基于DSP2812电力参数检测的设计.docx
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基于DSP2812电力参数检测的设计
摘要
电参量监测系统能详细记录电力系统运行过程中的电能质量指标、监测电能质量污染源，从而为电网电能质量的治理和改善提供依据，对保证电力系统的安全、经济及稳定运行有重要的意义。
本文从软件设计方面介绍了以TMS320F2812DSP为核心的电力参数测试仪研究，主要内容包括：
结合TMS320F2812的特点的信号采样、数据分析、人机接口和通讯模块的特点，讨论了谐波存在情况下频率、电压和电流有效值、功率以及电能等电参量的测量原理；分析了软件系统的功能需求，设计了本装置的数据采样、数据分析、人机接口、通讯模块的应用软件。
软、硬件配合测试结果表明本文所设计的电力参数测量装置，具有一定的测量速度和测量精度，可以基本满足电力参数监测的要求。
关键词：
电能质量电参量DSP监测
Abstract
Electricparameterdetectionsystemcankeepdetailedrecordspowerqualityindices、monitoringpowerqualitypollutionsourceswhenthesystemrunning，ThusprovidesthebasisforThegovernanceandimproveofpowerquality.ItisimportanttoensurethesafetyofelectricpowersystemandEconomicstabilityoperation.
ThispaperintroducedTMS320f2812thepowerparameterdosimetersresearch,Maincontentsincludingfromthesoftwaredesign：
CombinedwiththecharacteristicsofTMS320F2812signalsampling,dataanalysis,man-machineinterfaceandthecharacteristicsofcommunicationmodule，Discussedtheharmonicexistencecircumstances,Frequencyandvoltageandcurrent,powerandpowertheRMSmeasuringprincipleofelectricparameters；Thispaperanalyzedthesoftwaresystemfunctiondemand,Thisdevicewasdesigneddataacquisition,dataanalysis,man-machineinterface,communicationmoduleapplicationsoftware,Softandhardwarecooperatewithtestresultsshowsthatthisdesignofpowerparametermeasurementdevicehascertainmeasurementspeedandthemeasurementprecision,canbasicallymeettherequirementsofmonitoringpowerparameters.
Keywords:
PowerqualityElectricparametersDSP（DigitalSignalProcessor）Monitoring
1绪论
1.1本课题的提出及研究意义
近年来，随着我国经济和社会的发展，社会对电力的需求量与目俱增，电力供应日趋紧张，严重制约我国经济社会的发展，并且我国还将持续一段时间出现用电紧张情况，这一问题已经引起了国家有关部门的高度重视并颁布了相关标准，电力系统正常、安全、高效的运行对于国民经济和社会的健康发展有着极为重要的意义。
在当前情况下，为了能做到合理有效地利用有限的电力资源，这就需要对电力参数进行准确、实时地监测。
