基于DSP的多功能电能表的设计与实现

N
N
Q = Qn = Un In s in n
n= 0
n= 1
式中 Un n 次谐波电压有效值
In n 次谐波电流有效值
n n 次谐波电压和电流相位差
1. 5 谐波参量算法
传统的 谐 波 分 析 多采 用 快 速 傅 立 叶 变 换
( FFT ) 算法, 然而此算法必须将整个输入窗口的 采样数据得到后才能开始计算频谱。在多功能电
TM S320F 2802的软件主 要实现 A /D 转换的 数据采集、电参量计算、谐波分析、与 M CU 通信及 脉冲输出等功能。
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2. 3. 1 A /D 采样中断程序 设定每个电网周期采样 128 个点, 每个采样
完毕后, A /D转换器送中断信号给 DSP, DSP 进入 中断程序。根据前面的介绍可知, Goertzel算法将 计算分配到了各个采样间隔中, 因此, 其程序流程 如图 5所示。
S ( k ) = sin( 2 k /N )
对频谱的实部和虚部进一步处理, 就可以得
到各次谐波的如下参数:
Uk 2
=
2 N2
[ R eU ( k ) ] 2 + [ ImU ( k ) ] 2
Ik 2
=
2 N2
[ R eI( k ) ] 2 + [ ImI ( k ) ] 2
Pk
=
1 N
[
R
eU
(
K ey word s: mu lt-i function e lec tr ical en ergy m eter; energy m eterin gm odu le; G oertzel a lgor ithm; d ig-i tal signal processor( DSP)
0引 言
随着国家电网的大规模改造和建设, 以及大 用户数量的急剧扩大, 三相多功能电能表得到了 更加广泛的应用。与此同时, 电力用户比以往更 加关注电能计量的相关算法, 特别是非线性工况 下的计量算法。由于对供电质量及电表运行状态 的关注, 用户对电压、电流、功率因素等参数的精 度和量程要求也在不断提高。电力用户目前越来 越注重以下几方面:
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式如下:
式中
u(k)
Ud =
N- 1
1 u2 ( k ) N k= 0
k 时刻电压瞬时值
k 采样序列顺序号 1. 3 有功功率算法
采用实时积分算法 (乘法器 ) 计算有功功率:
N- 1
Pd =
1 N
k=
0
u
(
k
)
i
(
k
)
1. 4 无功功率算法
1 电参量算法
1. 1 电流有效值算法
令每一工频周期内同步采样次数为 N, 则基
于离散数值算法的电流有效值 Id 计算公式如下:
式中 i(k)
Id =
1 N-1 N k=0
i2 ( k )
k 时刻电流瞬时值
k 采样序列顺序号 1. 2 电压有效值算法
基于离散数值算法的电压有效值 U d 计算公
戴瑜兴 ( 1956 ), 男, 教授, 博士生导师, 研究方向为数字化与智能化系统设计理论及应用。
图 4 A /D 转换器与 DSP 接口
2. 2. 4 MCU 模块 M CU 模块借助测量部分的 数据不断更新自
身的寄存器, 产生时段费率的控制时序, 记录各种 故障或可疑事件, 按时间间隔记录 1~ 2个月电表 负荷, 并支持 LCD显示和通信功能。在正常运行 的情况下, 数据保存在微处理器自带的 RAM 中, 同时备份到高可靠的非易失性存储器中。通信方 面支持 RS- 485 / 232和红外通信。 2. 3 软件设计
( 1) 谐波工况下能同时提供正反两方向的基 波电能、各次谐波电能以及各次谐波的幅值、相位 等参数。
( 2) 提供电压谐波总含量、电流谐波总含量、 谐波畸变率等电能质量指标, 实现谐波分析功能。
( 3) 谐波下无功计量的准确性。 针对以上要求, 本文分析了电能计量的相关 算法, 并提出了基于 DSP 技术的多功能电能表实 现方案。
由于电网电压不是恒定的 50 H z信号, 如果 以固定频率对信号进行采样, 则会导致每个电网 周期采样点数的变化, 从而导致谐波计量产生误 差。因此, 这里采用过零触发电路将正弦信号变 成同频的方波信号, 送入 DSP 的捕捉单元, 实时 测量电网频率, 进而修改采样频率, 保证交流采样 频率能跟踪电网频率的波动, 如图 3所示。
( 1) 采用 A /D+ DSP 结构进行电能计量, 可 以实现多种参数的测量和计算, 达到较高的精度 水平, 并可根据需要的变化及时修改和扩充功能。
能表的应用中, 希望在采样间隔时间内就进行计
算, 以尽可能地保证谐波分析的实时性。因此, 这 里采用与 FFT 算法相比较更为高效的 Goertze l算
法, 这样就不必等待所有数据采样完毕后才开始
进行计算, 而是把计算分配到各个采样间隔中, 仅
需在最后一点数据采样完毕后进行一些处理, 就 可以得到想要的频谱。
关键词: 多功能电能表; 电能计量模块; Goertzel算法; DSP 中图分类号: TN 919 文献标识码: B 文章编号 : 1001-5531( 2008) 10-0007-04
夏 骥 ( 1983 ), 男, 硕 士研 究生, 研 究方向为 数字 信号 处理理论与应用。
D esign and Implem entation ofM ult-i Function E lectrical Energy M eter Based on DSP
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低压电器 ( 2008 10) 现代建筑 电气篇
基于 DSP的多功能电能表 的设计与实现
夏 骥, 戴瑜兴 (湖南大学 电气与信息工程学院, 湖南 长沙 410082)
摘 要: 论述了多功能电能表在谐波工况下的电能计量 方法, 重点分析了基于 G oertze l算法的电力参数和谐波参 数的计 算方 法, 讨论了 基于 D SP 技术 的多 功能电 能表 电能计量模块的设计方案。最后给出了硬件和软件的实现方法。
离散傅立叶变换 ( DFT )计算公式如下:
N- 1
X ( k ) = x ( n)WNkn
( 1)
n= 0
式中
W
kn N
=
exp[ ( -
j2
/N ) kn ]
