基于DSP的电力参数高精度测量装置的设计

信等 技术 的飞速 发展 ， 电能 质量 监测 势 必会 朝着 智能 化 、 数字 化和 网络 化 的方 向发展 ＿ 。 】 ］
顺 应 电能 质量 监 测 的 发 展 新 趋 势 ， 数 字 信 号 处 理 技 术 为 核 心 ， 用 快 速 傅 里 叶 变 换 （ ａ ｔＦ ｕｉｒ 以 采 Ｆ ｓ ｏ ｒ ｅ Ｔｒｎ ｆｒ Ｆ Ｔ） 法 程序 进行 数据 处理 ， 高采 样数 据 的计算 效 率 ， 电能质量 监测 符合 当今 技术 发 展 的 ａ ｓｏｍ， Ｆ 算 提 使
关 键 词 ：ＤＳ Ｐ；ＦＦ Ｔ；谐 波 分 析 ；同步 采 样 中图分类号 ： ＴＭ９ ３ ２ ３ ． 文献标志码 ： Ａ
Ｄｅ ｉ ｎ ｏ Ｐ— ｓ ｄ Ｅｌ ｃ ｒｃ Ｐａ ａ ｔ ｒ Ｍ ｅ ｓ ｒ ｎ ｖ ｃ ｆ Ｈｉ ｈ Ｐｒ ｃ ｓｏ ｓｇ ｆＤＳ Ｂａ ｅ ｅ ｔ ｉ ｒ ｍｅ ｅ ａ ｕ ｉ ｇ Ｄｅ ｉ ｅ ｏ ｇ ｅ ｉｉ ｎ
文 章 编 号 ：６ ４５ ４ （ ０ ２ ０ — ０ ９０ １ ７ —９ ９ ２ １ ） ２０ ６ —５
基 于 ＤＳ Ｐ的 电力 参数 高精 度 测 量 装 置 的设计
贝 兆或 ， 陈 鸣好
（ 海船 舶运 输科 学研 究所 军品 分 所 ，上 海 ２ ０ ３ ） 上 ０ １ ５
摘
要 ： 了能够准确 、 为 高速 地 测 量 和 采 集 各 种 电力 参 数 ， 以数 字 信 号 处 理 技 术 为 核 心 ， 用 快 速 傅 里 叶 变 换 算 法 利
设 计 研 发 了一 套 电压 电 流信 号 处 理 装 置 。该 装 置 可 实 现 对船 舶 电 站 的 电压 、 电流 、 率 、 功 功 率 、 功 功 率 、 率 频 有 无 功
因 数 及 谐 波 等 电力 参 数 的 高精 度 测 量 。仿 真 试 验 结 果 表 明 ， 设 计 的装 置 可 满 足 电力 系 统 对 电 能 质 量 的 要 求 。 所
０ 引 言
随着 船舶 电力 系统 的高 速发 展 ， 船舶 电 网容量 的扩 大 ， 量 变频 器 、 速 电机 等 非 线性 电力 电子设 备 的 大 调 广 泛应 用 ， 使船 舶 电力 系统 变得更 加 复杂 多变 ， 配 电网络 的监 测 和维 护提 出 了更 高 的要求 ， 何 能够高 速 、 对 如 准 确地 采集 和测 量各 种 电力 参数 显得 尤其 重要 。采 用 先进 的 电力 电子 技术 和 计 算 机技 术 来 研 究 、 开发 电能 检 测设 备 已经成 为船 舶 电力 系统 的新 热点 。而 网络化监 测 更 是 未来 发 展 的必 然 趋 势 ， 些 在 线 型 电能 质 量 一 分析 设备 利用 Ｒ ４ ５ Ｒ ２ ２ 局 域 网等通 讯 接 口 ， 现 了电力 参数 网络 化监 测 。 目前 ， Ｓ８ 、Ｓ３ 、 实 国内对 于 电能质 量 各 项指 标 的测量 还 处在起 步 阶段 ， 无法 完 成长期 连 续监 测 ， 现有 的 电能质 量监 测 手段 和管 理模式 存 在着 实 时性 差 、 量 指标 少 、 测 工作量 大 、 测量 误差 大 、 效率 低 等缺 陷 。随着 数 字 处 理技 术 、 电力 电子 技 术 和计 算 机 网络 通