众所周知，在工业生产和日常生活中，电力对社会和个人有着密切的关系和重要的意义，因为电流、电压过低过高，均能影响各种电器设备的正常使用功效及设备寿命，严重的还会危及人身安全，并且，对电压、电流、功率因数和频率等电力参数的准确、快速地检测、监控可以及时掌握供电线路和设备运行状态，及时发现电网中的故障或隐患，进而采取合理和有效的措施，保证电力系统及设备运行良好[1]。
近年来，随着电力电子技术的迅速发展，在化工、冶金、电力传送、电气化铁道等行业，以及家用电器中非线性负荷的使用日渐增多，特别是一些大功率整流设备和电弧炉等的大量应用，导致在电力系统中产生大量的谐波，进而引起电压、电流波形发生畸变，电力谐波不仅会严重危害供用电设备和电气仪表，使供电质量不断下降，影响计量设备的测量控制，不能准确地反映电力系统运行的情况，损害用户的利益，也会对电力系统本身造成不良的影响和危害[2-3]。
在很长一段时间来我们还没有一套功能完整的装置来测量电力参数，通常关心的是电力供应量方面，较少关心电力参数和谐波情况，并且现有的一些检测器件还依赖于有百年历史的动圈式仪表和交流互感器之类的电工仪表，这些仪表只能显示电力参数的有效值和模拟值，误差大，精度低，不能满足实际测量的要求，有些也仅考虑了测量基波分量的情况，较少考虑对谐波的测量，那么电力参数的实时准确的测量成了必须要解决的问题。
从以上可见，研制一种电力参数检测装置具有非常重要的意义，它能对如电压、电流、功率因数和频率等重要的电力参数进行实时检测，还要对电力系统中的高次谐波进行实时分析，从而使人们采取进一步的措施，保证电能质量，保证电力系统安全、可靠、经济地运行。
1.2国内外现状
电能质量的标准和技术是随着电力系统的发展和用户需求的变化而变化和发展的。
大量电力电子设备的使用是新技术的运用，同时也是电能质量恶化的制造者和受害者。
有目共睹，电力质量问题是严重的。
近40年来全球范围内因电能质量而引起的重大电力事故己达20多起，每年电能质量扰动和电力环境污染引起的国民经济损失高达300亿美元。
其实，供电质量问题不仅对大型企业的正常生活影响较大，同时对重大活动，政治活动安全供电影响也较大。
我们需要监察分析电力系统动态和稳态两大电能质量问题，为预防和减少电能质量引起的故障，需从统计数据方面提供采取措施的依据。
国外对电能质量研究起步较早，目前有关电能质量控制的研究正掀起高潮，从所使用的理论到电能质量评价指标体系的建立；从全国性的电能质量普查、监测到用户终端电气环境的定义，各种电能质量问题分析方法的提出，以及“用户电力技术”等电能质量控制技术的研究和装置的开发正深入进行。
1996年，IEEE将每两年召开一次的电力谐波国际学术会议（ICHPS）更名为电力谐波与电能质量学术会议（ICHAP），把电能质量提高到一个新的认识高度。
在从事电能质量产品的企业中，美国的FLUKE公司和瑞士的LEM公司的产品在全球都有广泛的应用。
国内致力于电能质量产品研究的企业很多。
总体来看，国内广泛采用统计型电压表监测电压质量水平，这些电压监测仪只能监测电压合格率，需要人工抄表，缺乏统计分析功能，而谐波和电压波动、闪变的测量则用便携式测量仪器，分别对变电所的各级母线电压、主变压器各侧的谐波电流、电容器组的谐波电流进行测量、对大、中型非线性负荷用户和电厂以及低压配电网电流进行测量，然后根据测量数据进行汇总、统计分析，对电网的电能质量水平进行评估。
这种电能质量监测手段和管理模式存在着实时性差、测量指标少、工作量大、测量误差大、效率低等明显的局限性。
当前，电力参数检测仪器正朝着以下方向发展：
l、体积小型化、功能多样化、功耗减小，维持电流降低化、采用新器件更高可靠性、显示方式普遍更新。
2、实现网络化智能、在线监测。
随着传感器技术、计算机技术、信息技术等发展，系统监测技术广泛采用这些先进的科研成果，使在线监测逐步走向实用化阶段：
监测装置可作为接入访问平台进入网络，可以实现设备资源和数据资源共享及远程操作。
3、虚拟化。
虚拟仪器是建立在标准化、系列化、模块化、积木化的硬件和软件平台上的完全开发的系统，结合电力系统的应用，开发应用虚拟仪器技术建立的高速、高效、大容量、多功能、智能化的实时监铷系统[4-5]。
1.3本课题的主要工作及内容安排
