基于TMS320F2812电能质量分析仪的研制
杨
光，刘
涛，张子林
（西南交通大学电气工程学院，成都610031）
摘
要：为了解决电力系统的电能质量问题,需要对电能质量的各项指标进行全面的监测和分析,从而达到改善电
能质量的目的。依据我国的6项电能质量国家标准,设计一种以DSP芯片TMS320F2812为核心的电能质量分析装置,介绍其硬件系统设计和软件编程。
关键词：电力系统；电能质量；数字信号处理器中图分类号：TM933
文献标识码：A
ResearchonPQABasedonTMS320F2812
YANGGuang，LIUTao，ZHANGZi-lin
(SchoolofElectricalEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China)
Abstract：ItisnecessarytomonitorandanalyzePQ(PowerQuality)firstlyinordertosolvethePQproblemsinpowersystem,thenthepossiblereformingprojectcanbeputforwardforimprovingpowersupplyquality.AccordingassixnationalstandardsforPQ,aPQA(PowerQualityAnalyzer)basedonDSP(DigitalSignalProcessor)TMS320F2812hasbeendesignedanddeveloped.Thehardwareandsoftwareofthisdeviceareintroducedindetail,analyzedanddiscussedinthispaper.
Keywords：powersystem；PQ；DSP
0引言
电能作为一种清洁方便、经济使用且容易传输、控制和转化的能源形式得到了广泛的应用，作为一种特殊的产品，需要电力部门与电力用户双方共同保证其质量。
为了能够提高电能综合管理水平，保证公共电网的稳定安全运行，同时为用户提供优质的电能，必须找到影响电能质量的各种因素，对其进行综合治理，从而使电能质量的各项指标得到改善，使电能质量达到国家标准。只有对国家电网运行状况进行实时准确的跟踪，才能够提出合理的治理方案。因此，开发和研究一种新型的电能质量测试装置，集数据采集、处理、传输于一体，对电能质量进行有效地分析是十分有必要的。
15543-1995《三相电压允许不平衡度》、GB/T15945-1995《电力系统频率允许偏差》、GB/T18481-2001《暂时过电压和瞬态过电压》。
分别结合前5部指标对电能质量问题及算法进行说明。
1.1电压偏差
电压偏差是衡量供电系统正常运行与否的一项主要指标。电压允许偏差是指电力系统电压缓慢变化时，电力系统供电实测电压对额定电压的偏差。其计算公式为：
ΔU%=U－UN×100%
UN
式中，U为实测电压值，UN为额定电压值［2］。
GB12325-90《供电电压允许偏差》中规定，10kV及以下的三相供电电压正负偏差的绝对值之和不超过±7%；35kV及以上的供电电压正负偏差的绝对值之和不超过±10%；220V单相供电电压正负偏差的绝对值之和不超过-10%～+7%。这个衡量点为供电产权分界点或电能计量点。
1电能质量主要指标及算法
从20世纪80年代开始，我国技术监督局一共颁布了6项与电能质量有关的标准［1］：GB/T12325-2003《供电电压允许偏差》、GB/T12326-2000《电压允许波动和闪变》、GB/T14549-93《公用电网谐波》、GB/T
作者简介：杨光（1984-），硕士，研究方向为电能质量检测。收稿日期：2011-03-28
1.2电压波动和闪变
电压波动是指工频电压包络线的一系列变动或周期性变化，常以相邻2个电压波形极值的峰值（或均方值）Umax和Umin之差相对于额定电压UN的百分数表示。即电压波动值ΔU为：
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ΔU=Umax－Umin×100%
UN
式中，Umax为波形峰值的极大值，Umin为波形峰值的极小值，UN为额定电压。
εu=UA2×100%
UA1
通过对称分量法能够得出正负零序分量：
姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨
UA0UA2
GB12326-90《电压允许波动和闪变》中规定电压波动d的限制和变动频度r(/h)有关，当r≤1000时，对于中压MV和低压LV，d=1.25%～4%；对于高压HV，
UA1=1
1
姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨
11a
1a2
a2a
姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨
UAUBUC姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨
式中，UA0为三相电压(电流)的零序分量；UA1三相电压
d=1.0%～3%；对于随机不规则的变动，d(LV、MV)=2%，d(HV)=1。闪变限值如表1所示。
表1
低压(LV)
(电流)的正序分量；UA2三相电压(电流)的负序分量；UA、UB、UC为三相相电压向量；a=ej120°，为旋转因子。
GB/T15543-95《三相电压允许不平衡度》中规定三相电压不平衡度正常情况下允许2%，短时内不允许超过4%。各级电压要求一致；衡量点(PCC)取实测
闪变限值
中压(MV)
高压(HV)
PstPlt
1.00.8
0.9(1.0)0.7(0.8)
0.80.6
95%概率值或日累计超标不超过7min，且每30min中超标不超过5min［5］。
注：括号里面的值仅适用于所有用户为同电压级的场合；Pst为短时间闪变，Plt为长时间闪变。
1.5频率偏差
频率偏差是指电力系统频率的实测值和标称值（50Hz）之差标称值之比的百分数：
1.3谐波
含有基波整数倍频率的电压或者电流称为谐波。用谐波含有率、总谐波畸变率来表示谐波的严重程度。
第n次谐波电压(电流)的含有率：
Δf%=f－fe×100%
f式中，f为实测值，fe为标称值。
HRUn=Un×100%
U1
总谐波电压(电流)的含有率：
