基于DSP的电网谐波测量仪研制

0 引
言
A n 幅值, 分别为 :
n - 1 bn = t an ( a n ) 2 2
随着微电子、 计算机、 电力电子技术的迅猛发展, 大量新型高效电力电子设备得到广泛的应用。这些非 线性负载的大量增加 , 加上炼钢电弧炉、 电焊机等非线 性负荷, 使供电网中的波形不再是单一的 50 H z 正弦 波形 , 还包括一系列频率为基波整数倍的正弦波分量, 这些分量被称为谐波。在电网中, 如果谐波的成分超 过了一定程度, 会引起严重的危害和后果, 对设备构成 威胁和损害。本文提出一种基于 M AX125 数据采集 系统和 T M S 320L F 2407 的便携式谐波测试仪的设计 方案
11
100%
2
( 14)
T H D=
图1 系统结构图
n= 2
Un
U1
100 %
( 15)
由于汇编的效 率比较高, 所以从初始 化, 数据采 集, F FT 转化和结果输出 , 都用汇编指令。首先 , 加电 以后对 DSP 和 MA X125 芯片进行初始化。初始化可 以选择工 作模式, 另外读一次 M AX125 对 应的输出 口, 使得它可以正常复位 , 并清除因系统上电所引起的 虚假的转换完成信号。程序流程图如下 :
汤 琛 , 邹云屏 , 黄 柱 , 徐丽娟 ( 华中科技大学电气与电子工程学院 , 湖北 武汉 430074) 摘要 : 电力谐波测量是电能质量分 析和改善不可缺少的 环节 。 文章介 绍了一 种基于 T M S 320L F2407 的谐 波测量 仪 的研制 。 并用 M A X125 芯片作为 A/ D 采样来代替 T M S 320 L F2407 的内部 A / D 采样 , 克服了该 D SP 内部只有 10 位 A / D 的不足 , 最后以液晶显示 。 实现了高精度 、 高可靠性的谐波测量 。 关键词 : 谐波测量 ; 数字信号处理 ; M AX125 中图分类号 : T M 935 文献标识码 : A
[ 1]
( 3)
。
1 谐波测量原理
电力输电线路中的电压和电流的正弦信号 , 受非 线性负载的影响 , 电网的波形会发生畸变, 畸变后的波 形函数仍然为周期函数, 且满足狄里赫利条件 , 可以用 傅里叶级数法把电压和电流分解成基波和一系列谐波 的叠加。设电网只有 L 次谐波, 即
L
u( t) = a0 + n = 1( an con w t+ b n sin w t) i ( t ) = c0 + n= 1( c n co snw t+ d n sin nw t ) 式( 1 ) 中,
0
( 1) ( 2)
A n = a n + bn ( 4) 只要将 an 和 b n 解出, 就可以得 n 次谐波的幅值 和相位。根据傅里叶级数理论 : 1 T2 an = T u( t) cos nw t dt ( 5) T -2 1 T2 bn = T u( t ) sin nw t dt ( 6) T -2 U( n) = a n - j b n ( 7) 因为 e - j nwt = cosnw t- j sinnw t ( 8) 则有 1 T2 U( n) = u( t ) e- j nwt dt ( 9) T -T 2 U( n) 正是傅里叶变换公式 , 所以 1 an = [ U( n) + U * ( n) ] ( 10) 2 1 * bn = [ U( n) - U ( n) ] ( 11) 2j an 和 b n 正对应于经傅里叶变换后的实部和虚部。 由此可以求得各次谐波的幅值和相位。实验中对连续 信号 u( t) 在基波周期内进行 512 点同步采样 , 得到时 域内 电压序列后经 F FT 变 换为频域内的复 序列 { U ( u) } , 再利用以上公式解各次谐波参数。对于式 ( 2) , c0 是直流分量, 是 i ( t ) 在一周期内的平均值, 而 cn 和 d n 为傅里叶级数。
n
) 为: ( Re[ U n ] ) + ( Im [ U n ] )
n 2 2
( 12) ( 13)
= arct g
Im [ U n ] Re[ U n ]
由上式计算出三相电压各次谐波分量的有效值和 初相位之后, 可以算出各次谐波电压含有率 ( H RU n ) 和谐波畸变率( T H D) , 分别为 H RU n = Un U1
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图3
程序流程图
4 实验结果
为使实验结果更具备普遍性, 在电网中注入一定 量的三次谐波作为输入信号, 图 4 是用示波器取得其 中一相的输入信号波形。 图 5 与图 6 是用软件 Wav est ar 分析示波器波形 的结果。 图 7 与图 8 是仪器分析的液晶显示结果。 由于电网 谐波主要是奇 数次的 , 这在 Wavest art 的分析中也得到了肯定。考虑到显示时位置的大小, 略去了偶数次谐波。对比图 6 与图 8 的结果可以看到
