基于DSP的无功补偿装置的电力信号测量与处理.docx
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基于DSP的无功补偿装置的电力信号测量与处理
基于DSP的无功补偿装置的电力信号测量与处理
一：
相关背景
理想的电力供应应该是50HZ，标准的正弦波形，并且电压稳定于额定值。
对三相供电系统来说，A,B,C三相的相位之差应各为120度，且电压，电流幅值大小相等。
但是由于电力用户的各种工业用电设备和民用电设备接入到电网中以后，电力供应就不可能为理想状态了。
因为许多用电设备存在功率底数偏低，非线性，非对称性或者冲击性的特点，给电网的电力供应带来了各种负面的影响，如电压值偏低，谐波成分大，电压波动闪变，波形失真等。
电缆车，车床等用电设备的主要特点就是由异步电机驱动，整个设备的工作特性为感性，电流滞后于电压，无功功率需求量较大。
据有关资料分析，电力系统现阶段的无功功率负荷约为有功功率的1.3倍，且数值继续增加。
无功功率如果不能就地补偿，用户负荷所需要的无功功率就要全靠发、配电设备长距离提供，就会使配电、输电和发电设施不能充分发挥作用，降低发、输电的能力，使电网的供电质量恶化，严重时可能会使系统电压崩溃，造成大面积停电事故。
无功功率增加将使视在功率增加，从而使流过供电系统的电流增加，这将对系统产生如下影响[2]:
（1）总电流增加会使电力系统中的元件容量增大，因而使投资费用增大;
（2）在传输同样有功功率情况下，总电流的增大，使设备及线路的损耗增加;
（3）线路及变压器的电压损失增大;
（4）对电力系统的发电设备来说，无功电流的增大，对发电机转子的去磁效应增加，电压降低，如过度增加励磁电流，则使转子绕组超过允许温升。
此外，无功功率的增加，会导致原动机效率的相对降低。
显然，这些无功功率如果都要由发电机提供并经过长距离的传送是不合理也是没有必要的。
我们可以在需要消耗无功功率的地方安装无功补偿设备来补偿无功功率。
二无功补偿的作用
无功补偿的目的主要是提高功率因数，但是其好处又不仅仅局限于提高功率因数。
无功补偿的作用主要有以下几点：
（1）改善功率因数，提高设备出力。
如下图所示：
图1无功补偿对功率因数的影响
其中：
S为视在功率；
P1为补偿前的有功功率，P2为补偿后的有功功率；
Q1为补偿前的无功功率，P2为补偿后的无功功率；
φ1为补偿前的功率因数角，φ2为补偿后的功率因数角。
由图3-3可以看出，在设备视在功率S一定的前提下，无功功率补偿以后（补偿量Qc=Q1-Q2），功率因数角由φ1减小到φ2。
cosφ2>cos1，功率因数提高了。
同时无功功率由Q1减小到Q2，有功功率从P1增加到P2，可见设备的有功出力提高了。
（2）降低输电线路及变压器功率损耗。
三相电路中，功率损耗△P的计算公式为：
（1-4）
式中：
U为额定电压，R为线路等效总电阻。
可见当功率因数提高以后，线路损耗将大大下降。
（3）降低电压线路损失
电压在线路上的损失计算公式如下：
（1-5）
式中：
U为额定电压,P为有功功率，Q为无功功率，R为线路等效总电阻，
为线路等效总感抗。
可见当功率因数上升后，无功功率减小，电压线损也将减小。
三．本作业要完成的任务
本文将从上述一个实际项目入手，选取其中较为核心的部分，进行下面的工作
1．完成对相关电力参数的在线测量
2．将相关参数保存至外部存储器
3．对采集的电力参数进行运算处理
通过本次作业，达到学习和熟悉DSP相关知识的目的。
四系统硬件总体设计