式 ( 1)可以看成是一个二阶 IIR 滤波器的冲
激响应, 其传递函数为
H (z)
=
1
-
W
k N
z1
1 - 2co s( 2 k ) z- 1 + z- 2
图 3 频率测量原理
2. 2. 3 A /D 转换器与 DSP 接口模块 DSP 作 为多功能电能 表电能计量的 核心器
件, 选用的是 T I公司的 TMS320F2802。 28xx系列 DSP 是 T I公司针对工业自动化、数字电源、汽车 控制以及高级传感应用等领域推出的一款高性能 32 b it DSP 处理器。 C28x内核是性能较好的控制 优化内核, 提供足够的计算带宽来实时处理复杂 算法。 TMS320F2802指令执行速率达 100 M IPS, 内部具有 12 KB 的 RAM 和 64 KB 的 F lash存储 空间, 内核供 电电压为 1. 8 V, 且具有 SP I、SC I、 I2 C等多种外设接口。TM S320F 2802与 ADS8364 接口框图如图 4所示。
式中 k= 0, 1, , m
从而计算出了从 0到 m (m N - 1) 各频率点的
DFT。
DFT 的实部和虚部可进一步表示为
R eX ( k) = d1 (N ) - d2 (N )C ( k )
ImX ( k ) = d2 (N ) S ( k ) 式中 C ( k ) = cos( 2 k /N )
钟信号为 F H z, 则电网频率为
F X2 - X1 f=
F 65 535 + X 2 - X 1
X2 > X1 X2 < X1
3结 语
本文根据目前电力用户对电能计量的要求及 今后的发展方向, 设计和开发了具有谐波测量功 能的多功能电能表的电能计量模块。通过对在谐 波状态下电能的正确计量和分析, 可以为改善电 能计费矛盾、制订有关电能质量治理的政策提供 依据。该设计具有如下特点:
N
式中
W
k N
=
exp[ ( -
j2
/N ) k ]
Goertzel算法信号流图如图 1所示。图 1中: d1 ( n) = x ( n) + 2C ( k ) d1 ( n - 1) - d1 ( n - 2)
d2 ( n) = d1 ( n - 1)
yk ( n)
=
d1
(n
)
-
W
k N
d1
(n
-
B ud eanu无 功功 率
2 多功能电能表的实现
2. 1 方案选择 目前多功能电能表设计主要有两种方案:
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( 1) 电能计量芯片 + 微控制器 ( MCU )。 ( 2) A /D转换芯片 + DSP+ M CU。 方案 1中, 电能计量芯片完成对各种电参数 的测量, M CU 完成数据的处理、存储以及显示、通 信等功能。该方案成本较低, 但功能主要取决于 计量芯片, MCU 不能进行复杂的数据处理, 不具 有谐波分析功能, 计量精度不高。方案 2中, A /D 芯片和 DSP 完成数据采样及各种复杂处理, 实现 电能计量功能, MCU 负责多 费率、时段、显示、通 信等控制功能。该方案实现难度较大, 但可扩展 性强, 通过复杂的数据处理可以实现较多功能, 且 计量精度较高。因此选择方案 2。 2. 2 硬件设计 总体系统结构如图 2所示。
X IA J i, DA I Yux ing ( C ollege o f E lectrica l and Inform ation Eng ineering, H unan Un iversity, Changsha 410082, China)
Abstract: T he e lectr ica l ene rgy m easurem ent me thods o f m ult-i function e lectrical energy m eter in harm on ic condition w ere introduced. T he cacu lation m ethod o f e lec trica l energy param eters and harm on ic pa rame ters based on Go ertze l a lgor ithm we re deeply analyzed. A DSP-based des ign schem e o f electr ica l ene rgy m ete ring m odule o fmu lt-i function e lec trical energy m e ter w as discussed. F ina lly, the hardw are and softw are imp lementation m e thods w ere g iven finally.
图 2 硬件结构框图
2. 2. 1 信号采集模块 电流和电压信号通过电流和电压互感器进行
电气隔离和线性变换, 变成能被 A /D芯片接收的 小信号, 输入 A /D芯片进行采样。 A /D芯片采用 T I公司的 ADS8364。ADS8364具有 250 kH z采样 速率、6通道差分输入同步采样、16 b it采样精度 等功能。其 6输入通道同步采样功能保证了三相 六路电流、电压信号的采样不存在相位偏差。模 拟信号被转换成 16 b it数字信号送入 DSP。 2. 2. 2 频率测量电路
k
)
ReI ( k ) + ImU ( k )
Im I ( k ) ]
Qk
=
1 N
[
R
eI
(
k
)
ImU( k ) + R eU ( k )
式中 Uk 2 k 次电压谐波有效值
Ik 2 k 次电流谐波有效值
Pk k 次谐波有功功率
Q k k 次谐波无功功率
P 1 基波有功功率
Im I ( k ) ]
Qk
1)
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式中 n = 0, 1, , N
x (N ) = 0
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图 1 Goer tz el算法信号流图
d1 ( - 1) = d1 ( - 2) = 0
C ( k ) = cos( 2 k /N )
当 n= N 时, 有 X ( k ) = yk (N ) = d1 (N ) - WNk d1 (N - 1)