实时高性能电网谐波分析装置

仪　器　仪　表　学　报

2004年8月

实时高性能电网谐波分析装置

周　斌1　雷　铭1　李志勇2　郭　建1

1

(国电自动化研究院　南京　210003)　2(河南商丘市电业局　商丘　476000)

摘要　随着电网中非线性器件使用的增多,电网中的谐波含量显著增加,同时国民生产和生活对电能质量的要求也越来越高。介绍了一种实时高性能电网谐波分析的装置,它采用PC104总线规范,基于DSP处理器TMS320F2812,采用FFT算法对电网谐波等电能质量指标进行实时计算和分析。关键词　电网谐波分析　PC104总线　DSP　霍尔变送器

Real-timeHighPerformanceElectricHarmonicAnalysisDevice

1121

Zhou　Bin　Lei　Ming　LiZhiyong　Guo　Jian

1

(NanjingAutomationResearchInstitute,Nanjing　210003,China)

2

(ShangqiuElectricPowerBureau,Shangqiu　476000,China)

Abstract　Withmoreandmorenon2lineardevicesusedinthegrid,thecontentsofharmonicarealsoincreasedwhiletheelectricpowerqualityhasbeenrequiredmorestrictly.Itintroducesahighperformanceelectrichar2monicanalysisdevicewhichisbasedonTMS320F2812DSPprocessorandPC104bus.FFTalgorithmisalsousedtocalculatethereal2timeparametersofelectricpowerquality.

Keywords　Electricharmonicanalysis　PC104bus　DSP　Halltransducer

电流信号进行实时数据采集和处理,通过PC104总线

1　引　　言

随着电力电子技术的发展,一方面非线性器件和设备得到越来越广泛的应用,电网的波形畸变越来越严重,谐波含量显著增加;另一方面随着各种复杂、精密、对电能质量敏感的用电设备不断普及,人们对电能质量的要求越来越高。因此有必要对电网的谐波等电能质量的指标实行监测和控制。

DSP处理器由于内部采用哈佛总线结构,指令的

和管理CPU卡进行高速数据交换。

2　原　　理

电力输电线路中的电压和电流并不是理想的

50Hz正弦信号,受非线性负载的影响,电网的波形会

发生畸变,畸变后仍然为周期函数,并满足狄里赫利条件,可以用傅立叶级数法来把电压和电流分解成一系列基波和谐波的叠加。对电网的电压和电流信号进行实时采样,对离散的采样序列用FFT蝶形算法进行时频域转换,可以很方便的分析电压和电流的基波和各次谐波的有效值和相位情况,并可以分析各次谐波总畸变率和谐波功率。

装置的采样频率为基波频率的1024倍。由于电网频率会在50Hz左右上下波动,而采用FFT的谐波测试仪对采样频率和同步性有很高的要求。否则频谱混迭与频谱泄漏造成的误差不可忽视,尤其是频谱泄漏问题。因此在硬件实现上,必须根据电网的基波频率

[1]

流水线操作,以及的硬件乘法器结构等,非常适合进行数字信号处理,进行实时的数据分析和监控。

PC104总线是新一代工业控制总线,它结构紧凑,总线

金属接触紧密,抗震性能好,插卡大小一致,易于扩展,广泛应用于工业控制领域。笔者介绍的电网谐波分析和功率监控装置采用PC104总线规范,管理CPU卡采用Intel工业CPU硬件平台,交流信号采集卡采用

Texas公司32位TMS320F2812处理器和MAXIM公

司的高速A󰃗D转换芯片,对用变送器传来的电网电压

　第4期增刊实时高性能电网谐波分析装置401

实时调整采样频率,这就要求对电网基波频率进行准确测量。本装置基波频率的测量方法是将电压信号经变速器变换成0～5V的交流信号,再通过滤波和整形电路,把基波整成方波,然后用一个定时器测量方波周期,进而算出基波频率,再以此值实时修正采样频率,实现同步采样。

器上运行的程序完成的功能如下:基波频率测量,控制畸A󰃗D采样,FFT计算,计算基波和各次谐波有效值、变率和有功、无功功率,通过PC104接口向管理CPU卡传送计算的结果。

由于六路电压电流采样序列均为实序列信号,因此根据实信号FFT计算结果频域的对称性,可以两路采样实序列合并为一个复序列作一次基4FFT运算。由于每周期的采样点为4的幂,与基2FFT算法相比,采用基4FFT算法可以有效地减少复数乘法的运算次数,因此实际上采用的是基4FFT算法。每次FFT运算耗时大约1ms,这样主程序的3次FFT运算约

3ms。再加上各次谐波的电压电流幅度运算,功率计

3　硬件结构

装置硬件分为交流变换模块、数据采集模块管理及显示模块和通信模块。各智能模块间采用PC104总线联络。

交流变换模块将电网二次三相电压和三相电流信号变换为0～5V的小信号传至数据采集模块。本装置采用新型的霍尔变速器,通带范围大,频率特性好,工作区域内精度高,线性度好,具有良好的动态范围。

信号在输入数据采集模块后,在输入A󰃗D之前首先进行抗混叠滤波,消除了采样和计算导致的将高频的信号搬移到低频区造成的频谱混迭。数据采集模块采用用MAXIM公司的十四位双四路同步高速A󰃗D采样电路MAX125对信号进行采样和数据转换。然后DSP处理器TMS320F2812利用快速傅立叶变换(FFT)算法进行信号的频谱分析和计算。TMS320F2812是一种高性能的DSP处理器,工作频

算,根据95%概率值进行监测判断,数据传送等,读计数器值和读A󰃗加上片D转换数据以外部中断的方式、内定时器中断定期产生A󰃗D转换启动信号,程序在一个电网的周期20ms之内都可以完成,因此这是一个实时的监测分析系统。

管理模块采用Windows平台,运用高级软件,编程方便,数据库功能强大,人机界面友好,并支持多种通信规约和远方调度进行快速通信。5　结束语

笔者所介绍的实时高性能谐波分析装置,采用应用于工业控制场合的高速数字信号处理器件,快速的进行FFT计算,实现真正的实时监测。PC104总线设计,结构紧凑,接触可靠,实现DSP与PC机之间高速实时的数据交换,并且可以运用于比较恶劣的现场环境中。这些都是本装置比起其他同类产品的优越之处。该装置已在现场投入应用,运行可靠,测量分析正确,为确保电力系统的稳定运行起到了十分主要的作用。　　参考文献

1　杨洪耕,肖先勇,刘俊勇.电能质量问题的研究和技术进

率150MHz,并含有12k片内RAM,128k片内FLASH和3个32位定时器等,非常适合应用于工业控制和数据采集。卡上的EEPROM中存有各通道的幅度和相位校正数据,对计算结果进行软件修正。最后DSP处理器将各项计算结果通过PC104总线上送管理CPU模块。

管理模块采用Intel公司奔腾处理器并配有彩色液晶、硬盘、打印机等外设。管理模块对数据进行必要的再加工,包括数据记录,比较和报警,绘制统计报表等。同时通过PC104总线管理双路100M以太网通信卡。

展(三).电力自动化设备,2003,(11):1～4.

4　软件设计

软件采用模块化设计。数据采集卡上的DSP处理