目前大部分TSC的设计包括电压采样，功率因数计算，指令计算与投切动作的执行，其整个系统工作流程如下：
系统总体采用分块设计的方案。
整个系统分为3大块，分为主控制板，保护监测板和显示与人机接口部分。
其中：
●主控制板完成对功率因数的检测，系统指令的运算与输出，整个系统的指挥调度和显示数据的输出。
●保护监测板负责完成对各组电容的电压，电流的检测，输出电压电流值到主控制板。
●显示与人机接口部分完成各种数据的显示和设定参数的输入。
系统说明框图如下：
图2主控制板结构框图
五：
控制芯片及外围电路
1．CPU芯片TMS320C6713
TMS320C6713数字信号处理器是美国TI公司推出的TMS320C6000系列浮点DSP的一种，它采用256管脚的BGA封装，3.3V的I/O电压和1.8V的内核电压供电方式，并具有两级cache缓存结构和高达900MFLOPS的峰值运算能力。
2.电信号的测量芯片CS5460A：
目前国外一些IC厂商专门推出了一些电压/功率测量的ASIC芯片，如Crystal公司的CS5460A和AnalogDeviceInc.（ADI）公司的AD7755/7756等。
这些IC芯片的共同特点是把电压，电流以及功率测量的一些元件如运放、ADC、电压参考基准、温度传感器、数字信号处理电路和温度感应器等集成在一块芯片上，可以实现数据的高速处理和分析，并提供串行接口以便于实现与微处理器的通信，因此大大简化了电路设计并提高了稳定性。
我们选择了CRYSTAL公司的CS5460A，可直接读书功率因数，电压有效值，电流有效值和有功功率。
CS5460A提供SPI串行通信接口和一系列寄存器，处理器可以通过SPI接口读写这些寄存器，以实现对CS5460A的控制和从CS5460A读取指定的数据。
CS5460A的寄存器主要分为三类：
控制寄存器、数据寄存器和校准寄存器。
3．存储芯片Am29LV160D
目前，市场上FLASH的种类很多，但是具体的工作方式大体相同。
在本例中我们选择AM29LV160D。
Am29LV160D芯片介绍：
Am29LV160D是一种仅需采用3.0V电源进行读写的闪存。
该器件提供了70ns、90ns、120ns读取时间，无需高速微处理器插入等待状态进行速度匹配。
为了消除总线竞争，芯片引入了片选使能（CE#）,写使能（WE#）和输出使能（OE#）控制端口。
芯片采用分块结构，非常适用于要求高密度的代码或数据存储的低功耗系统。
芯片特点：
●甚低功耗
工作在5MHz时,电流典型值为：
睡眠模式下电流为200nA；
备用模式下电流为200nA；
读数据时为9mA；
编程/擦除模式下电流为20mA。
●灵活的分块结构
一个16KB，两个8KB，一个32KB，和31个64KB块（字节模式）；
一个8KB，两个4KB,一个16KB，和31个32KB块（字模式）；
支持整个芯片擦除；
复杂的块保护特性。
●具有内部嵌入算法
内部嵌入擦除算法自动预编程和擦除整个芯片或任意块的组合；
内部嵌入算法自动将给定地址的数据写入芯片及对其校验。
●与JEDEC标准兼容
●具有硬件RESET复位与Ready/Busy擦写查询管脚
●具有擦除暂停与擦除继续功能
4.高电压及大电流的转换
对6000V的高压，我们不能进行直接的检测。
由于在线上有大型的PT和CT进行电压电流的变换。
PT的二次线圈电压为100V，CT的二次线圈额定电流为5A。
所以，我们只要对这两个值进行检测。
考虑到设备体积和成本，我们采用了星格公司的高精度电压互感器SPT204A和电流互感器SCT254A。
其中SPT204A是原副两边都为额定电流2mA的线圈，变比为1:
