基于DSP的电网谐波测量仪研制

0 引
言
A n 幅值, 分别为 :
n - 1 bn = t an ( a n ) 2 2
随着微电子、 计算机、 电力电子技术的迅猛发展, 大量新型高效电力电子设备得到广泛的应用。这些非 线性负载的大量增加 , 加上炼钢电弧炉、 电焊机等非线 性负荷, 使供电网中的波形不再是单一的 50 H z 正弦 波形 , 还包括一系列频率为基波整数倍的正弦波分量, 这些分量被称为谐波。在电网中, 如果谐波的成分超 过了一定程度, 会引起严重的危害和后果, 对设备构成 威胁和损害。本文提出一种基于 M AX125 数据采集 系统和 T M S 320L F 2407 的便携式谐波测试仪的设计 方案
11
100%
2
( 14)
T H D=
图1 系统结构图
n= 2
Un
U1
100 %
( 15)
由于汇编的效 率比较高, 所以从初始 化, 数据采 集, F FT 转化和结果输出 , 都用汇编指令。首先 , 加电 以后对 DSP 和 MA X125 芯片进行初始化。初始化可 以选择工 作模式, 另外读一次 M AX125 对 应的输出 口, 使得它可以正常复位 , 并清除因系统上电所引起的 虚假的转换完成信号。程序流程图如下 :
汤 琛 , 邹云屏 , 黄 柱 , 徐丽娟 ( 华中科技大学电气与电子工程学院 , 湖北 武汉 430074) 摘要 : 电力谐波测量是电能质量分 析和改善不可缺少的 环节 。 文章介 绍了一 种基于 T M S 320L F2407 的谐 波测量 仪 的研制 。 并用 M A X125 芯片作为 A/ D 采样来代替 T M S 320 L F2407 的内部 A / D 采样 , 克服了该 D SP 内部只有 10 位 A / D 的不足 , 最后以液晶显示 。 实现了高精度 、 高可靠性的谐波测量 。 关键词 : 谐波测量 ; 数字信号处理 ; M AX125 中图分类号 : T M 935 文献标识码 : A
[ 1]
( 3)
。
1 谐波测量原理
电力输电线路中的电压和电流的正弦信号 , 受非 线性负载的影响 , 电网的波形会发生畸变, 畸变后的波 形函数仍然为周期函数, 且满足狄里赫利条件 , 可以用 傅里叶级数法把电压和电流分解成基波和一系列谐波 的叠加。设电网只有 L 次谐波, 即
L
u( t) = a0 + n = 1( an con w t+ b n sin w t) i ( t ) = c0 + n= 1( c n co snw t+ d n sin nw t ) 式( 1 ) 中,
0
( 1) ( 2)
A n = a n + bn ( 4) 只要将 an 和 b n 解出, 就可以得 n 次谐波的幅值 和相位。根据傅里叶级数理论 : 1 T2 an = T u( t) cos nw t dt ( 5) T -2 1 T2 bn = T u( t ) sin nw t dt ( 6) T -2 U( n) = a n - j b n ( 7) 因为 e - j nwt = cosnw t- j sinnw t ( 8) 则有 1 T2 U( n) = u( t ) e- j nwt dt ( 9) T -T 2 U( n) 正是傅里叶变换公式 , 所以 1 an = [ U( n) + U * ( n) ] ( 10) 2 1 * bn = [ U( n) - U ( n) ] ( 11) 2j an 和 b n 正对应于经傅里叶变换后的实部和虚部。 由此可以求得各次谐波的幅值和相位。实验中对连续 信号 u( t) 在基波周期内进行 512 点同步采样 , 得到时 域内 电压序列后经 F FT 变 换为频域内的复 序列 { U ( u) } , 再利用以上公式解各次谐波参数。对于式 ( 2) , c0 是直流分量, 是 i ( t ) 在一周期内的平均值, 而 cn 和 d n 为傅里叶级数。
n
) 为: ( Re[ U n ] ) + ( Im [ U n ] )
n 2 2
( 12) ( 13)
= arct g
Im [ U n ] Re[ U n ]
由上式计算出三相电压各次谐波分量的有效值和 初相位之后, 可以算出各次谐波电压含有率 ( H RU n ) 和谐波畸变率( T H D) , 分别为 H RU n = Un U1
[ 3]
图3
程序流程图
4 实验结果
为使实验结果更具备普遍性, 在电网中注入一定 量的三次谐波作为输入信号, 图 4 是用示波器取得其 中一相的输入信号波形。 图 5 与图 6 是用软件 Wav est ar 分析示波器波形 的结果。 图 7 与图 8 是仪器分析的液晶显示结果。 由于电网 谐波主要是奇 数次的 , 这在 Wavest art 的分析中也得到了肯定。考虑到显示时位置的大小, 略去了偶数次谐波。对比图 6 与图 8 的结果可以看到
是 14 位的 A/ D 转换器, 其输出值最大为 3F FF , 采用 512 点的 F F T 变化 , 数据输出格式为: 实部、 虚部数据 交替顺序存放, 即电压各次谐波分量的实部 ( R e ) 和虚 部( I m ) 交 替存放 , 所以 三相电 压各 次谐波 的有 效值 ( U n ) 和初相位 ( Un =
是直流分量, 是周期函数 u( t ) 在一个周期
n
内的平均值;
和 b n 为傅里叶级数的系数 , 它们是 n
n
次谐波的直角坐标分量, 相应于 n 次谐波的相位
和
收稿日期 : 2006 - 02 - 10 作者简介 : 汤 琛 ( 1983- ) , 男 , 硕士研究生 , 研 究方向为谐 波 测量与电网参数测量 。
通信电源技术
2006 年 5 月 25 日第 23 卷第 3 期 T elecom P ower T echno lo gies M ay 25, 2006 , V ol. 23 N o. 3
文章编号 : 1009 - 3664( 2006) 03 - 0025 - 03