本课题从测量装置的硬件设计、软件设计、算法等角度进行研究主要完成测量装置的设计和各部分功能的软硬件调试，在论文中用原理图、流程图、框图、程序等详细介绍了装置电源、信号采集、通讯、控制等各部分功能单元的软硬件实现。
第一章为绪论，介绍了本课题的研究背景、研究意义以及全文主要工作和内容安排。
第二章介绍了交流采样的一种方法（同步采样法），着重讨论了电力参数测量的方法，并给出了相应的计算公式。
第三章主要对本装置的硬件进行简要的介绍，介绍的本装置的主要功能以及系统的总体框图，并对其原理流程作简要介绍。
第四章为测试仪的软件设计。
主要阐述了测试仪的软件初始化设计、各种算法的实现以及外围设备的控制，并给出了主要处理子程序的原代码。
第五章对全文进行总结。
2电力参数的测量方法
2.1交流信号采样
采样又称抽样、取样，是对模拟信号在时间上、幅值上离散化。
这样用在电参量测量中可以克服模拟运算准确度较低、易受各种干扰影响的缺点，从同一批数据中可获得多个电参量信息。
对于一个连续的信号，若其最高次谐波分量的频率为，当采样频率时，采样信号就将无失真地反映被测信号。
一般称为“香农（Shannon）采样定理”[6]。
本文中的采样技术主要应用于电参量测量领域。
就是对周期或非周期的交流待测信号，通过CPU的控制，用采样保持器进行采样和保持，再送给A／D转换器进行模数变换和量化处理，将模拟量变为数字量，经存储器，最后由CPU进行一系列运算、处理，得到结果。
目前采用的交流采样技术主要有三种方法：
同步采样法、非同步采样法、准同步采样法。
本文采用同步采样法，下面对同步采样法进行介绍：
同步采样法是最初采用的方法，同步采样法[7-8]是指采样时间间隔Ts与被测交流信号周期T及m个周期内采样点数N之间满足关系式
（2.1）
对于周期为T的信号，设采样由t=0处开始，在m个整周期中均匀采样N次，则采样时间间隔Ts=mT／N，那么第i次采样的时间为
i=0,1,2,3…N-1（2.2）
同步采样法的实现可用以下两种方式：
1．硬件同步采样法；2．软件同步采样法，下面分别加以介绍。
1．硬件同步采样法
硬件同步有多种形式，常见的是采用锁相环来实现频率跟踪电路的同步等间隔采样，输出一个N倍于被测信号频率的控制信号，控制采样保持电路和A／D转换器。
硬件同步由硬件同步电路向CPU提供中断请求实现同步。
锁相环实现同步采样的原理如下图2．1所示：
2．软件同步采样法
首先测出被测信号的周期T，然后用T除以一周期内采样点数N，即T/N，得到采样间隔Ts，以此确定定时器的计数值，用定时中断方式实现同步采样。
由于采样间隔由定时器决定，而定时器初值由DSP赋值，受其时钟周期不能无限小的限制，理论计算所得时间间隔与定时器设定的时间间隔相比，存在一个偏差值，随着采样点的增加，偏差值小段累积，产生同步误差。
设定时器的计数周期为，则定时器的计数值为（N为一周期内采样点数），由于受定时器最大计数频率不能无限大的限制，一般不为整数，只能对它取整，去掉小数部分。
设去掉的小数部分为I，取整为M，以M为定时器的计数值，则产生的周期误差为：
（2.3）
2.2电参量的测量
理想的交流供电系统中，三相交流电压是平衡的，其均方根值和频率都应是恒量，电压和电流的波形都为正弦波。
电压U的瞬时值可以表示为：
（2.4）
式中：
U-电压均方根值-角频率f-频率-初相角
U、、、为电压正弦波的三要素，为基波。
这种正弦形的基波周期函数对加、减、微分和积分等运算是封闭的。
2.2.1交流电压值、电流值的测量
在实际电力系统中，相电压有效值可表示为：
在数字处理系统中，模拟电信号经采样后离散化，以一个周期内有限个采样电压瞬时值来代替一个周期内连续变化的电压函数值，则有：
上式中：
——相邻两次采样的时间间隔
——第m个时间间隔的电压采样瞬时值
N——一个周期的采样点数
若相邻两次采样的时间间隔都相等，在一个周期T内采样次数，N=T/ΔT则有：
电流有效值的计算方法与上述电压有效值方法相同。
2.2.2频率的测量
对于一个理想的正弦波（如图2．2（a）所示），一般可利用波形在三个过零点之间就是一个整周期的特点，通过装置的过零比较器将波形转化为方波信号，用DSP的捕获／比较模块采集口来捕获波形中的两个上升沿，同时启动定时器计数，这样，两个上升沿之间定时器的计数差值即为一个整周期的计数值（如图2．2（b）所示.
