维普资讯 http://www.cqvip.com ●专论 ●专论 基于ＤＳＰ的电力参数检测系统的研究 Ｒｅｓｅａｒｃｈ ０ｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｐａｒａｍｅｔｅｒ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＤｓＰ 郑州轻工业学院杨存祥宋镜波 王发群李冬富吉炜寰 Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｌｉｇｈｔ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｙａｎｇ Ｃｕｎｘｉａｎｇ Ｓｏｎｇ Ｊｉｎｇｂｏ Ｗａｎｇ Ｆａｑｕｎ Ｌｉ ｄｏｎｇｆｕ Ｊｉ ｗｅｉｈｕａｎ 摘要：介绍了基于ＤＳＰ芯片ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７的电力参数检测的软、硬件设计方法。给出了系统的工作原理、硬件结 构及软件流程。在硬件方面，重点介绍了显示电路和以ＤＳＰ与ＣＰＬＤ为核心的电力参数检测电路；在软件方面，介绍了电力 参数检测的主程序，同时实现了语音提示功能和更加人性化的操作显示界面。 Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｏｗｅｒ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＤＳＰ ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７．Ｉｔ ａｌｓｏ ｇｉｖｅｓ ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｈａｒｄｗａｒｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｆｌｏｗｃｈａｒｔ ｏｆ ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ．Ｏｎ ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ，ｉｔ ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ ｃｉｒｃｕｉｔｓ ｏｆ ｄｉｓｐｌａｙ ａｎｄ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｏｗｅｒ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｉｎ ｅｍｐｈａｓｉｓ．Ｔｈｅ ｃｏｒｅ ｏｆ ｔｈｏｓｅ ｃｉｒｃｕｉｔｓ ｂａｓｅｓ ｏｎ ＤＳＰ ａｎｄ ＣＰＬＤ．Ｏｎ ｔｈｅ ｓｏｆｌｗａｍ，ｉｔ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ａｂｏｕｔ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｏｗｅｒ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ，ｖｏｉｃｅ ｉｎｓｔｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｍｏｒｅ ｈｕｍａｎｉｒｚｅｄ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｏｆ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｄｉｓｐｌａｙ． 关键词：ＤＳＰ ＣＰＬＤ电力参数 Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ（ＤＳＰ）Ｃｏｍｐｌｅｘ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｌｏｇｉｃ ｄｅｖｉｃｅ（ＣＰＬＤ）Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｏｗｅｒ ｐａｒａｍｅｔｅｒ 文献标识码：ＴＭ９３３ ＩＩＩ图分类号：Ａ １．引言 随着电力系统新型非线性负荷的大量增加， 电力系统的电压和电流波形可能发生严重畸变， 从而给系统带来大的“电网污染”。而系统短路 以及开关操作、变压器或电容器组投切时的短时 冲击均会引起电能质量扰动问题，由于电网中的 谐波成份越来越复杂，严重的电力“污染”对某 ２．系统整体设计 电力参数检测系统的主体设计思想是采用 ＤＳＰ芯片ＴＭｓ３２０ＬＦ２４０７构成数字处理系统，并以 下位机为主体实现实时采样、数据处理、分析和 短时储存，然后与上位机进行数据通讯，同时可 以实现电压、电流等电力参数的实时显示和数据 库存储管理等功能，整体框图如图１所示。 些行业（如医院的精密仪器、徽计算机系统以及智 能电子、工业过程控制中的徽处理器等）构成了重 大的威胁，甚至造成“瀑布”式的连锁反应，有 可能从而引发电网崩溃的事件。所以，电力系统 中电网数据的精确采集、数据处理、故障判断已 成为电网正确运行的焦点之一。 在供电系统的设计中，对谐波、负荷电流水平 和功率因数等电网参数进行合理的估算，并采取相 应的措施（如加设滤波和无功补偿装置）是非常必要 的。随着微处理器技术的快速发展、工业生产自动 化程度的不断提高，为电力参数检测系统的成功研 制提供了前提条件。本设计的研制主要针对我国电 力系统供配电的实际情况，通过基于ＤＳＰ的傅立叶 变换算法，采用交流采样技术实现多种电力参数的 图１系统的整体框图 具体操作如下： １）变压器监测终端首先把经过ＣＴ、ＰＴ的三相 电压、电流，转换为标称值为１００Ｖ￣ｎＳＡ的电压、 电流，再把该信号经过传感器转换为跟随式的标 称值为５Ｖ的电压信号。 在线实时测量，为电网的安全经济运行提供可靠保 证。同时借鉴国内外研制同类装置的经验，研制和 开发一种实用高效的电力参数测试仪，以适应电力 系统自动化发展的需要。通过网络随时监测供电有 关信息，以利提高供电质量。 ２）由ＤＳＰ完成软件滤波、ＦＦＴ运算以及电 压、电流、功率、谐波等电力参数的计算检测并 进行各种判断，将需要的数据进行存储。如果判 断读出的数据值越限，ＤＳＰ就控制相应的输出继 维普资讯 http://www.cqvip.com
２ 基于ＤＳＰ的电力参数检测系统的研究 电器动作，进行外部供电系统报警信息的发送。 用看门狗进行刷新、复位并实时检测系统。 ３）锁相环锁定捕捉到的信号频率，同时通过 软件编程和ＤＳＰ控制可对六路同时采样的高速 Ａ／Ｄ转换器来完成六路信号的数据采集。 ４）配有键盘输入和ＬＣＤ显示，调试人员可以 在现场通过键盘输入命令，直接进行控制并从 ＬＣＤ读出所需数据。系统的电源部分采用开关电源 模块，使装置能在较宽的电压范围内正常工作。 ３．系统的硬件设计 ３．１模拟抗混叠低通陷波电路 抗混叠模拟滤波器的作用是滤掉高频信号， 使输入到 Ｄ转换器的信号为有限带宽信号，并 且以很小的衰减让有效的频率信号通过，而抑制 这个频带以外的频率信号，从而防止信号的频谱 发生混叠及高频干扰。为了提高测量精度，结合 数字滤波的方法，可以降低对模拟抗混叠滤波器 的技术要求。 本设计采用两级ＲＣ低通抗混叠滤波器，根据 采样定理，数字系统所能正确分析的信号的最高 频率成分应小于采样频率的二分之一，即： ｆｈ＜ｌ／２ｆｓ，这样才不致于产生混叠误差，对于高于 １／２ｆｓ的信号频率成分应在采样之前滤除，以免产 生混叠误差，考虑到不可能制造出截止特性非常 锐陡的低通滤波器，所以ｆｌ１与ｆｓ—ｎｌ之间需要一个 保护带，所以ｆｓ／ｆｈ＝２，５～３。