对于电力系统电参数进行数据采集而言，首 先要对外围调理电路进行设计，DSP 的工作电压 为 3.3v, 本设计采用的调理电路为抬升电路，在 调理电路就需要将采集量变换成 0～3.3v。 要求输 入电压峰值小于 3.3v。采用二极管起到钳制电压 的作用。 其次需要满足采样定理，同时需要在采样周 期内采整周期采样点。 基于上述考虑,应实现严格 的同步采样，否则会引起采样的频谱泄漏，带来 很大的测量误差。设计中利用硬件锁相环电路来 实时跟踪锁定采样信号频率的变化，从而及时调 整采样速率来实现同步采样。锁相环电路图如图 2 所示：
基于 TMS320LF2407 的电力谐波分析系统研究
王建元，李 明，王晶浩，程琳琳
（东北电力大学，吉林 吉林 132012） 摘 要：本文论述的电力谐波分析系统,采用信号不间断
采样技术，同时利用 PLL(锁相环)来实现采样窗口与被测 信号周期的同步。应用高速 DSP TMS320LF2407 执行复 序列 FFT 算法， 得出了实际运行时间的结果, 并将数据上 传到上位机系统做进一步分析利用。 最后验证结果真实可 靠精度高，有实际应用价值。 关键词：数据采集;傅立叶变换;数字信号处理器
（ 3）
由此对由电流电压组成的函数 X(k) 进行傅 立叶变换就可以推算出任意次谐波的幅值和相
2
图 5 DSP 采样电压 FFT 分析波形图 利用 RS232 串口与上位机进行通讯,具有接口方便快速的
特点。上位机界面由 VB 编写，可以实时显示下位机传上 来的各项数据， 并形成标准图表、 电压事件曲线和谐波事 件曲线并保存在历史数据。 应用这些曲线和电压公差曲线 可以估计出每年当地监控设备的断路次数， 还可以根据这 些数据预测电压事件的影响范围。 总谐波畸变率 THD 通常 被用来评定谐波畸变。谐波事件曲线显示 THD 及其累计 值，例如 CP95 表示总谐波失真在累计次数中占 95%，用 来表示现场谐波失真情况。上位机界面如图 6 所示：
图 3 研制的样机前面板外观图
u
n 1
L n 1
L
n
(t )
（ 1）
U nm sin( n t n )
采样的电压电流信号引入调理电路，然后由 调理电路引入 DSP 处理器 AD 输入端进行采样分 析。电压电流的采样波形图如图 4 所示：
i (t )
i (t )
n 1
2 2
2 谐波控制器软件设计
谐波分析仪软件设计的核心就是对信号中的 谐波分量进行分析，傅里叶算法划分信号时具有 很好的频率特征，电压电流信号经傅里叶变换后 可以准确得到各次谐波值 , 但许多改进方法如短 窗傅里叶变换、小波变换等各自都有局限性。短 窗傅里叶变换的时—频窗口没有自适应性，而且 难以实现高效的算法。小波变换在频谱分析方面 并没有显现出较高的优越性，而且数据经小波变 换后得到的是小波系数不是频谱值， 缺乏直观性。 综合以上考虑， 采用复序列 FFT 算法进行谐 波的分析与数据的实时处理。装置检测的三相电 压和三相电流都是实函数， 根据 FFT 的运算特性， 可将每一相的电压、电流分别组合成复数数据进 行运算，再经过分解得到每一相电压、电流的各 次谐波值[4]。采用此方法比分别计算两个实函数 的 FFT 节约近一半的运算时间和 DSP 的内存空 间，具有较大的优越性和实际操作性。 本设计在一个周波内对三相电压电流分别采 集 64 个点的值， 应用如下算法可以计算出三相基 波电压、基波电流及负序电流有效值。设输入信 号畸变电压和畸变电流含有 L 次谐波的形式：