Cnt
end
Cnt
begin
Cnt
end
Cnt
begin
根据实际调试及仿真，得出下面的计算方法。
设所选晶振频率为f（单位为Hz），则输入频率F计算公式为：
（2.8）
2.2.3功率因数测量
在正弦波情况下，有功功率为，其中U和I为电压和电流的有效值，为功率因数。
而在存在谐波的非正弦情况下，有功功率定义为：
经离散化后，以一个周期内有限个采样电压和电流瞬时值来代替一个周期内连续变化的电压和电流函数值，则有：
由于，则单相有功功率离散化后得：
三相总的有功功率为各单相有功功率之向量和：
视在功率为各单相视在功率之和：
式中U和I为式（2.4）中的各相电压和电流有效值。
无功功率则为：
根据已经所得的有功功率和视在功率，可得功率因数：
（2.9）
2.3本章小结
本章主要介绍了采样的概念以及同步采样法的原理，对硬件同步采样法和软件同步采样法分别做了介绍，另外，从理论上分析了本装置所需测量的电压／电流有效值、功率、电能等的测量原理，并给出了相应的计算公式。
3电参量检测系统的硬件介绍
3.1电参量检测系统的总体功能简介
本测量装置主要进行一些简单的参数测量，主要测量参数有：
电压有效值、电流有效值、系统频率、功率因数。
测量量程：
电压量程480Vrms
电流量程10Arms
3.2系统的总体构架
在考虑系统的总图框架时，最主要的原则就是在满足系统性能要求条件下，减少外围设备的数量。
整套装置以TMS320F2812为核心，外围设备有系统电源、模拟量输入、通讯接口、时钟接口、键盘、液晶显示、外部存储等。
系统硬件总体框图如图3.1
系统的电源部分采用稳压电源，使装置能在较宽的电压范围内正常工作。
待测的电压、电流信号经二级CT、PT转换，转换为标称值为5A、O～8V的电压信号，滤波后由过零比较器生成频率相同的方波，以便于测频和实现缺相检测。
然后把滤波后的电信号变为适合F2812ADC输入的2.5mA/3．3V的电信号，最后送入ADC来完成七路信号的数据采集。
然后由DSP完成数字滤波、FFT运算以及各电网参数的计算检测并进行各种判断，并将需要的数据存贮起来。
系统时钟由外部晶振提供。
装置的人机界面主要是键盘和LCD显示。
另外，装置可通过RS232，RS485传送信息，用来作为当地调试接口和远程通讯。
4电参量检测系统的软件设计
软件系统是整套装置的重要组成部分。
进行软件设计时，尽量采用模块化、结构化设计思想，以便于将来程序及各种功能模块的可移植与可扩展。
在选择编程语言时，考虑到F2812汇编语言运行速度快，并且有一些专门针对FIR滤波器、FFT算法的指令。
C语言的代码转换效率比较高。
综合装置的性能与编程难度、程序可移植性等问题，选用了以汇编语言为主，C语言为辅的混合编程方式，其中汇编语言主要完成系统装置初始化与各种算法，C语言用来完成一些外来程序的移植。
4.1软件的总体设计
F2812是整个系统中的核心部分，系统的功能都是由这个核心部分来完成的。
整个软件主要由以下几部分构成：
系统初始化、开中断、信号检测、数据采集程序、FIR滤波、FFT运算等。
由于软件系统较为复杂，涉及的算法也较多，为了便于调试和维护，在设计系统的软件时，把软件分成三个部分来考虑：
主程序单元；信号采集与数据处理单元和人机接口单元。
系统软件的功能框图如图4.1所示：
1．主程序模块