1。
其大变比的实现主要是靠原副两边的取样电阻值不同来实现的。
SCT254A原边额定电流为5A，副边额定电流2.5mA，变比为2000:
1。
互感器的体积都较小，可以直接放置于主控制板上。
4.1电流采样
电流互感器采用北京星格测控技术有限公司的SCT254A，其变比是5A/2.5mA，非线性度<0.1。
系统将来自CT的交流电流信号通过互感器SCT254，然后通过在互感器的副边加适当的电阻来获得信号[13]。
设计满量程的输入电压是150mV，而互感器输出端的最大电流为2.5mA,所以R=150mV/2.5mA=70Ω。
因此选用80Ω的电阻，然后并联一个1KΩ的电位器来调节，将其调节在70Ω。
原理图如图3.1所示
图3电流采样原理图
4.2电压采样
电压互感器采用星格公司的SPT204A，其匝数比为1000:
1000，额定输入为2mA/2mA,非线性度小于0.1%。
用户采样电压由互感器副边的采样电阻两端电压得到。
设计满量程的输出电压是150mV，而互感器的输出端最大电流为2mA,所以对副边来说，R=150mV/2mA=75Ω。
因此选用80Ω的电阻，然后并联一个1KΩ的电位器来调节，将其调节在75Ω。
取决于PT的具体参数。
原理图如图3.2所示
图4电压采样原理图
4.3相位检测
相位检测即检测电压电流的相位关系，判断电流超前还是滞后，进而判断系统处在感性负载还是容性负载。
如果是感性负载，系统才投入工作。
如果是容性负载，则切断电容。
相位检测的原理是将电网电压Ua和相电流Ia变换成适当的电压信号，送入过零比较电路，转化成信号，接到CPU的2根管脚上，通过对管脚电平的判断，得出是电压超前还是电流超前。
如下图所示：
方波变换电路如下所示：
图5相位检测电路
对本系统，有一些设定的参数要长期使用，如CS5460A的电压电流校准参数，就必须在掉电以后能够长期保存。
另外根据客户需要可能会纪录大量的系统历史运行情况，显示系统也有一些图库和字库需要存储器空间。
5.CS5460A外围与接口电路的设计
功率因数的获得主要采用CS5460A芯片来实现。
CS5460A是美国crystal公司最新推出的带有串行接口的单相双向功率/电能计量集成电路芯片。
它包含2个Δ-Σ模/数转换器（ADC），高速电能计算功能和1个串行接口的高度集成的Δ-Σ模/数转换器，还具有方便的片上AC/DC系统校准功能。
该芯片的性能优于其他计量芯片，主要表现在：
●可以测量瞬时电流，瞬时电压，瞬时功率，能量，电流有效值和电压有效值；
●具有片内看门狗定时器WDT（WatchDogTimer）与内部电源监视器；
●集成有1个简单的三线串行接口。
该接口与和SPITM和MicrowireTM标准兼容，方便与外部微控制器通信；
●具有机械计度器/步进电动机驱动器；
●外部时钟最高频率可达20MHz；
●具有与能量成门比的频率可编程的脉冲输出，有功率方向输出指示。
在本系统中，功率因数的检测主要由安放于主控制板上的CS5460A芯片来完成。
为了保证测量的准确度，对电压电流的采样采用差分共模采样，即在3.1.1小节和3.1.2小节中讲到的电流采样和电压采样回路中接上如下图所示的差分共模回路，并把原采样回路上的地移到中性点上去。
CS5460A测量功率因数的电路图如下：
图6CS5460A外围与接口电路的设计
CS5460A与CPU芯片的连接是通过其内部集成的串行接口完成的。
该串行接口由串行时钟（SCLK）,串行数据输入（SDI）串行数据输出（SDO）和片选CS组成。
CS是芯片选择控制端!
