一种基于低功耗的DSP的电能分析仪外文翻译资料

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一种基于低功耗的DSP的电能分析仪

Xiaofei Gao Qin Zhou

电气工程学院 电气工程学院

上海电力大学 上海电机大学

中华人民共和国 中华人名共和国

摘要

电能分析仪是测量电力系统中电压，电流和其他电力参数的电气设备。它也能用来分析电压、电流的谐波和功率谱。这篇文章介绍了一种基于DSP的低消耗电能分析仪，并且介绍了该分析仪的原理和设计步骤。仿真实验得到的数据说明我们设计的高精度的谐波分析算法（应用于系统软件）符合电能分析仪的要求。

关键字 电能分析仪；低功率消耗；DSP

一简介

电力系统通常由以下的参数组成:频率（恒定）、振幅（恒定）、电压（同幅不同相）、波形（接近正弦）。在电力系统中，故障、动态操作或非线性负载经常造成各种类型的功率质量问题，例如电压跌落、电压暂升、暂态过电压、脉冲、电压切痕（电压缺口）、电压闪烁、谐波等[1]。这些扰动会影响电能质量。电力系统中的电能质量的测量和监测一直都是处理发电、传输送电、电力分配的重要问题。

电能分析仪是在电力系统中测量电压、电流和其他电力参数的电气设备。它也能用于分析电流、电压的谐波和频率谱。它主要的功能包括多通道的信号输入、多通道控制、波形显示、参数测量和谐波频率谱分析。测量参数主要包括：电压，电流，有功功率，无功功率，总功率，功率因素，基波，谐波分析（到达50阶）和频率谱分析等。

FFT(快速傅里叶算法)通常用来获得相应的信号谱，然后通过频谱获得信号振幅，频率，相位等参数[2-3]。频谱分析的缺陷在于频率校验和信号参数的不相配[4]。

TMS320vc33是一款基于浮点DSP的高精度、强大的、低功耗、开放的硬件平台。同时，它具有两个相同的电流和电压调节电路，可实现同步采样且精度高。加窗和插值的高精度FFT算法的应用提出使由不同步抽样和干扰引起的错误有效的减少。因此这个检测器有效的提高了精度。

二相关的电力系统参数

这部分主要讨论了一些在本文中被用到的电力系统参数。电能质量包括电压质量和电流质量。电压质量是关于实际电压偏离系统理想电压的研究（目前正在使用的是220/380v 三相四线制电力系统）

1. 三相系统电压（伏特）：大多数电力系统由三相系统组成。在通常情况下，电力系统电压几乎是平衡的。理想电压波形是拥有固定振幅，固定频率的正弦波（这里的振幅和频率是额定值）。这篇文章的内容都是在220/380v，50hz系统的基础上分析。
2. 三相系统电流（安培）：理想电流也有固定的振幅和频率。通常情况下，电流的频率和相位应该和电压的保持一致。
3. 三相系统的视在功率（s）：它是交流系统上的电压乘以流过的所有电流，视在功率用伏安表示。视在功率的计算公式即方程1。

S(VA)= (2.1)

1. 三相有功功率（w），它是系统中负载电阻所消耗的功率。

P(W)= (2.2)

1. 三相系统无功功率（q）用（var）表示。无功功率一般是在电感（电机，变压器，螺线管等）电容存储和释放电能的过程中产生的。

Q(VAR)= (2.3)

1. 功率因素（pf）是有功功率与视在功率的比值。

PF== （2.4）

三测量电路设计

图3.1显示了系统检测回路硬件电路框图，这是检测仪的关键部分，它包括了调理电路，A/D转换器，DSP模块，CPLD模块和外部设备电路等。这部分实现的功能包括采样、计算分析、显示、存储和通信。

图3.1系统检测回路硬件框图

由于TMS320VC33的I/O口是3.3V的等级标准，与TMS320VC33相连的外部设备也必需是3.3V的标准电压。程序存储器采用3.3V Flash—29LV004B，数据存储器使用3.3V SRAM—CY7C1041VC33(由Cypress 公司生产)。DSP作分析计算并通过CPLD—EMP3032控制A/D转换器。DSP使用的是TI公司高性能的32位浮点EPM3032(拥有强大的浮点运算能力确保了测试系统能够快速的执行复杂的算法)。同时，TMS320C33的价格不是很高。隔离运算放大器采用AD202（拥有先进的多功能的双通道）。选择16位A/D芯片AD7663（最大采样速度达到250ksps）能很好的符合项目的要求。

电压和电流信号通过CPLD控制的两块A/D芯片实现同步采样。EEPROM（存储测试的数据）通过12C总线连接DSP。通过软件在pc机上运行使pc机能够通过RS232接收到检测仪检测的数据，从而做出进一步的报告。检测仪本身留有可以直接连接迷你打印机的接口。

四系统软件设计

主要控制流程图如图4.2所示，第一步是系统初值设定和仪器的自检，第二步是数据采集和A/D变换，转换结果放在指定的存储单元。最后一步是当事件出现相应的功能检测或退出命令，仪器主面板显示等待命令。

图2对应电能分析仪的直交流电压和电流测量，谐波分析，波形分析，频率和相位测量，功率测量和阻抗测量等功能。

退出

频率和相位测量

阻抗测量

等待事件，判断事件发生？

功率测量

波形分析

直、交流电压、电流测量

事件回应

显示主面板

A/D采样

系统初始化和自检

开始

图4.2主控流程图

在实际采样过程中，由于电力系统的波动，它的频率不能被准确的获得。采样通常是不同步的。对于不同步的采样情况，由于传统的FFT能量泄漏和栅栏效应，将致计算分析过的信号参数（频率、振幅、相位）不够精确。为了减少不同步采样对于FFT的不利影响和提高谐波测量的精确度。我们采用改进的高精度的FFT算法。