是 14 位的 A/ D 转换器, 其输出值最大为 3F FF , 采用 512 点的 F F T 变化 , 数据输出格式为: 实部、 虚部数据 交替顺序存放, 即电压各次谐波分量的实部 ( R e ) 和虚 部( I m ) 交 替存放 , 所以 三相电 压各 次谐波 的有 效值 ( U n ) 和初相位 ( Un =
是直流分量, 是周期函数 u( t ) 在一个周期
n
内的平均值;
和 b n 为傅里叶级数的系数 , 它们是 n
n
次谐波的直角坐标分量, 相应于 n 次谐波的相位
和
收稿日期 : 2006 - 02 - 10 作者简介 : 汤 琛 ( 1983- ) , 男 , 硕士研究生 , 研 究方向为谐 波 测量与电网参数测量 。
通信电源技术
2006 年 5 月 25 日第 23 卷第 3 期 T elecom P ower T echno lo gies M ay 25, 2006 , V ol. 23 N o. 3
文章编号 : 1009 - 3664( 2006) 03 - 0025 - 03
研制开发
基于 DSP 的电网谐波测量仪研制
2 系统构成
图 1 是由 M AX125 和 L F2407 组成的采样系统结
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2006 年 5 月 25 日第 23 卷第 3 期 T elecom P ower T echno lo gies M ay 25, 2006 , V ol. 23 N o. 3
构图。被采样信号首先通过隔离与差分输入 , 再进入 低通滤波 , 然后通过 M AX125 采样。差分输入是为了 抑制共模干扰, 滤波的作用是滤除高频谐波, 防止频谱 混叠。 由于 M AX125 是5 V 电压供电的芯片, 而 LF 2407 是3. 3 V 供电的芯片 , 它们之间的电平不匹配 , 要加电 平转换芯片 才能传 递信号。在这 里, 它们 之间 接了 SN 74AL VC 164245, 这是双向 16 位的电平转换芯片, 从而保证了信号之间的正常传递。
图 2 锁相环原理图
图 2 中被测的电网信号经过带通滤波和过零比较 器整形, 过零比较器输出信号与压控振荡器输出的经 过分频器分频的信号在鉴相器内进行相位比较。鉴相 器输出直流信号的幅度与相位差成比例。鉴相器的输 出经低通滤波器后控制压控振荡器的频率 , 使压控振 荡器输出经分频器分频后的频率向被 测信号频率靠 拢, 直至频差消失, 环路锁定 , 此时压控振荡器输出频 率正好是被测信号频率的 N 倍。用压控振荡器输出 接 MAX 125 的 CONVST 引 脚, 控 制和启 动 A/ D 转 换, 就可以使 N 个采样点均匀分布在电网的一个整波 内, 消除了同步误差 , 实现了无相位差的同步采样
在电力系统的谐波分析中, 由于电力系统中实际 的基频并不正好是 50 H z, 会引起输入信号的频谱泄 漏。为避免这种情况的发生 , 在采样过程中加入锁相 环。如图 2 所示 , 锁相环由鉴相器、 低通滤波器和压控 振荡器三个基本的部分组成。锁相环是完成两个电信 号的自动控制系统, 能实现对输入信号的频率和相位 进行自动跟踪。锁相环与外界的分频器构成频率倍增 电路。
。
3 程序
FF T 变换使用的是 512 点基 - 4 运算, MA X125
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2006 年 5 月 25 日第 23 卷第 3 期
汤
琛 等:
基于 DSP 的电网谐波测 量仪研制
T elecom Pow er T echnolog ies M ay 25Developm ent of H arm onics M easuring Instrum ent Based on DSP
T A N G Chen, ZO U Yun - ping , H U A N G Zhu, XU Li juan ( Huazho ng U niver sity o f Science and T echnolo gy , W uhan 430074 , China) Abstr act: T he H armonic measure is ver y impor tant fo r the po wer qualit y monito ring and o pt imizatio n. T his paper in t roduces the applicatio n o f T M S320 L F2407 in a harmonic measur ing inst rument. By using M AX 125 for sampling instead o f DSPT M S 320 LF 2407' s on - chip A DC. T he analy sis sy st em has hig her per for mance - to - pr ice ratio, precision and reliability. Key wo rds: H armo nics measur e; DSP ; M A X125