同步采 样 、 ５ Ｈｚ高采 样 速 率 、 功 耗 的特 性 ， 满 ２ ０ｋ 低 可
足高精 度采 样 的要求 。每 片 ＡＤ ８ ６ Ｓ ３ ４都 由 ３个 Ａ／ Ｄ 转 换 器构 成 ， 个 Ａ／ 每 Ｄ转换器 有 ２ 输入 通道 ， 个 每个 … 粹 制
ＡＶＤＤ
ＢＶＤＤ
．
显示 。
这种 方法可 以对 被测 量信 号 的瞬时值 进行 采样 ， 时性 好 。 同时 ， 实 利用 ＤＳ Ｐ的强 大运 算 能 力可 得 到 高
精度 的 电力参 数 ， 简化 了硬件 上 的电路设计 。
２ 硬 件 设 计
２ １ Ｄ Ｐ 芯 片 介 绍 ． Ｓ
使用 Ｔ ＭＳ ２ ｖ ５ ０ 作 为数 据处 理核 心 。ＴＭＳ ２ ｖ ５ Ｘ系列 是拥 有 １ ３ ０ ｃ４ ２ ３ ０ｃ４ ６位总 线 的定 点 芯片 ，０位算 术 ４ 逻辑单 元 （ ｉ ｍｅｉ Ｌ ｇｃＵｎｔＡＬ 可进 行 １ ×１ Ａｒ ｈ ｔ ｏ ｉ ｔ ｃ ｉ ， Ｕ） ７ ７位 的乘 法运 算 和 ４ ０位 的加 法运 算 ， 有 主频 高 、 具 速
ＨｏＬＤＣ
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ｃＬＫ Ｂ
缝连 接 ， 转 换 的 数 据 送 人 Ｄ Ｐ做 运 算 处 理 。 Ａ／ 将 Ｓ Ｄ
转换 芯 片与 Ｄ Ｐ芯 片的接 口见 图 ２ 。 Ｓ ］ 在对 周期 性 电量 进行 测 量 时 ， 同步 采样 是 准 确 测 量 实时信 号 的关键 ， 以减少 Ｆ Ｔ 的频谱 泄露 ， 可 Ｆ 减小 测量 误差 。
图 ２ Ａ Ｄ 芯 片 与 Ｄ Ｐ接 口 电路 ／ Ｓ
实现 同步采样 的核 心是锁 相环 倍频 电路 。锁相 环可 以实现 对频 率 的实 时 跟踪 ， 通 过 分频 来 实 现所 需 再
要 的倍频 方波 信号 ， 为 Ａ／ 作 Ｄ转换 的采样 时钟 信号 。为 了保证 锁 相 环输 出信号 为 Ａ／ Ｄ转 换 芯片 采 样 时钟 输 入方波 信号 ， 需要 将 一路 电压 的正 弦信号 通过 过零 比较器 整形成 与 电网频 率相 同的方 波信 号 ， 为锁 相环 作
第 ３ ５卷 第 ２期 ２１ ０ ２年 ９月
上 海 船 舶 运 输 科 学 研 究 所 学 报 Ｊ ＯＵＲＮＡＩ ＯＦ Ｓ ＨＡＮＧＨＡＩＳ Ｐ ＡＮＤ ＨＩ ＰＩ ＨＩ Ｓ Ｐ ＮＧ ＲＥＳ ＥＡＲＣＨ ＮＳ ＴＵＴＥ Ｉ ＴＩ