当为低电平时,端口可以识别SLCK。
当为高电平时，SDO管脚处于高阻状态。
SLCK是串行时钟输入管脚，该管脚决定串行数据的速率。
SDI，SDO是串行数据输入与输出端。
CS5460A中的数据以及命令字的输入和输出都是通过这两个管脚实现的。
当SLCK为上升沿时在SDI上的数据可以写入，SDO上的数据可以被读出。
本设计直接使用串行口读取能量寄存器。
另外模/数转换的基准电源输入由
给出。
在器件的选择上要求为稳定性好，精度高，误差小，寿命长。
另外还需要测试相位，用以确定无功功率是容性无功还是感性无功。
相位测试电路主要是将电流，电压之间的相位差通过硬件电路转换为脉冲信号传送给微处理器。
这部分是通过3.1.4小节的相位检测电路实现的。
对电压，电流，功率因数和有功功率值的读取只要读取CS5460A片内的相关寄存器的值就可以了，例如
与
，在此不作详述。
需要注意的，在对CS5460A的使用过程中，进行准确的校准和复位后的校准是很重要的，否则会出现测量不准、线性度不好的问题。
CS5460A有系统偏移和系统增益两种校准模式，用户必须提供地和满量程信号才能进行系统校准。
由于测量对象为交流量，因此可以不进行直流量的偏移和增益校准，只需要进行系统的交流量偏移和增益校准。
本系统得CS5460A在使用之前需要进行2种校准，即交流偏移校准和交流增益校准。
首先进行交流偏移校准，对CS5460A进行自动校零。
具体方法是：
首先将电流和电压偏移寄存器置成0，输人零电压和零电流，并启动高通滤波器，然后给CS5460A送偏移校准命令，得到的电压和电流偏移校准值分别自动存入CS5460A电压和电流交流偏移寄存器。
校准后当输入为零电压或零电流时，寄存器
或
寄存器将为零。
然后进行交流增益校准，具体方法是：
首先必须使CS5460A工作在连续转换模式下，电压、电流的增益寄存器皆置为1，将电压、电流输入为满量程的AC电压和AC电流，然后给CS5460A发送交流增益校准命令，得到的增益校准值将自动存入电压、电流的交流增益寄存器中经过交流增益校准后，
寄存器和
寄存器中的值均为0.6，之所以选择0.6是为过量程能力提供一些裕度。
测量实际值则必须经过刻度换算之后才能得到。
另外要注意的是，CS5460A每次复位都会使使偏移寄存器值和相位补偿值为零，增益寄存器值为1，因此要将偏移校准，交流增益校准值和相位补偿值都保存外部存储器中。
每次复位后，将校准值分别写回相应的寄存器值中，才能开始测量。
6．外部存储器与DSP的接口电路
图7外部存储器与DSP的接口电路
7．供电电源
电源系统为整个系统提供能量，是整个系统工作的基础，具有极其重要的地位。
设计电源系统是一个权衡的过程，必须考虑一下因素：
输出电压，电流和功率；输入的电压，电流；安全因素；输出纹波；电磁兼容和电磁干扰；体积限制；功耗限制及成本限制。
本系统电源电路分两极设置，即前级电源电路和末级电源电路。
其中前极电源电路由7805完成，末级电源电路由SPX1117完成。
其中SPX1117是一个低功耗的正向电压调节器，主要针对高效率，小封装的低功耗设计。
SPX1117具有很小的静态电流，在满负载时低压差仅为1.1V。
且当输出电流减小时，静态电流也随负载变化，减小功耗。
SPX1117的输出电压可以调节，可以选择1.8V与3.3V的电压输出。
SPX1117的特点在此不赘述，其末级电路如下图所示：
图8SPX1117应用电路图
根据上述需要，需要一个前级电路来调整，况且由于系统里面还有许多需要5V供电的模块。
所以利用一块7805来做前级电源电路。
具体电路如下：
图97805稳压模块
以上的7805和SPX1117只是提供5V,3.3V,1.8V的电源。
在实际系统中，可能还会使用到其他的电压。
可视情况选择其他的电压模块。
五．系统软按的设计与安排
5.1主程序设计
主程序设计采用了自顶向下的程序设计思想。
主程序设计采用了顺序循环的程序结构，在系统运行时不间断的循环运行。
在循环运行时，接受中断或者子程序的调用。
子程序包括对CS5460A的初始化设置，读取测量的电压电流值，对投切指令的计算，对保护指令的计算等。
总之每种任务都设计为子程序调用，然后在主程序中需要的地方直接调用这些子程序就可以了。