正如我们知道的，差值算法能减少由于电网波动影响导致的电能参数计算错误，同时由于谐波泄漏导致的误差能够通过加窗来减少。为了提高FFT算法的精确度，V,K，Jain等人提出一个差补算法，它能校正FFT的计算分析结果并有效的提高计算精度[6]。然后T.Grandke 采用汗宁窗来减少漏损并进一步提高计算精度[7].通过比较各个窗口，F.J.Harris发现Kaiser-Bessel窗和Blackman-Harris窗能更好地抑制能量泄漏[8]。[7]和[8]结合差补算法也能更好的提高和改善Blackman-Harris窗。

波形分析流程图和图3地直交流电流和电压测量流程图相似，功率测量流程图和阻抗测量流程图都与图5的频率和相位测量流程图相似。

直交流的电压和电流测量流程图、谐波分析、频率和相位测量如图4.3，图4.4和图4.5。

电流幅值调节功能

范围选择功能

电流光标坐标值

电压光标坐标值

失真因子

电流有效值

电压有效值

连接功能

电压幅值调节功能

扫描速度调节功能

锁定功能

回应事件功能

事件发生？

事件发生?

电压、电流测量及显示

开始

图4.3直交流的电流和电压测量流程图

返回

显示谐波波形或幅值

选择谐波分析指令

选择要显示的波形

显示谐波分析面板

开始

图4.4谐波分析流程图

返回？

电路频率或相位测量

事件发生？

显示测量主面板

开始

图4.5频率和相位测量流程图

五算法分析比较

在工程量计算分析软件matlab的帮助下，我们用普通的FFT(快速傅里叶变换)和高精度的谐波分析算法做仿真实验，然后比较他们的精确度，得出一些有用的结论来实现更高精度的谐波分析算法。

表5.1是一组信号谐波参数。信号的振幅参数，相位参数是自拟的，基频是50HZ，采样频率是51.2khz，最高检测频率是25.6khz（对应于512-th的次谐波）。所以，每个信号周期内的采样点数是1024，每个样本内采样4个周期共4096个数。

表5.1 信号谐波分析

如果采样是全周期内的采样，直接采用FFT算法可以达到更高的精度。但是完全的同步采样是几乎不可能的，所以非全周期采样会有泄漏误差[8]。通过加窗的方法可以减少泄漏误差[9]。

为了测试加窗插值FFT算法的实用性和准确度，我们采用matlab作仿真实验来比较普通FFT算法（下面表格用简称FFT）和Black-Harris窗插值算法(下面表格用BHFFT),比较结果在表5.2中。

表5.2 比较分析

从上表可知，添加余弦窗插值FFT算法有很高的精度，尤其是Black-Harris 窗插值（当k=3时有最高的精度）。其原因主要有两个：一个是使用FFT算法来计算相位会产生较大误差导致不能进行谐波分析而加窗插值算法能明显增加相位精度。另一原因是偶次谐波振幅较小经常被FFT中的奇次谐波淹没，而加窗插值算法也能够精确的计算它的每一个参数，完全满足于电力系统谐波分析的要求。

表5.3 比较加窗插值算法和【12】的功率的数据比较

表5.3 误差分析比较

这篇文章就是用DSP将上述理论转化为实际仪表。这个测量仪能计算电压，电流，视在功率，有功功率，无功功率等。为了扩展它的使用范围，该器械也能通过USB与电脑进行数据访问，数据分析，数据传输。

六结论

这篇文章采用低功率消耗的DSP TMS320VC33作为硬件核心与外围电路的连接核心，完成了一个可测量电流电压的器件。该数据分析仪拥有数据访问，数据分析，数据传输功能。

实验数据表明系统软件中用到的高精度的谐波分析算法完全能够满足功率分析仪的精度要求。

致谢

感谢上海大学电气学院双狮计划对该项目的支持。

参考文献

[1] M.Kezunovic.Y.Loao. A NOVEL Software Implementation Concept for Power Quality Study,IEEE Transactions on Power Delivery.Vol.17.NO.2,pp.544-549,April 2002

[2] G.T.Heydt,Computer Analysis Methods for Power Systems,Macmillan,New York,1986.

[3] D.Xia,and G.T.Heydt,“Harmonic Power Flow Studies-Part II Implementation and Practical Application,”IEEE Trans on Power Apparatus and Systems,vol.PAS-101,No.6,June 1982,pp.1266-1270

[4] lan V.Oppenheim,Ronald W.Schafer and John R Buck,Discretetime signal processing,Second Edition,1999,Prentice Hall.

[5] Junhua Liu,“Modern detection technical and test system design”,Xirsquo;an,China:xirsquo;an Jiao Tong University Press,2009,4

[6] Zhongru Shen,Hui Ding,“intelligent instrument dssign”,Department of Mearsurement Technology and Instruments,School of Electrical Engineering,xirsquo;an Jiao Tong University,2012,12

[7] V.K.Jain,W.L.Collins,and D.C.Davis,“High-accuracy analog measurements via interpolated FFT”,IEEE Trans.IM,vol.28,pp.112-113,1979

[8] T.Grandke,“interpolation algorithms for discrete Fourier transforms of weighted signals”,IEEE Trans.IM,VOL.32,pp.350-355,1983

[9] F.J.Harris,“On the use of windows for harmonic analysis with the discrete Fourier transform”,in Pr

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