研制开发
基于 DSP 的电网谐波测量仪研制
2 系统构成
图 1 是由 M AX125 和 L F2407 组成的采样系统结
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构图。被采样信号首先通过隔离与差分输入 , 再进入 低通滤波 , 然后通过 M AX125 采样。差分输入是为了 抑制共模干扰, 滤波的作用是滤除高频谐波, 防止频谱 混叠。 由于 M AX125 是5 V 电压供电的芯片, 而 LF 2407 是3. 3 V 供电的芯片 , 它们之间的电平不匹配 , 要加电 平转换芯片 才能传 递信号。在这 里, 它们 之间 接了 SN 74AL VC 164245, 这是双向 16 位的电平转换芯片, 从而保证了信号之间的正常传递。
图 2 锁相环原理图
图 2 中被测的电网信号经过带通滤波和过零比较 器整形, 过零比较器输出信号与压控振荡器输出的经 过分频器分频的信号在鉴相器内进行相位比较。鉴相 器输出直流信号的幅度与相位差成比例。鉴相器的输 出经低通滤波器后控制压控振荡器的频率 , 使压控振 荡器输出经分频器分频后的频率向被 测信号频率靠 拢, 直至频差消失, 环路锁定 , 此时压控振荡器输出频 率正好是被测信号频率的 N 倍。用压控振荡器输出 接 MAX 125 的 CONVST 引 脚, 控 制和启 动 A/ D 转 换, 就可以使 N 个采样点均匀分布在电网的一个整波 内, 消除了同步误差 , 实现了无相位差的同步采样
在电力系统的谐波分析中, 由于电力系统中实际 的基频并不正好是 50 H z, 会引起输入信号的频谱泄 漏。为避免这种情况的发生 , 在采样过程中加入锁相 环。如图 2 所示 , 锁相环由鉴相器、 低通滤波器和压控 振荡器三个基本的部分组成。锁相环是完成两个电信 号的自动控制系统, 能实现对输入信号的频率和相位 进行自动跟踪。锁相环与外界的分频器构成频率倍增 电路。
。
3 程序
FF T 变换使用的是 512 点基 - 4 运算, MA X125
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汤
琛 等:
基于 DSP 的电网谐波测 量仪研制
T elecom Pow er T echnolog ies M ay 25Developm ent of H arm onics M easuring Instrum ent Based on DSP
T A N G Chen, ZO U Yun - ping , H U A N G Zhu, XU Li juan ( Huazho ng U niver sity o f Science and T echnolo gy , W uhan 430074 , China) Abstr act: T he H armonic measure is ver y impor tant fo r the po wer qualit y monito ring and o pt imizatio n. T his paper in t roduces the applicatio n o f T M S320 L F2407 in a harmonic measur ing inst rument. By using M AX 125 for sampling instead o f DSPT M S 320 LF 2407' s on - chip A DC. T he analy sis sy st em has hig her per for mance - to - pr ice ratio, precision and reliability. Key wo rds: H armo nics measur e; DSP ; M A X125
图 7 实验结果频谱 图 4 输入信号波形
Frequency Fu ndam ent al H armonic 2 H armonic 3 H armonic 4 H armonic 5 H armonic 6 H armonic 7 H armonic 8 H armonic 9 H armonic 10 H armonic 11 H armonic 12 H armonic 13 H armonic 14 H armonic 15 H armonic 16 H armonic 17 /Hz 50. 050 100. 10 150. 15 200. 20 250. 25 300. 30 350. 35 400. 40 450. 45 500. 50 550. 55 600. 60 650. 65 700. 70 750. 75 800. 80 850. 85 V olt age R M S/ V 2. 4471 8. 8426 m 1. 2337 1. 9397 m 57. 980 m 5. 7190 m 97. 068 m 1. 6535 m 38. 569 m 2. 6785 m 26. 428 m 927. 77 7. 0068 m 2. 1308 m 8. 4378 m 951. 04 1. 3861 V ol t age of Fu nd/ % 100. 000 0. 157 50. 414 0. 079 2. 369 0. 234 3. 967 0. 068 1. 576 0. 109 1. 080 0. 038 0. 286 0. 087 0. 140 0. 039 0. 057 V ol tage Phas e 0. 0000 - 20. 758 35. 332 175. 97 - 6. 0840 - 58. 052 30. 659 - 152. 87 57. 085 - 170. 49 - 25. 395 - 2. 5248 95. 951 159. 55 - 16. 138 50. 544 - 132. 24