这样显得结构清晰明了，也大大提高了程序的编制和调试的效率。
另外对保护监测指令采取中断的模式，即保护监测板以中断的形式告诉主控制板，从而在主程序中引起中断来处理特殊情况。
主程序主要包括以下一个部分：
对DSP芯片的初始化工作，设置CS5460A工作模式与寄存器，设置液晶显示器的相关引脚寄存器，调动投切指令计算子程序，调动保护监测指令计算子程序，接受来自保护监测板的中断等。
主程序的流程图如下：
图9主程序流程图
5.2CS5460A的程序设定
5.2.1：
CS5460A的设置与启动步骤：
a）复位CS5460A，对CS5460A的复位脚发复位脉冲，脉宽不少于10MS。
b）写同步控制命令字
c）从外部存储器读原来保存的校准值，并将读出的值写入相应的校准器。
d）写控制寄存器，设置各寄存器参数。
e）清状态寄存器。
f）起动CS5460A开始转换。
g）读CS5460A的AD转换值或计算结
5.2.2：
CS5460A的校准
CS5460A提供数字校准功能，用户通过写指定的值到CS5460A校准命令寄存器即可实现不同的校准功能。
CS5460A有两类基本类型的校准：
系统偏置校准与系统增益校准。
当执行某种校准命令时，必须输入相应的校准信号到电压电流通道的输入端。
CS5460A有一系列校准寄存器，当某一校准命令执行后，相应的寄存器会保留校准产生的修正值，用户可以读取这些校准寄存器，并将其保存在外部非易失性存储器。
在系统重新上电启动时，将存储器保存的值写入相应的校准寄予存器，不必重新执行校准步骤.这些校准寄存器包括：
1、直流电压偏置寄存器（0x03）;
2、直流电流偏置寄存器（0x01）;
3、电压增益寄存器（0x04）;
4、电流增益寄存器（0x02）;
5、交流电压偏置寄存器（0x11）;
6、交流电流偏置寄存器（0x10）;
图10CS5460A的设置与启动流程图
5.3Am29LV160D的编程方法
对FLASH的在系统编程就是通过一定的编程命令序列来控制FLASH的工作方式，这些命令序列是一些特定字符的组合，只要向FLASH中的特定寄存器以特定的顺序输入这些字符即可进入相应的编程模式。
具体说明如下：
●复位命令序列：
对FLASH中任一地址写入“F0”，即可实现复位。
●自动选择模式：
此模式主要用于编程器编程时，由编程器根据从数据线DQ7-DQ1读出的识别码自动配置编程逻辑，当然也可以通过命令序列在在系统情况下将自动选择码读出。
●编程命令序列：
程序可以以字节方式或字方式写入，这主要根据FLASH外部引脚BYTE的状态而定。
●芯片擦除命令序列：
FLASH编程时应先执行擦除命令，这是因为编程指令只能将数据由１变为0，反之则不行。
●扇区擦除命令序列：
为了编程方便及保护有用数据，数据擦除可以只擦除某些无用的扇
●擦除暂停和恢复命令序列：
这个命令序列只在进行扇区擦除时有效，它允许编程者中断一个扇区的擦除操作，接着从没有被擦除的扇区读出或写入数据。
●写入命令：
也分为字节模式和字模式，分别对应FLASH的8位和16位工作方式，具体为哪种模式,可由FLASH的BYTE脚的输入来决定，低电平为字节模式，高电平为字模式。
在对FLASH进行编程时，FLASH提供硬件和软件机制来获得FLASH的状态，以确定数据写入或擦除操作是否完成。
硬件方法主要是利用FLASH的外部引脚RY/BY的输出信号在命令序列的最后一个写脉冲（WE）的上升沿之后有效。
当该输出为低电平时,表示FLASH正在编程或擦除中，而当该输出脚为高电平时,即表示编程或擦除已完成。
六．结论
本文从一个实际项目入手，选择其中部分较为核心的一部分作了一系列工作。
利用TMS320C6713处理芯片，CS5460A电力测量芯片，Am29LV160D存储芯片，完成了对相关电力参数在线测量与实时运算。
并设计了相关的硬件和软件，本文所作的工作虽然没有作出完整的产品，技术上也有很不成熟的地方。
但是已经达到了对DSP相关知识学习和熟练的目的。
总之，这门课使我受益匪浅。
在此，非常感谢老师的指导。
七．参考文献
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