电能质量监测装置

（一）立项依据
项目的研究意义与科学依据
随着国民经济的发展和科学技术的不断进步，电能已经成为人类社会用途最为广泛的、不可或缺的重要能源，各行各业对电能质量的要求也越来越高。

然而随着电力电子技术的快速发展和广泛应用，尤其是非线性负荷大量投入使用，使得电力系统的谐波污染越来越严重。

由于电力系统负荷中具有非线性、冲击性以及不平衡等用电特征，如：炼钢、轧钢、化工、电气铁路、电力电子设备等负荷，使电网的电压、电流波形发生畸变、谐波含量加大、电压产生波动和闪变、电压骤降以及三相不平衡等电力污染问题，严重影响了供电质量。

根据发达工业国家电力部门的统计资料显示，频繁发生的电力运行事故、输配电设备和电器损坏事故，其主要原因是电力污染。

电力污染导致电能的生产、传输和使用的效率降低，使电气设备过热、振动和绝缘损坏，引起继电保护和自动装置误动作，使电能计量设备出现偏差。

对供电质量及可靠性的要求日益提高是和用户的工艺过程水平的发展相联系的，近代科技进步又促进了生产过程的自动化和智能化，于是对电能质量提出了更高更新的要求。

一个计算中心失去电源2s就可能破坏几十小时的数据处理结果，甚至上百万元的经济损失。

在大型机器制造厂，0.1s的电压突降就可能造成异常的生产状况，导致产品质量受损。

当今自动化设备控制的连续精加工生产线，它们对配电系统中的干扰异常敏感，几分之一秒的不正常供电就可能在工厂内部造成混乱，其损失是难以估量的。

这些用户对不合格电能的容忍度可严格到只有1～2周波。

现代化的商贸中心、银行、医院也是如此。

谐波的严重危害及其造成的损失经常被人们所提及，而无人值守变电站中计算机系统突然出现的死机现象，大多属于电能质量的问题。

因此建立完备的电能质量监测系统显得尤为重要。

发达工业国家近年来对于电力污染问题非常重视，建立了完整的检测监督和管理制度。

在我国，虽然总体经济和技术水平还比较落后，但在部分经济发达地区电能质量问题已比较突出。

而且由于各种原因，在供电可靠性和电网电压幅度的稳定水平等指标上，我国还处于比较落后的状态。

如何提高和保证电能质量，已成为国内外电工领域迫切需要解决的重要课题之一。

而建立和实施电能质量综合监测系统是提高电能质量的一个重要技术手段。

国际上，许多发达国家和地区已就此课题作了大量的研究，并取得了重大研究成果。

如美国、加拿大等均进行了全国范围的电能质量的监测和调查研究，对配电网络的运行状况和电能质量的提高和改善具有重要的意义。

国内外研究现状和趋势分析
目前，国内外电能质量监测装置种类非常繁多，就其性能来说，可以分为高、中、低三档。

国外对电能质量研究起步较早，目前有关电能质量的研究已经取得了很多成果，特别是在高档产品领域占据主导地位。

国外高档电能质量监测装置的特点突出表现在功能丰富和精度高两个方面，如美国的FLUKE公司、加拿大电力测量公司(Power Measurement Ltd)、瑞典联合电力公司(Unipower)、美国EIG 公司等生产的电能质量监测装置具有检测精度高、检测指标多、功能丰富等特点。

其中Fluke 430系列电能质量分析仪，其基本电力参数测量有电压、电流、频率、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数等；电能质量参数测量有电压和电流
50次谐波和间谐波、THD(总谐波失真)、功率谐波及谐波方向、闪变分析(瞬时闪变、短时闪变、长时闪变)、电压偏差、频率偏差、三相电压不平衡度等，能检测目前几乎所有的电力和电能质量参数，基本精度达0.1%。

在国内，目前电能质量中的某些问题已经成为电工领域的前沿性课题，吸引了众多高校和科研院所的一大批科技人员投入其中进行研究，成果也很显著。

在检测和应用仪表开发方面，国内正进入一个蓬勃的发展时期。

硬件方面有基于单片机的、基于DSP的、基于ARM系统等。

软件方面有基于LABVIEW的、基于CAN总线的、基于WEB技术等。

迄今为止，国内生产电能质量监测仪水平较高的厂家有深圳领步科技有限公司、上海宝钢安大电能质量有限公司、安徽振兴科技股份有限公司、保定方长电子有限公司、长沙威盛电子有限公司等。