主程序单元主要完成系统的自举，跳转；进行相关存储单元的初始化：
调用事情管理器EV程序；管理中断等。
2．信号采集与数据处理模块
信号采集与数据处理单元主要完成模拟信号A／D转换，并对数据进行分析计算。
分析的任务主要包括两部分：
FFT计算与实时信号的检测、计算。
3．人机接口模块
主要完成数据的显示、按键的扫描和通信等功能。
4.2主程序模块
主程序单元主要完成系统的自举，跳转；进行相关存储单元的初始化：
调用事情管理器EV程序；管理中断等。
主程序单元完成自举加载程序，跳转到主程序入口；然后进行相关变量、数据缓冲区、控制寄存器、状态寄存器的初始化：
调用事情管理器EV初始化程序；初始化外设扩展中断PIE。
主程序单元如图4.2所示：
4.3信号采集与数据处理模块
4.3.1信号采集模块
TMS20F2812带有两个8选1多路切换器和双采样／保持器的12位ADC，模拟量输入范围为0～3v，最快转换速率为80ns。
可采用多种触发方式，最多可同时转换16个通道，并采用每次转换结束的中断方式来纪录采样结果（右移4位）。
信号采集子程序流程图如图4.3所示：
ADC转换时，首先初始化DSP系统，然后设置PIE中断向量表，再初始化ADC模块，接着将ADC中断的入口地址装入中断矢量表并开中断，同时等待ADC中断，最后在ADC中断中读取ADC转换结果，并用软件启动下一次中断。
ADC采样源程序代码见附录程序一
4.3.2数字滤波器模块
1、数字滤波器基本概念[11]
数字滤波器是指输入、输出均为数字信号，通过一定运算关系改变输入信号所含频率成分的相对比例或者滤除某些频率成分的器件，是用有限精度算法实现的离散时间线性非时变系统，其输入是一组（由模拟信号取样和量化的）数字量，其输出是经过变换（或说处理）的另一组数字量。
因此，数字滤波的概念和模拟滤波相同，只是信号的形式和实现滤波方法不同。
正因为有该不同点，与模拟滤波器相比，数字滤波器具有稳定性好、精度高、灵活性大等优点，其一般可以满足滤波器对幅度和相位特性的严格要求，可以避免模拟滤波器所无法克服的电压漂移、温度漂移和噪声等问题，同时还可以通过修改参数而灵活地改变滤波效果。
这些优点使数字滤波特别适用于现场情况复杂、存在大量干扰信号的电力系统中的测控设备。
2、数字滤波器的选择[12]
数字滤波器的实现可以有两种选择：
无限长单位脉冲响应滤波器（IIR）和有限长单位脉冲响应滤波器（FIR）。
IIR滤波器系统函数的极点可位于单位圆内任何地方，因此可用较低的阶数获得较高的选择性，所用的存贮单元少，经济而效率高。
但这是以相位的非线性为代价的，选择性越好，则相位非线性越严重。
要实现IIR滤波器的线性相位，必须加全通网络进行校正，这又会大大增加滤波器的阶数。
IIR滤波器的另一个缺点是必须采用递归结构，极点必须在Z平面的单位圆内才能稳定，运算中的四舍五入可能会引起这种结构的寄生振荡。
而FIR滤波器在这两点则优越得多，FIR滤波器主要采用非递归结构，可以保证绝对的稳定，定点制有限字长效应造成的误差也较小。
且FIR滤波器可采用FFT算法，在相同阶数下，运算速度可以快得多。
FIR滤波器还易实现线性相位，且允许设计多通带（或多阻带）滤波器。
所以本装置采用FIR滤波器进行数字低通滤波模块的设计。
FIR滤波器的设计主要有三种方法：
窗函数法、频率抽样法和切比雪夫逼近法。
这三种方法都有其优缺点，一般应用较多的是第一种和第三种。