Ｖｏ． ５ Ｎ ． １３ ｏ ２ Ｓｐ ０２ ｅ ．２ １
Ａｂ ｔａ ｔ Ｆｏｒｍ ｏ ｔ ｉ ｇ ｔ ｅ ｈｉ ｗ ｅ ａ ｉｙ， ｔ ｓ ａ ｒ ｉ ｒ ｄｕ ｅ ｔ ｌ ｃ ｒｃ ｓｒｃ ： ｎｉｏｒｎ ｈ ｓ ｐ ｐｏ ｒ ｑｕ ｌｔ ｈｉ ｐ ｐｅ ｎｔ ｏ ｃ ｓ ｈｅ ｅ ｅ ｔ ｉ ｐａ ａ ｅ ｅ ｅ ｓ ｉ ｇ ｄｅ ｉｅ ｗ ｈｉｈ ｉ — ｒ ｍ ｔ ｒ ｍ ａ ｕｒｎ ｖ ｃ ｃ ｓ ｄｅ ｓｇｎｅ ｓ ｄｏｎ ＤＳＰ ｎｄ ＦＦＴ． Ｔ ｈｅｄｅ ｃ ｅ ｓ ｅ ｅ ｔｉ ｒ ｍ ｅ ｅ ｓ ｎ ｌ ｄｉ ｈｅ ｖ ｌａ ，ｃ ｒ ｎｔ ｒ ｑｕ ｎｃ ｉ ｄ ｂａ ｅ ａ ｖｉｅｍ ａ ｕｒ ｓｅｌｃ ｒｃｐａ ａ ｔ ｒ ，ｉ ｃ ｕ ｎｇ ｔ ｏ ｔ ｇｅ ｕｒ ｅ ，ｆ ｅ ｅ ｙ，ａ ｔｖｅｐ ｃ ｉ ｏｗ — ｅ ｒ，ｒ ａ ｔｖ ｗ ｅ ｎ ｏｗｅｒｆ ｃ ｏ ｆｔ ｈｉ ｅ ｃ ｉｅ ｐｏ ｒ ａ ｄ ｐ ａ ｔ ｒ ｏ ｈｅ ｓ ｐ ｐｏｗｅ ｔ ｔｏ ｔ ｇｈ ｐ ｅ ｉｉ ． Ｔ ｈｅｒ ｓ ｌ ｈｅ ｓｍ ｕ ａ ｉ ｅ ｔｓ ｏｗ ｓｔ ｔ ｒｓ ａ ｉ ｎ ｗｉｈ ｈｉ ｒ ｃｓｏｎ ｅ ｕ ｔｏｆｔ ｉ ｌ ｔｏｎ ｔ ｓ ｈ ｈａ
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Ｉ Ｔ１ Ｎ Ｔ ＫＯ ＣＬ
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通道 都有采 样保 持器 ， 同时 对 ６路输 入 信 号 进 行采 可
样并保 持 ， 逐 个 转 换 ， 过 与 Ｔ 再 通 ＭＳ ２ ｖ ５ Ｏ ３ ０ ｃ４ ２的无
Ｂｅ ｉＺｈａ ｙｕ ， Ｃｈｅ ｉ ｇｙｕ ｏ ｎＭ ｎ
（ ｉ ｔ ｒ ｏｄｕ ｔ ｐａ ｔ ｎ ，Ｓｈａ ｈａ Ｍ ｌ ａ ｙ Ｐｒ ｉ ｃ ｓ Ｄｅ ｒ ｍｅ ｔ ｎｇ ｉＳｈｉ ｎ ｐ ａ ｄ Ｓｈｉ ｐｉ ｇ Ｒｅ ｅ ｒ ｈ Ｉ ｔｔ ｔ Ｓｈ ｎｇｈ ｉ２ １ ） ｐ ｎ ｓ ａ ｃ ｎｓ ｉｕ ｅ， ａ ａ ００ ３５
需要。
１ 总体 设 计
将 二 次侧 三相 电压 和三 相 电流信 号经 过 电压互 感 器 （ ｏｅ ｔ ｌ ａ ｓ ｒ ｒ Ｐ 、 Ｐ ｔｎ ｉ ｎ ｆ ｍｅ ， Ｔ） 电流互 感 器 （ ｕｒ ｎ ａ Ｔｒ ｏ Ｃ ｒｅ ｔ
收 稿 日期 ：０ ２ ０ — ８ ２ １ — ６２
作 者 简 介 ： 兆 或 （ ９ ４） 男 ， 江 镇 海 人 ， 理 工 程 师 ， 要 从 事 船 舶 自动 化 技 术 研 究 。 贝 １８ ， 浙 助 主
度快 、 耗 低和成 本低 的优 点＿ 。 功 ３ ］ ２ ２ 硬 件 组 成 ．
以 Ｔ ＭＳ ２ ｖ５ Ｏ ３ Ｏ ｃ４ ２为核 心 ， 围设备 主要 由信号 调 理 电路 、 Ｄ（ ａｏ ／ ｉｉ １转换 电路 、 外 Ａ／ Ａｎ ｌｇ Ｄ ｇｔ ） ａ 复杂 可编 程
