基于DSP的电网参数的测量

引 言随着电力系统的快速发展，电网容量的扩大，使得其结构更加复杂，实时监控，调试的自动化显得尤为重要；而电力调度自动化系统中，电力参数的测量是最基本的内容。

如何快速，准确地采集各种电力参数显得十分重要。

在实际工作中，由于维修人员不能及时得知电网参数，是故障不能及时解决。

传统的电网参数测量系统一般采用的是模拟电路系统，器电路相当复杂，而且测量并不精确。

由于微电子技术的发展，数字芯片的产生，使得数字测量系统逐渐取代模拟测量系统。

当前由于专用的DSP 技术的飞速发展，且运用技术越来越成熟。

DSP 具有强大的运算能力以及丰富的外设资源，根据DSP 的这些优点，基于TMS320LF2407设计了一种电网参数测量系统。

1 电网参数测量原理电网工频参数的测量实际属于交流信号参数的测量范畴，主要有模拟电路测量法和数字采样测量法两大类。

模拟电路测量法适合于交流信号的有效值、功率的测量，而不利于谐波分析且电路相当复杂；数字采样测量方法几乎可以对交流信号的多有参数进行分析、计算。

随着计算技术、微电子技术和半导体制造技术的不断发展，数字采样测量方法已经成为电子测量领域的一种重要方法。

对于周期为T 的电压信号u(t)，在数字化测量系统中首先必须对u(t)进行等间隔采样，获得一时间离散信号序列后再通过数值积分来求取u(t)的有效值。

在一个信号周期内以 T=T/N 等间隔取样N 点，由于u(t)是周期信号，经过数学计算得到便于微处理器实现的公式：（1）由于公式简单，软件编程易于实现，故式（1）是数字化测量系统中求解有效值普遍采用的公式。

同理，针对周期为T 的电流信号i(t)也可以将其离散化，推导出便于微处理器实现的离散化公式：（2） ∑-==12)(1U N n n u N∑-==102)(1N n n i N I在交流电网中，电压与电流的周期T 可以直接利用定时器来测量，再根据f=1/T 就可以直接计算出电压和电流的频率了。

因为电压u(t)、电流i(t)均为周期信号，如果电网质量较好，则u(t)、i(t)可看成或近似看成正弦波，则：式中U 、I 为电压电流的有效值。

有功功率P 的测量是根据u(t)、i(t)的采样值来计算的，每隔微小的时间间隔（相对于T 而言）Ts （采样周期）对u(t)、i(t)采样一次，随即算出瞬时电压与电流之积，然后对测量时间段T 内所有离散采样点上电压与电流乘积求和并取平均，便可得到有功功率的值。

但也可以对功率因数角进行测量，然后再通过（3）式进行计算，这样更为精确，本文采用后者。

对无功功率的测量采用了同样的原理：（4）根据（4）式可知，只要测定了功率因数角，无功功率也可以直接计算出来。

2 硬件电路参数的测量电网参数主要包括电压值、电流值、有功功率、无功功率、视在功率等。

能够直接测量的参数主要有3个，即电网电压有效值、电网电流有效值和电网电压电流的相位差。

只要能将这3个参数测量出来，其他的几个都是凭借DSP 强大的计算功能进行计算，所以这3个参数的测量非常重要。

图1是测量系统的框图：220V AC图1 测量系统框图ϕcos 21UI I U P n n ==）（3ϕsin UI Q =电压传感器电流传感器负载过零检测过零检测调理电路调理电路 CAP ADC DSP2407 ADC CAP显示键盘2.1 电压的测量和相位的检测在测量系统中，所用各个器件都是低压器件，一般为3.3V 或者5V ，所以在测试电网电压220V 时，必须用传感器来采集电网电压。

在此系统设计中选用的是霍尔电压传感器HNV025A 。

HNV025A 是利用磁补偿原理的一种霍尔电压传感器，能够测量直流、交流以及各种波形电压，同时在电气上是高度绝缘的。

其工作原理是：用磁检测器磁芯中次级电流所产生的磁场补偿初级电流所产生的磁场的程度，使之在零磁通状态下工作，因此有等式：（5） N p 初级匝数，I p 初级电流，I s 次级电流，N s 次级匝数，在接入电网电压的时候串接了一个30k Ω的水泥电阻，此电阻主要是用于限流，根据传感器的技术指标可知，初级线圈的额定电流为±10mA ，所以在接入电压的前端加了一个水泥电阻。

传感器工作时必须给其供电，其供电电源是±15V ，所以在工作时要用双电源供电。

传感器的输出信号为电流信号，为了便于测量，就得将电流信号转换为电压信号，这样就在输出端接一精密电阻，再来测定电阻两端的电压。

此传感器主要有两个用途，第一是用于电压的测量，第二是用于相位的检测。

电压的测量直接将传感器输出的电流转换成电压以后经过调理电路接到TMS320LF2407芯片中。

TMS320LF2407具有16路的12位ADC 转换器，所以根本不必要外界AD 转换器就能将待测数据直接接进TMS320LF2407中进行处理，经过TMS320LF2407内部的AD 转换器进行转换，使模拟信号转换成数字信号以后到显示器部分进行显示。