GB/T15945-95《电能质量电力系统频率允许偏差》中规定电力系统正常频率偏差允许值±0.2Hz。当系统容量较小时，频率偏差值可以放宽到±0.5Hz［6］。
Uu=
n－2
总电压(电流)谐波畸变率：THD=Uu×100%
U1
式中，Un为第n次谐波电压(电流)方均根值；U1为基波电压(电流)方均根值。
姨Σ(U)
n
∞2
2电能质量监测装置的硬件设计
2.1总体设计
系统的硬件结构原理如图1所示，整个系统的硬件配置是由数据采样、数据处理、数据存储、逻辑控制、液晶键盘与网络数据传输等模块组成。
GB14549-93《公用电网谐波》中规定0.38～220kV各级公用电网的电压(相电压)奇次、偶次以及总的畸变率，如表2所示［3］。
表2
电压/kV
各级电压的奇次、偶次以及总的畸变率
总谐波畸变(THD)
偶次
奇次
0.386～1035～66110/220
5.04.03.02.0
2.01.61.20.8
4.03.22.41.5
图1电能质量监测装置结构原理图
2.2电压、电流变换器
为获取电能质量的相关参数，需要通过DSP的
1.4三相不平衡
系统平衡就是系统总功率的瞬时值与时间无关，反之则不平衡。用负序分量和正序分量的比值大小来衡量三相系统不平衡度的大小。通常用于计算三相不平衡度的负序分量和正序分量为基波分量［4］。计算公式：
A/D转换模块采集三相线路上的各相电压值和电流值。但是DSP的A/D转换模块的输入电压范围是0~3.3V，因此有必要将各相线路上的实际电压值和电流值转为该范围内的相应值［5-7］。通常采用电压互感器和电流互感器分别对电压和电流进行转换,将大信号转换为
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小信号。
采用型号为LV25-P的电压变换器和WGSL
2.5其他电路
除了以上基本模块外,还有一些辅助电路,如通信、显示以及键盘等。它们也是系统中的重要组成部分。键盘与液晶屏通过CPLD与DSP相连，通过输入相关信息，使系统完成相应的操作。
网络通信设备完成DSP芯片内部的各个模块与外设之间的数据传输,最后把处理好的数据通过以太网向其它设备传输,实现外部数据存储功能,便于后期操作和分析系统的各项参数。
150A/4V的电流变换器。电压变换器LV25-P输出电压有效值为2.5V；电流变换器WGSL150A/4V将电流转换成电压，最大输出电压是0.133V。
2.3电压、电流偏置电路
互感器电路输出的电压电流信号是交流的双极性交流信号，而2812片上所带的A/D转换模块的输入要求应该为单极性信号，因此还需要在互感器模块后面连接偏置电路，把双极性信号变为0~3V的单极性信号，以便A/D转换模块采样。
设计的偏置电路主要的元器件是OP-07运算放大器，具体由运放组成的比例电路、加法电路以及反相电路构成。电压、电流偏置电路分别如图2、图3所示。
3电能质量检测装置的软件设计
TI公司研发DSP调试工具CCS，采用汇编语言与C语言混合编程,其中主程序和大部分子程序用阅读方便的C语言编写,而一些运算量比较大的算法程序
(如对数据处理FFT算法)则使用汇编语言编写,这样可以缩短软件的执行时间，提高效率,有效地利用DSP芯片的软硬件资源。与硬件一样，程序使用模块化设计,这样便于后期查错，逻辑性强［7，8］。
系统的主程序框图如图4所示，采样中断流程图如图5所示。
图2电压偏置电路
图4程序流程图
图3电流偏置电路
图5
采样中断流程图
2.4A/D转换电路
TMS320F2812自身带有2×8通道12位、60ns的A/D转换模块,本设计方案用到了其中的2×4个通道，采用同步采样模式，同时采集电压电流信号。同时,为了满足TMS320F2812对RAM容量的需要，外置一块
4结语
研制一种新型的电能质量监测装置，有效地对电能质量问题进行监测分析，提供实时科学准确的监测数据，对于保证供电部门和广大用电客户的电气设备的安全经济运行，保障国民经济各部门的正常生产生
（下转第58页）
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256K的RAM。根据要求，为了能够测量到25次谐波，每通道每个周期必须采样128点，这需要A/D的采样频率最少为6×128×50=38400Hz。
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表3
支路号
计算线损结果对比
损失
算研究[J].电网技术,1999,23(12):24-27
[2]许汉平，侯进峰，施流忠,等.基于状态估计数据的电
真值
WLS0.07580.03130.01850.01270.00710.00370.00350.00060.00070.00210.00010.00110.00010.00010.00050.1579
RWLS0.04430.02790.02310.01630.00860.00360.00460.00110.00070.00250.00010.00090.00050.00010.00090.1352
1_21_52_32_42_54_35_46_116_126_139-109_1411_1012_1313_14
总损
0.04330.02770.02320.01660.00910.00380.00480.00110.00080.00250.00010.00090.00050.00010.00100.1355
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路损耗还是总损耗，RWLS均比WLS计算出的线损值更加贴近实际值，说明运用抗差最小二乘法计算理论线损受粗差影响更小，线损计算结果更理想。
4结论
不良数据一直是精确计算电网损失的障碍。运用状态估计中不良数据检测辨识的功能，为线损计算扫除障碍，并考虑到量测权值对识别结果的影响，引用可调权重的估计算法，进一步降低不良数据对线损计算的不良影响。
当然，本科研成果也依赖电力系统稳定的拓扑结构，通过合理的数据粗检和相对残差的引入一定程度上克服了不良数据的影响，但是各种算法也有一定的容错性，这也是对抗差理论提出的新挑战，有待进一步研究。
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（上接第51页）
活都具有十分重要现实意义。
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