这是因为窗函数法比较简单，可应用现成的窗函数公式，在技术指标要求不高时比较方便灵活。
由于电力信号的特点，我们并不要求严格控制带通、阻带的截止频率，所以本装置选择了简单、有闭合公式可循的窗函数法进行FIR滤波器设计。
3、数字滤波器的实现
结合FIR设计原理，通过分析可知，实现FIR滤波器的过程如下[13-14]
（1）根据滤波要求，依据公式和
算出凯泽窗的N和β值。
（2）利用待求滤波器的理想频率响应求出滤波系。
一般可利用MATLAB的firl命令来进行计算。
（3）将设计好的N个存入相应的存储区。
（4）从ADC的输出端读取某一时刻的采样值x（n），并存入相应的寄存器。
（5）重复N此循环读取h（n）的值进行卷积运算求得Y（n）：
·
·
·
根据要求，应滤除31次以上谐波，则截此频率，取截止频率，确定带通波纹Rp时，考虑到测量方法误差
主要是数字低通滤波器的通带误差，为方便系统误差分析，取测量方法误差是
0．02％，其通带内的准确度应为带通波纹Rp≤O．0002，带阻衰减As=82dB。
所用窗函数为凯泽窗。
根据公式可得N=53和β=8.0777。
F2812芯片包含一个典型的单周期16位×16位乘/加命令DMAC，利用这条命令可使用辅助存储器XAR7间接存储器寻址可以访问整个4M×16程序空间（Ox00000000～0x3FFFFFFF）
整个滤波器的程序的核心指令有两条：
RPTN-1
其中指令RPTN-1使整个乘加过程执N次（N为滤波器长度，本装置中N=53）;
指令用来完成下列操作：
（1）用（程序地址）存储滤波器系数h（0）h（）h（）h（）……h（52）;
（2）将待滤波的采样值存入；
（3）将中的数据与中的据相乘，
（4）将指定的数据存储器地址中的内容复制到下一高地址数据存储器指向下一个滤波器系数。
程序源代码见附录程序二
4.3.3FFT程序设计模块
FFT是数字信号处理中的重要工具。
在进行FFT时，需要解决的两个主要问题是反序和蝶形算法。
反序是按码位倒置的原理来实现的，它是进行蝶形运算的先决条件，而蝶形算法是FFT的关键[15-16]。
TMS320F2812的指令集中可以进行位反转变址寻址对基于FFT程序中的数据进行重排序。
当选择该寻址方式时，在ARAU中进位传送方向被反转，且当前AR加上或减去ARO内容。
这种寻址方式的典型应用需先将ARO设为阵列大小的一半，且将当前AR值为数据的基地址。
具体实现如下程序。
在本装置中，直接采用了TI公司基于F2812的标准FFT程序，只要把它的端口做了一些改动即可。
FFT算法的流程图如图4.4：
源程序代码见附录程序三
4.3.4电压电流测量模块
电压的测量过程比较简单，首先通过ADC采样对送到A/D口的模拟信号进行转换，通过滤波后用公式对转换后的信号进行运算，再通过进制转换，转换成十进制，最后送到液晶显示器显示。
主要程序流程图如图4.5：
电流的测量与电压测量类似这里不多做介绍。
4.3.4频率测量模块
本设计主要利用EVA中的2个通用定时器（T1和T2），2个捕获单元（CAP1和CAP3），EVB中的1个通用定时器（T3）。
具体测量原理如图4.6所示：
频率测量软件实现：
程序先调用各模块的初始化子程序，主要包括GPIO初始化、PIE初始化、EV初始化和SCI初始化。
系统初始化完成之后，主程序启动CPU_Ti
升级会员 