另外TMS320LF2407中12路的捕获口，可以直接用于过零检测来确定相位，测定其周期从而计算出频率。

要保证测量相位的确定性，则要保证经传感器输出信号与电网电压没有相位滞后。

过零检测就是先将传感器输出的正弦信号经过比较器，将其转换成方波，再将方波送到TMS320LF2407的捕获口CAP ，电路如图2所示。

+3.3VIN_U 74HC14 74HC14 CAPLM311图2 过零检测电路s s p p I N I N ··其工作过程示意图如图3所示。

过零点捕获 过零点捕获 过零点捕获上升沿触发 上升沿触发 上升沿触发图3 过零检测工作原理当方波送到TMS320LF2407的捕获口以后，捕获口在方波的上升沿触发采样，打开TMS320LF2407的事件管理器中的通用定时器进行计时，到下一次上升沿到来时定时器关闭，定时器所记时间刚好为一个周期，为了保证测量的精确性，可以将定时器累加后取平均值作为周期，根据f=1/T 来计算频率。

2.2 电流的测量和相位检查电流为电网参数测量中的又一基本参数。

没有电流的测量，根本不可能计算有功功率和无功功率。

电流的测量也是用传感器将其大电流信号转换成小电压信号后再进行处理。

电流传感器同样具有两种功能，第一是电流大小的测量，第二是电流相位的检测。

电流的测量原理跟电压的测量原理是一样，经过传感器出来的信号通过调理电路后接进TMS320LF2407得ADC 转换端口，让TMS320LF2407来完成从采集到显示的过程。

电流传感器采用的是莱姆（LEM ）公司的电流传感器HX50-P ，其技术指标是，原边额定有效值电流50A ，电流测量范围：±150A ，副边额定电压：±4V ，即此传感器输出的为电压信号，根本不必要再进行转换。

在相位检测的时候采用与电压的相位检测同样的原理进行过零检测，以此来确定其周期和频率。

2.3 功率因数的测定在电网参数的测量中除了电网的电压，电流的直接测量外，还有一个因数也非常重要，那就是功率因数的测定。

功率因数ϕλcos =，从公式中可以看到要测定功率因数，最主要的是测定φ，即电压与电流相位的差值。

对于电网电压与电流之间的功率因数角φ是怎么确定的呢？在前面的电网电压与电流的测量的同时都设计了过零检测电路，除了对频率的测量外主要是用于确定功率因数角的。

同一电网中，电压与电流的频率和周期是相等的，只需测定电压与电流过零点间的时间差就可以计算出功率因数角以至于计算出功率因数。

功率因数角的测定原理是：在TMS320LF2407里设置一定时器，在电压的过零点的上升沿信号到来时触发开始计时，在检测到电流的过零点时停止计时，记下这个时间差t ，根据下面的公式就能计算出功率因数角。

当功率因数角确定以后就能计算出功率因数ϕλcos =，这就能计算出有功功率、无功功率以及视在功率。

3 硬件设计和传感器的测试本系统是针对单相电网参数测量而设计的，所以电压测量范围设置为±400V ，以下是电压调理电路，即对电压传感器输出信号进行放大、限幅等一系列的处理。

电网电压经过传感器后，从端口IN_U 入，一路信号是经过LM311比较器进行过零检测，主要是利用频率和相位的测定；一路是经过两级运算放大器后送到TMS320LF2407的ADC 转换端口，由于是交流信号的输入，在前端叠加了一个+5V 的电压，将电压进行抬高，使得全部转换为正电压，再到后一级的运算放大器再进行分压处理。

图4是电压调理电路。

由于电流传感器输出的为电压信号，电路形式可以和电压传感器后级的调理电路相同。

同样经过两级的运算放大后进入TMS320LF2407的ADC 端口进行转换，另一路信号是进行过零检测用于频率和相位的测定。

电流的测量范围设置在±50A ，对一般情况下的电流完全可以进行测量。

图5是电流调理电路。

在电压、电流相位检查的过程中，要保证传感器输出的信号与电网电压、电流信号的相位是严格一致的，这样就能避免设计出的系统自身所存在的误差。

为了验证测试系统不存在系统误差，所以必须对所选用的传感器HNV025A 、HX50-P 进行严格的测试。

Tt ∆=πϕ2)6(图6是电压传感器HNV025A的测试电路，在输入端输入电网电压，用±15V电压给传感器供电，保证传感器能够正常工作，用示波器来测测试端的波形。

图4 电压传感器后级调理电路图5 电流传感器后级调理电路图6 电压传感器接线示意图观察测试端和输出端波形曲线，根据测试端和输出端两个波形的比较可以得出输出波形与输入波形一致性相当好，没有相位滞后。

同样对电流传感器HX50-P也要做出严格的测试，来检测其是否有相位滞后。

图7是电流传感器的测试电路，将电网其中一线串接到传感器中，对其供电后用示波器测试OUT端的波形，可得测试波形，用示波器观察。

图7 电流传感器接线图将电流传感器输出波形与电压传感器输出波形进行比较，可以很直观地看到两传感器输出波形在相位上没有滞后。

说明电流传感器与电网电流的相位没有滞后，因为在前面已经对电压传感器进行了测试，而电压传感器与电网电压相位是一致的。

经过调理电路的设计以及电压电流传感器的严格测试，保证了测试系统的可行性和精确性。

由于TMS320LF2407超强的运算能力，系统测试效果比较理想。

实验过程中从测量到显示的速度非常快，存在的不足之处是：测量端要直接与被测电网进行接触，有些时候条件受到限制。

4 软件设计4.1 系统框图开始系统初始化存储空间分配配置相应的寄存器清除中断信号设置相应的中断屏蔽寄存器等待启动信号NO启动信号YES输出对称波形图8 主程序流程图4.2 程序调试1.调试准备(1) 连接设备：关闭计算机和实验箱电源；关闭实验箱上的三个开关。