DSP技术在电力谐波测量中的应用

摘 要：电力系统谐波测量技术在电能质量监测中占有重要的地位和作用。本文论述了基于数字信号处理技术电力系统谐波测量的硬件物理实现和控制软件方面的实际开发。
关键词：谐波；数字信号处理

随着电力电子技术的发展，非线性电子设备得到了广泛使用，如大功率可控硅器件、开关电源、变频调速等，这些典型非线性负荷将从电网吸入或注入谐波电流，从而引起电网电压畸变，使电网波形受到污染，供电质量恶化，附加损失增加，传输能力下降。本文论述实时数字信号处理技术在电力谐波测量中的应用。

硬件设计
芯片的选择
电力系统中的谐波是指频率是50Hz整数倍的信号。由于对电力系统影响较大的谐波在1kHz以下，信号采样频率大于2kHz即可。在2kHz采样频率下，采集一个完整周期的50Hz信号需20ms，对高次谐波所需时间更短，采样时间可以设定为40ms。采样得到的采样点数为：2kHz×40ms=80，进行128点FFT即可得到各次谐波的分量。
本文中选择TI的TMS320 F206。TMS320F206体积小、功耗低、单5V供电，除544字节双寻址RAM外，还有4K RAM和32K Flash，可存放较大的程序和数据，而且该芯片采用循环寻址、位倒序等特殊指令使FFT计算速度大大提高。在实际应用中对实时处理要求比较高，芯片的FFT运算能力是芯片选型的重要考虑因素之一。数字信号处理器必须在下一个取样数据块到来之前完成全部运算，以保证信号处理的实时性，在2kHz采样频率两个样本的条件下，此时间间隔为40ms。该芯片在20MHz主频时，指令周期为50ns，而进行N点复数FFT变换约做2N×Log2N次实数乘法运算和3N×Log2N实数加法运算。TMS320F206的乘法、加法都是单周期指令，取N=128，不计内存访问和其它时间，则FFT所需时间为：5×128×7×50ns约224ms。可见该DSP进行128点FFT所需时间远小于40ms的样本时间，在工程实际使用中实时效果很好。
硬件框图
系统硬件框图如图1所示。被测电压/电流信号经电压/电流互感器取出后，送至放大器进行信号调理，放大器增益可程控，信号幅度经放大器调理与ADC的输入量程一致。ADC的转换脉冲由DSP的定时器输出产生，频率为2kHz，ADC转换完成后产生一个转换完成脉冲，此脉冲可将数据写入到数据缓冲器。
DSP平时可查询数据缓冲器状态，数据缓冲器的满标志连接DSP的中断。当数据缓冲器满时，DSP产生中断，停止当前工作，置数据缓冲器满标志，由主程序读缓冲器数据。DSP完成FFT运算后得到各次谐波值。DSP通过双口RAM与MCU发送数据。同时，MCU也通过双口RAM向DSP发送命令。
在选择ADC、数据缓冲器、双口RAM等器件时，除考虑它们的速度或容量满足要求外，还需考虑它们的工作电压、信号高低电平门限。如信号高低电平门限不一致，须通过电平转换芯片进行电平转换后，方可与相应信号线连接。MCU直接控制显示与键盘。MCU通过远程通信模块与计算机相连，由计算机进行显示和打印。

软件设计
主程序流程图如图2所示。
控制系统工作流程如下：系统加电后，TMS320F206先进行初始化，定时器开始计时。然后进入自检，如不正常，程序返回重新开始，如正常，程序往下继续，根据数据缓冲器满标志，决定是否读缓冲器数据。接着，根据FFT数据是否准备好，决定是否进行FFT运算。如FFT数据准备好，运算后将结果送双口RAM并触发看门狗，然后返回程序自检处。若FFT数据未准备好，跳至触发看门狗程序段，然后返回至程序自检处。当计时时间到，DSP输出转换脉冲启动模数转换。如缓冲器满，DSP产生中断，由中断服务程序置数据缓冲满标志。
DSP与MCU对双口RAM的操作示意及读写流程如图3所示。
DSP与MCU通过双口RAM进行数据交换，DSP将运算结果存放在双口RAM的一个区，并有一个标志，DSP写数据和MCU读数据在此区间进行。当DSP向双口RAM写数据时，先查标志，上次数据是否已被读取，如已读取，方可写入新数据，并改写标志为新数据标志；当MCU读双口RAM数据时，先查标志，是否为新数据，如为新数据，方读取，并改写标志为已读取标志。DSP读数据和MCU写数据存放在双口RAM的另一个区，并有一个标志，其过程与上述类似。
DSP的FFT运算子程序可以参考TI公司的参考手册。FFT算法一般假定输入序列为复数，而在实际应用中，通常为实数序列，谐波测量中也是实数序列，计算实数序列FFT可以用复数序列FFT算法。如果考虑到实数序列的对称特性，其运算量将降低一半，存储量也降低一半。

调试
首先用软件模拟器调试子程序，再通过仿真器与硬件联调。调试FFT子程序时，将模拟数据文件加到软件模拟器中，观察FFT运算结果。然后，用Matlab程序读入模拟数据文件，比较Matlab的运算结果，进行调试。
在软件模拟器调试成功的基础上，借助仪器仪表进行实战调试。使用工频分析系统的谐波发生器产生的标准谐波，比较标准值与系统实测值，进行的联调，直至测量准确度满足设计指标。

结语
目前，电力谐波监测设备国内外主要采用专门的谐波分析仪，这些设备由于价格昂贵不能大量长期投入使用。而本文所述采用DSP技术进行谐波分析成本低，实时性好，可长期接入使用。而且国家电力行业明确规定，用户负荷对电网造成影响必须自己采取措施加以消除，此技术可以应用于各电力机构、用电大户对电网进行长期监测，因此具有非常广阔的应用前景。■

参考文献
1 Texas Instrument TMS320F206 data sheet
2 Texas Instrument Application Report: SPRA113
3 苏涛．DSP实用技术．西安电子科技大学出版社，2002
4 TMS320F206 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/TMS320F206_17297.html.