考虑到本系统的采 样频率约为６．４ｋＨｚ（５０Ｈｚｘ１２８＝６４００Ｈｚ，即每周 波采样１２８点），且根据国家对谐波测量仪器的要 求，Ａ级仪器频率测量范围是０～２５００Ｈｚ，所以将 模拟低通滤波器的截止频率定为２．５ｋＨｚ。不难算 出两阶ＲＣ低通滤波器的截止频率公式 １ ｆｃ １ ，取滤波电阻２・４ｋＱ，滤波电容 ０．ｏ ｌ／￣ｅ，就可以满足设计要求。 ３．２ Ａ／Ｄ采集电路 多通道数据采集系统将ＣＴ￣ＩＪＰＴ隔离变换后的 ３路电压、３路电流信号经采样缓冲后通过 ＡＤ７３３６０进行６路同步采集，其中ＡＤ７３３６０的采样 频率由锁相倍频电路锁定电网频率得到， ＡＤ７３３６０采集到的数据经ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ的串行 口与ＣＰＵ通信。为了提高系统抗干扰性能， Ａ／Ｄ采集采用差动输入，输入范围为一５Ｖ～ ＋５Ｖ，为了使输入信号适合Ａ／Ｄ采集芯片的处理要 求，首先对输入信号进行缓冲和预处理。因为 ＡＤ７３３６０采用的是￣－ＡＡ／Ｄ转换原理，具有优良的 内置反混迭性能，模拟通道不需要配置高阶低通 滤波器，而只用简单的一阶ＲＣ低通滤波器。 ＡＤ７３３６０的模拟输入共有四种方式：直流耦 合的差分输入、交流耦合的差分输入、直流耦合 的单端输入和交流耦合的单端输入。交流耦合的 差分输入的连接如图２所示，其中Ｃｌ和Ｃ２起隔直 作用，Ｒ１，Ｃ３￣１１Ｒ２，Ｃ４分别为一阶低通滤波 器，Ｒ３￣ＩＪＲ４的作用是把参考信号引入到输入端。 ＵＮＤ 图２ ＡＤ７３３６０交流耦合差分模拟输入 ３．３ ＣＰＬＤ的应用 由于ＭＳ３２０ＬＦ２４０７仅有一个同步通讯口，因 而设计中采用ＤＳＰ的ＵＡＲＴ扩展。同时由于输入输 出接口的资源有限，故采用了ＣＰＬＤ扩展。在本系 统中，为了减小系统面积及加快设计步伐，采用 了ＸＩＬＩＮＸ的ＸＣ９５１０８芯片。它的宏单元数为 １０８个，最大Ｉ／０数为１０８个，系统时钟可达 ２００ＭＨｚ，采用快闪存储技术，功耗明显降低。系 统中，ＸＣ９５１０８主要解决缺相检测、采样脉冲产 生、地址译码、键盘抖动和重键等问题。 ３．４系统按键与显示电路 在保证功能的情况下，为了使操作简单，选 用尽量少的按键数，并且采用式按键结构，实 行功能复用，此方法虽然在判断哪一个按键按下的 程序上显得复杂一些，但它可以节省很多的数据地 址空间或ＦＯ口线，配置灵活，硬件结构简单。按 键部分直接采用ＳＰＣＥ０６１Ａ的ＦＯ口作为输入。 操作人员可以根据需要并结合屏幕显示进行 人工设置各种运行参数或实时显示各种参数。液 晶显示器由于具有显示信息丰富、功耗低、体积 小、重量轻等优点，是单片机应用系统中最理想 维普资讯 http://www.cqvip.com
●专论 ３ 的显示器件。系统选用的是内藏Ｔ６９６３ Ｃ控制器点 阵图形式的液晶显示模块。 ４．系统的软件设计 系统的软件由两个部分构成：ＤＳＰ软件设计单 元和上层监控软件设计单元。ＤＳＰ主要用于判别按 键、参数设置、数据采集、对采样量化的数据进行 分析和计算以及通信控制等操作；上层监控单元提 供友好的人机界面，便于参数的显示及控制，直观 地、实时地反映当前电网的运行情况。 数据处理模块首先 开始 是对数据采集单元得到 的离散化信号进行ＦＩＲ滤 ＦＩＲ软件滤波 波处理后运用各种算法 计算Ｕ、Ｉ，Ｐ，Ｓ，Ｑ等参数 实现对各项参数计算与 分析。离散化信号经 ＦＦＴ变换模块 ＦＦＴ变换后，分离出基波 ● 谐波分析 分量和各次谐波分量， ● 以便进行谐波分析，流 结束 程图如图３所示： 图３数据处理流程图 另一部分是单片机程序，主要完成读ＣＰＬＤ接 口数据，供ＬＣＤ显示、扫描串口通讯，在符合语 音条件时进行语音播放等功能。 