他们生产的电能质量监测仪产品在一定程度上代表着我国电能质量监测装置的先进水平。

但是由于我国在电能质量研究上起步相对较晚，使用的电能质量测量装置功能单一，只能实现对某种电能质量指标的测量，实时性差，多数不具备综合测量、分析、判断功能。

随着电力系统运行管理的系统化、网络化、自动化和智能化，对电能质量产品提出了更高的要求，以适应现代化电能管理的需求。

研究意义
专用电能质量分析设备功能虽强，但成本偏高，不适合大量应用的场合；手持式和便携式设备毕竟是一种临时的故障诊断、排错和评估设备，而且实时性指标也不一定满足要求。

本文就是以这种需求为前提，提出了研究一种基于TI公司TMS320C5410A芯片的电能质量监测仪。

该装置以电能质量监测发展的最新趋势为出发点，采用14位A/D采样芯片MAXl25作实时采样，提高了系统的可靠性和性价比。

同时以数字信号处理技术为出发点，采用更灵活、更准确的数字信号处理算法程序进行数据处理，提高系统参数计算效率，使电能质量监测符合数字化技术发展的需要。

本设计中采用的信号处理技术包括：快速傅里叶变换、各种数字滤波技术等。

通过这些数字技术的应用，本监测仪能够比较准确计算出电压和电流的有效值、电压频率、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、2～50次谐波电压和电流含有率等电力参数指标，并对参数异常情况进行记录处理。

同时可根据不同需求应用于低压开关柜、配电房及电能综合管理系统、工厂能源管理系统和分布式综合电力参数采集、控制系统，能够单独工作，具有较高的精度；也能够相互问实现联网测量，形成一个大型测量网络，实现单个难以实现的功能。

因此本监测仪的开发具有较强的现实意义。

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（二）研究内容及研究目标
随着国民经济的发展和科学技术的不断进步，电能已经成为人类社会用途最为广泛的、不可或缺的重要能源，各行各业对电能质量的要求也越来越高。

然而随着电力电子技术的快速发展和广泛应用，尤其是非线性负荷大量投入使用，使得电力系统的谐波污染越来越严型¨。

由于电力系统负荷中具有非线性、冲击性以及不平衡等用电特征，如：炼钢、轧钢、化工、电气铁路、电力电子设备等负荷，使电网的电压、电流波形发生畸变、谐波含量加大、电压产生波动和闪变、电压骤降以及三相不平衡等电力污染问题，严重影响了供电质量。