逻辑 器件 （ ｏ ｌ ｒｇ ａ Ｃ ｍｐｅ Ｐ ｏ ｒｍｍａ ｌ Ｌ ｇｃＤｅｉｅ Ｃ Ｌ 逻 辑 控 制 单 元 、 键 输 入 设 备 、 晶 显 示 电路 、 ｘ ｂｅ ｏ ｉ ｖｃ ， Ｐ Ｄ） 按 液 Ｒ ４ ５和 以太 网通 信 电路 、 部存储 设备 等组 成 ， 现对 电力参 数地 采集 、 Ｓ８ 外 实 处理 、 存储 、 显示 以及 通信 等功 能 。 装 置整体 硬件 结构 见 图 １ 。
ｔ ｉ ｅ ｃ ａ ｆ ｌ ｅ ｔｔ ｅ ｎｅ ｄ ｈｅｅ ｅ ｔｉ ｎｅ ｇｙ ｑｕ ｉｙ ｍ ｏ ｔ ｉｇ． ｈ ｓ ｄ ｖｉｅ ｃ ｎ ｕｌｙ ｍ ｅ ｈ ｅ ｓ ｏｆｔ ｌ ｃ ｒｃｅ ｒ ａｌ ｎｉｏｒｎ ｔ
Ｋ ｅ ｒ ： ｄ ｇ ｔ ｌｓｇｎａ ｏｃ ｓ ｉ ｙ ｗｏ ｄｓ ｉ ｉａ ｉ ｌｐｒ ｅ ｓｎｇ；ａ ｔｆ ｒｅ ｒ ｎｓ ｏ ｍ ； ｒ ｏｎｉ ｎ ｌ ｓ ｓ ｓ ｎｃ ｏ ｕｓ ｓ ｍ ｐ ｉ ｆ ｓ ｏｕ ｉｒ ｔａ ｆ ｒ ｈａ ｍ ｃ ａ ａ ｙ ｉ ； ｙ ｈｒ ｎｏ ａ ｌｎｇ
字信号 处理 （ ｉｉ ｌ ｉｎ ｌ ｒｃｓｉｇ Ｄ Ｐ 芯片进 行 Ｆ Ｔ运算 ， 到 基 波及 各谐 波 的基本 参 数 ， 后将 运 Ｄ ｇｔ ｇ ａ Ｐ ｏ ｅｓ ， Ｓ ） ａＳ ｎ Ｆ 得 最
算结果 进行 滤波 并转换 成 可识别 的 电力参 数值 ， 存 数据 并在 液 晶显 示 器 （ ｉｕｄＣ ｙ ｔｌ ｉｐａ ， Ｃ 上 保 Ｌｑ ｉ ｒｓａ Ｄ ｓ ｌｙ Ｌ Ｄ）
图 １ 硬 件 结 构框 图
２ ３ 主 要 电 路 分 析 ．
将交 流 三相 电压 和三相 电流经 过 Ｐ Ｃ Ｔ、 Ｔ转换 为毫 安级 电流信 号 ， 经 过放 大 成为 一２ ５ ＋２ ５Ｖ 的 再 ．～ ．
正 弦 电压 信 号 ， 然后 送抗 混叠 低通 滤 波器 滤 去 高频 分 量 ， 过 Ａ／ 通 Ｄ芯 片 同 步采 样 转 换 后 得 到数 字 量 ， 入 送 Ｄ Ｐ进 行 Ｆ Ｔ运算 ， 到各 电力参 数 ， 后保存 数 据并在 Ｌ Ｄ上显 示 。 Ｓ Ｆ 得 最 Ｃ 采 用 ＡＤ ８ ６ ￥ ３ ４芯片 ， 有 １ 具 ６位 并 行 输 出 、 ６通 道
７ ０
上
海
船
舶
运
输
科
学
研究Biblioteka 所学报 ２１ ０ ２年 第 ２期
Ｔｒｎ ｆｒ ｒＣ 转换 为毫安 级 的 电流 信号 ， 放 大成 为 一２ ５ ． 的正 弦 电压 信 号 ， 后 送抗 混 叠 低 ａ ｓ ｍｅ ， Ｔ） ｏ 再 ． ～２ ５Ｖ 然
通滤波 器滤 去高 频分量 ， 过 Ａ ８ ６ 通 ＤＳ ３ ４芯 片 同步采 样转 换后 ， 入 Ｔ 送 ＭＳ ２ ｖ ５ ０ ３ ０ ｃ４ ２作 为数 据处 理 核 心 的数