采用高级语言进行软件设计，具有开发速度 快、可靠性高、可读可移植性高等优点，由于 ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７芯片计算速度非常快，采用高级 语言编程也能够满足系统实时性的要求。采用 Ｃ语言编程的软件结构清晰，易于理解，便于调 试、连接、修改和移植，节省了软件工作量，提 表１ ＯＣＣＤ ｎＡＤＣＩｎ０ ＯＣＣＤ ０ ｌ０ ２１ ３２ ４２ ５２ ６１ ７０ ７８ ８５ ９２ ０ＣＤ８ ９７ ｌ０２ ｌ０５ ｌ０８ ｌ０９ ｌ０９ ｌ０９ ｌ０７ ｌ０４ ｌ００ ９５ ０ＣＥ３ ８９ ８２ ７４ ６６ ５７ ４７ ３７ ２７ ｌ６ ５ —５ ０ＣＥＥ —ｌ６ －２６ —３７ －４７ －５７ －６６ －７４ —８２ －８９ －９５ 一ｌｏ０ ０ＣＦ９ 一ｌｏ４ —１０７ —１０９ —１０９ —１０９ —１０８ —１０５ —１０２ －９８ －９２ －８６ ０Ｄ０４ －７８ －７０ －６２ －５２ －４３ －３２ －２２ 一ｌ１ ０ ０Ｄ０Ｄ ｎＡＤＣＩｎｌ ０Ｄ０Ｄ ９ ｌ ｌ ｌ３ ｌ４ ｌ ５ ｌ７ ｌ ８ ｌ ８ ｌ９ ｌ９ ｌ９ ０Ｄｌ８ ｌ９ ｌ９ ｌ９ ｌ ８ ｌ ８ ｌ７ ｌ ５ ｌ４ ｌ３ ｌ ｌ ｌ０ ０Ｄ２３ ８ ６ ４ ２ ０ 一ｌ 一３ —５ 一’ 一９ 一ｌ０ ０Ｄ２Ｅ —ｌ２ 一ｌ３ 一ｌ５ 一ｌ６ 一ｌ７ 一ｌ８ 一ｌ９ 一ｌ９ 一ｌ９ 一ｌ９ 一ｌ９ ０Ｄ３９ 一ｌ９ 一ｌ９ 一ｌ８ 一ｌ７ 一ｌ６ 一ｌ５ 一ｌ４ 一ｌ２ 一ｌ０ —９ —７ ０Ｄ４４ —５ —３ 一ｌ ０ ２ ４ ６ ８ ９ 高了工作效率，所以ＤＳＰ程序采用Ｃ语言编写。 ５．ＤＳＰ仿真 在ＣＣＳ平台上，对ＤＳＰ程序进行编译后，用 Ｅｍｕｌａｔｏｒ对之进行仿真，得到如表１和表２结果。 表１中ｎＡＤＣＩｎＯ为对电路零序电压波形的６４点 采样值，ｎＡＤＣＩｎｌ为对电路零序电流波形的６４点 采样值，表２中电压值７６为零序电压波形的有效 值，电流值１２为零序电流波形的有效值，功率值 ８８１为某电路的零序有功功率。由表中可以看到各 项预定计算功能都得到了实现，经计算验证仿真 计算结果完全符合设计的要求。 ６．结论与展望 我国对电网质量 表２ 研究起步较晚，目前使 ０ＣｌＡ ｄｉａｎｙａ 用的电网质量检测设备 ０ＣｌＡ ７６ 与发达国家还有一定距 ０ＣｌＢ ＰＢＤＡＴＤＩＰ 离，电网污染问题仍然 ０ＣｌＢ ２８８２６ 有待于进一步解决，传 ０ＣｌＣ ＰＣＤＡＴＤＩＰ 统的采样装置有待于进 ０ＣｌＣ ２８８２８ 一步优化提高。本文首 ０ＣｌＤ ｄｉａｎｌｉｕ 先根据当前电力参数测 ０ＣｌＤ ｌ２ 量领域中存在的实际问 ０ＣｌＥ ｇｏｎｇｌｖ 题，提出了研制新型电 ０ＣｌＥ ８８ｌ 力参数测试仪的必要性 和可行性。在介绍了国内外在电量测量技术发展 情况的基础上，简要分析了目前电力参数测量仪 表研制过程中所采用的部分技术及各自的优劣 点。本设计将得到日益广泛应用的数字信号处理 芯片与精确的傅立叶变换运算这两种先进的软硬 件技术有效地结合起来，设计了一种基于谐波分 析的多功能电力参数测试仪。 参考文献： ［１】丁光美．高西全．数字信号处理［Ｍ】．西安：电子科技 大学出版社，２００２ ［２】施奕平．基于ＤＳＰ的电能质量监测仪［Ｊ】＇电测与仪 表，２００２（１） ［３】刘和平．ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０Ｘ ＤＳＰ结构．原理及应用 ［Ｍ】 匕京：北京航空航天大学出版社，２００３ ［４】王潞钢．ＤＳＰ Ｃ２０００程序员高手进阶［Ｍ】．北京：机械 工业出版社，２００４ ［５】张凤蕊，郭俊杰．基于ＤＳＰ电力参数测试系统的研 究［Ｊ】＿现代电子技术，２００６，（２０） 作者简介： 杨存祥，男，汉，河南人，硕士，副教授，主要从 事电气控制技术的研究。