根据发达工业国家电力部门的统计资料显示，频繁发生的电力运行事故、输配电设备和电器损坏事故，其主要原因是电力污染。

电力污染导致电能的生产、传输和使用的效率降低，使电气设备过热、振动和绝缘损坏，引起继电保护和自动装置误动作，使电能计量设备出现偏差。

发达工业国家近年来对于电力污染问题非常重视，建立了完整的检测监督和管理制度。

在我国，虽然总体经济和技术水平还比较落后，但在部分经济发达地区电能质量问题已比较突出。

而且由于各种原因，在供电可靠性和电网电压幅度的稳定水平等指标上，我国还处于比较落后的状态。

如何提高和保证电能质量，已成为国内外电工领域迫切需要解决的重要课题之一。

而建立和实施电能质量综合监测系统是提高电能质量的一个重要技术手段121。

国际上，许多发达国家和地区已就此课题作了大量的研究，并取得了重大研究成果。

如美国、加拿大等均进行了全国范围的电能质量的监测和调查研究，对配电网络的运行状况和电能质量的提高和改善具有重要的意义。

（三）研究内容
1、系统概述
本系统采用DSP矛IICPLD相结合，设计开发了一种基于DSP的多功能电能质
量监测仪。

该仪器能够用来测量三相电压、电流的有效值以及各次谐波分量，此
外还可以测量电压频率、三相不平衡度、有功功率、无功功率、功率因数等。

此外系统扩展了RS232／485本地通讯接口和GPRS通信接口，可通过GPRS实现远程通信，这些扩展的通信接口可以方便开发上位机数据库管理软件和实现远程监控。

系统重点实现以下几个部分：电能质量测量，详细讨论了FFTJ,皆波分析方法；系统的硬件电路设计，包括DSP最小系统、信号调理电路、频率捕捉电路、A ／D采样电路、数据存储电路、CPLD内部逻辑电路及通讯接口电路等；DSP程序设计，包括AD采样程序、FFT程序、键控及显示程序、数据存储程序、通信接口程序等；最后对系统进行了硬件测试和软件测试，并对测试结果进行分析。

本系统具有很高的测量速度和检测精度，功能齐全，扩展性好，具有广阔的应用前景和实用价值。

2、系统硬件设计
本系统以TMS320F2812为核心，构建DSP最小系统，并在此基础上扩展外部SRAM和FLASH，组成系统的核心板。

外围设备扩展了信号调理电路、A／D转换电路、时钟电路、按键液晶显示电路、RS232／485通信电路、GPRS模块、CPLD逻辑控制单元等，实现对三相电压、电流的采集、处理、显示等功能。

系统整体结构图如下图所示。

三相交流电经过电压、电流互感器转换为毫安级的电流信号，再经过放大
成为．4．5V"+4．5V左右的正弦电压信号，然后送抗混叠低通滤波器滤去高频分量，经过AD采样转换后得到数字量，由CPLD电平转换后送DSP进行FFT运
算，得到各种电网参数，最后保存数据并刷新LCD显示。

3 DSP最小系统设计
最小系统是使DSP能正常工作的最基本的系统。

本系统中的DSP最小系统是以TMS320F2812为核心，外围扩展SRAM和FLASH，电源电路，时钟电路和仿真接口等。

3．1电源电路设计
电源电路为整个系统的所有芯片提供电源管理。

电源电路不仅要满足各个功能模块所使用芯片的电平要求，还应当有足够的功率驱动系统上所有的芯片组。

由于TMS320F2812的I／O电平为3．3V，内核工作电压为1．8V，所以需要用两种电平供电。

这里使用了TI公司推出的TPS767D318电源芯片给DSP供电。

TPS767D318为双路低压差电源调整器，内部有两个电压转换器，能够同时输出两路转换电压，分别为3．3V和1．8V，且芯片的最大输出电流都可达到lA左右，完全可以满足系统的要求。

3．2复位电路设计
TMS320F2812内部自带复位电路，通过接口XRS低电平复位。

本设计中采用按键手动复位，在调试过程中非常的方便。

3．3时钟电路设计
锁相环是一种用来控制晶振并使其相对于参考信号保持恒定的电路，在数字通信系统中使用比较广泛。

目前微处理器或DSP集成的片上锁相环，主要作用是通过软件实时的配置片上外设时钟，提高系统的灵活性和可靠性。

此外，由于采用软件可编程锁相环，所以系统处理器片外允许较低的工作频率，而片内经过锁相环为微处理器提供较高的系统时钟。

这种设计可以有效的降低系统对外设时钟的依赖和电磁干扰，提高系统启动和运行的可靠性，降低系统对硬件的设计要求。

TMS320F2812处理器的片上晶振和锁相环模块为内核及外设提供时钟信号，并且控制器件的低功耗工作模式。

片上晶振模块允许使用两种方式为器件提供时钟，即采用内部振荡器或外部时钟源。

如果使用内部振荡器，必须在X1／XCLKIN 和X2这两个引脚之间连接一个石英晶体，一般是30MHz。

如果采用外部时钟，可以将输入的时钟信号直接接到X1／XCLKIN引脚上，而X2悬空，不使用内部振荡器。

本设计采用了一个有源晶体振荡器，供电电压3．3V，时钟频率为30MHz，经过PLL倍频之后作为DSP的时钟频率。

3．4外部存储器扩展
存储器接口负责将CPU访问存储器逻辑控制单元同存储器、外设以及其他接口连接起来。

存储器接口包含独立的数据和程序总线，因此在一个周期内CPU能够同时访问程序存储器和数据存储器。

该接口还包含存储器访问需要的各种控制信号(如读、写信号等)，通过这些信号控制存储器或外设的数据传输TMS320F2812处理器的外部接口(XINTF)映射到5个独立的存储空间，分别为Zone0、Zonel、Zone2、Zone6和Zone7。

当访问相应的存储空间时，会产生一个片选信号。

每个空间都可以独立的设置访问等待、选择、建立以及保持时间，同时还可以使用XREADY信号来控制外设的访问。

在进行三相交流电参数处理时，由于算法比较复杂，需要大量数据运算，同时系统需要存储一些重要参数，为了满足系统对大存储空间的需要，本系统利用Zone2扩展了一块512Kxl6bit的FLASH芯片MBM29LV800，用于存放DSP信号处理过程中大量的中间数据和电压、电流、功率、谐波等参数。

在程序调试过程中，由于程序代码较大，DSP内部空间不够，系统为了方便利用Zone6扩展了128Kxl6bit 的SRAM，用于程序代码的调试。

3．5信号调理电路设计
三相交流信号在AD转换之前需进行抗混叠低通滤波，。

主要作用是滤掉信号的高频部分。

根据采样定理采样频率．疋必须大于等于采样信号最高频率厂的两倍，这样才不会产生混叠。

为了达到这一目的，一般可以在电路中设计一个低通滤波器，对采样信号进行预处理，将频率分量大于0．5 f的高频部分滤掉。

本系统最大需要检测50次谐波，所以采样频率必须大于5000Hz。

为了便于采样后做FFT变换，本文一个周期采样256点，即12．8KHz，只需将低通滤波器的截止频率定为6．4KHz。

采用二阶无限增益多路反馈型低通滤波器，这是一种非常通用、具有倒相增益形式的滤波器，其优点是所用网络元件少，特性稳定，输出阻抗低。

3．6频率捕捉电路
(1)频率捕捉
在使用FFT计算各次谐波时，为了尽可能的提高计算精度和减少频谱泄漏误差，需要进行同步采样，因此频率测量的精确度将直接影响到计算结果误差的大
小。

一般方法是将输入信号经整形后，再通过锁相环倍频对产生的脉冲序列信号离散化实现同步采样。

但是采用这种方法会增加硬件的投入和硬件系统的复杂程度，由于本文所使用的DSP芯片具有脉冲边沿捕获功能，因此可以很容易利用该功能实现频率的精确测量和软件同步采样。

交流信号经过抗混叠低通滤波后，由一个电压跟随电路对信号进行保持，然后送给密特触发器整形得到方波。

DSP 内部事件管理器(E啪)共有6个捕获单元，每一个捕获单元对应一个捕获输入引脚，通过对捕获单元控制寄存器的设置，可以配置捕获引脚检测上升沿、下降沿、上升下降沿三种电平的变化，利用通用定时器作为检测的时基，用户可以读取捕获单元的先进先出寄存器(CAPFIFOx)来确定两次捕获跳变的时间，即信号周期T，从而确定捕获信号的频率。

(2)软件同步采样
计算出信号周期T后根据采样点数(256点)算出采样周期Ts，用Ts对信号进行采样即可。

以后每次采样之前均重复上述过程。

3．7 A／D采样电路设计
MAXl25是MAXIM公司推出的一种高速、多通道、14位模．数转换芯片。

该芯片内部带有一个14位、转换时间为3ps的逐次逼近型模．数转换电路(ADC)，4x 14位的RAM，可保存4路采样数据。

片内还有4个采样／保持电路，每个采样／保持电路的输入对应一个2选l模拟输入(共有8个模拟输入通道，4个为一组，分为A 和B两组)，输出经4选1开关到A／D转换器。

本系统首先同步采集A相电压、电流，B相电压、电流这4路信号，转换结束后，MAXl25产生一个中断信号给DSP，DSP读取4路采样值并发控制字给MAXl25，使其选择C相电压、电流进行采样。

其中MAXl25与DSP之问的数据传输由CPLD控制。

3．8实时时钟电路设计
本文使用了高精度实时时钟SD2000作为外部时钟芯片，该芯片内置晶振、支持12C 总线接口，可保证时钟精度为士4ppm(在25土1℃下)，即年误差小于2分钟；内置电池、串行NVSRAM，其中内置一次性电池可保证在外部掉电情况下时钟使用寿命超过五年，内置充电电池在一次充满情况下可保证内部时钟运行时间超过一年以上(可满充200次)；内置串行NVSRAM为非易失性SRAM，擦写次数可达100亿次。

由于其内置非易失性SRAM，因此可以用作掉电保护及初始化配置信息的存放，除此
之外还可以存储50多条掉电和上电记录。

3．9液晶显示电路
液晶显示电路
本设计选用的LCD是由T6963芯片控制的OCMl60x128图形点阵液晶显示模块，可以显示图形及整屏10x8个汉字，还能够将字符和图像混合显示，功能强大。

该模块采用单电源(+5V)供电，不需要外接其他电压，给硬件设计带来很大的方便。

OCMl60×128图形点阵液晶显示模块内含控制器T6963，它的最大特点是具有独特的硬件初始化功能，由于显示驱动所需要的参数均由引脚电平来设置，因此T6963的初始化在上电的时候就已经基本设置完成。

除此之外，它还具有很强的软件控制能力，由主控CPU通过接口写入液晶模块的指令来实现模块控制。

4、软件总体设计
系统程序流程图如图4．1所示，本系统是基于DSP的电能质量监测系统，
其主要监测的指标有：三相电压、电流有效值，有功、无功功率，电压频率，三相不平衡度，各次谐波电压、电流含有率，功率因素，电压、频率偏差，电压波动及闪变。

同时系统具有记录保存断电时间，LCD及键控的人机交互界面，FLASH及SD卡的数据存储，UART串行通信以及GPRS通信等功能。

(1)A／D采样程序设计
AID采样程序包括采样频率的实时计算以及采样过程的控制这两部分。

根据FFT的原理，采样频率与周期信号实际频率是否同步直接会影响到FFT计算结果的误差。

如果采样不同步，将会产生频谱泄漏，这样在谐波测量中会造成很大的误差，所以必须要严格保证采样频率和实际频率的一致。

同步采样的实现有两种方
法可以解决，一种是硬件同步采样，使用外部锁相环实时跟踪信号频率；第二种方法是软件同步采样，通过软件实时计算信号的频率。

下图为A／D采样流程图。

每周期采样256点，工频周期为50Hz，DSP的时钟频率为150MHz，所以通过CAPl 捕获的周期值精度较高。

(2)FFT程序设计
DSP程序的核心是快速傅立叶变换(FFT)，该程序设计的好坏直接关系到整个系统的性能。

尽管可以找到相关的FFT例程可供参考，但是对于新手而言自己编写具有复杂算法的程序效率肯定不会很高，因此本文使用了TI公司专门针对2000系列DSP而设计的FFT库模块，该模块带有入口和出口参数，使用方便，具有很好的可移植性。

FFT计算流程如下图所示，当256点采样结束后，依次调用位反转子程序、加窗函数子程序、128点复FFT子程序、分离得到256点实FFT结果子程序、隶
幅序。

(3)LCD显示程序
LCD程序包括两部分：底层驱动和界面显示。

底层驱动主要包括写指令、写数据、清屏、延时等子程序。

界面显示程序主要用来显示测量数据，包括当前时间、频率、功率因素、三相电压／电流、三相有功／无功功率、正序／负序分量、不平衡度、电压／电流谐波总畸变率、有功电度、无功电度、零序电流和系统运行时间。

LCD的数据接口和控制接口通过CPLD与DSP连接，数据接口的地址为
0x2400，控制接口的地址为0x2800，通过访问不同的地址分别给LCD发送数据和控制命令。

因为DSP外扩的数据线有16根，而LCD的数据位只有8位，所以在访问LCD时我们只用到了外扩数据线的低8位。

由于DSP的时钟周期为150MHz，而T6963最小建立时间为lOOns，所以在读写访问中会产生时钟不匹配。

为了使处理器同慢速器件速度一致，一般可以通过硬件和软件的方法为DSP插入等待状态。

本文采用软件的方法来实现快速的DSP同慢速的LCD之间的时序同步。

具体配置如下：
(1)将Zone2的建立、激活和保持时间配置为最大。

(2)适当软件延时。