1.引言
随着电力系统新型负荷及非线性负荷的大量增加，电力系统的电压和电流波形会发生严重畸变，从而给电力系统带来很大的“电网污染”。特别是用户内部短路以及开关操作、变压器或电容器组投切时的短时中断均会引起电能质量扰动问题。同时电网系统中的谐波成份也越来越复杂，严重的电力“污染”对某些行业（如医院的精密仪器、微计算机系统以及智能电子、工业过程控制中的微处理器等）构成了巨大的威胁，甚至造成“瀑布”式的连锁反映，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、故障判断、数据处理已成为电网正确运行的焦点。
因此，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，为本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，以便为调度、运行、检修提供服务，将会大大提高供电质量。
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TMS320C5402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，系统的整体框图如图1所示。具体操作如下：
2.1．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和5A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。
2.2．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贮。如果判断读出的数据值越限，DSP就控制相应的输出继电器动作，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。
2.3．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。
2.4．系统配有键盘输入和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模拟抗混叠低通撼波电路
抗混叠模拟滤波器的作用是滤掉高频信号成分。使输入到A/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<1/2fs，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fh与fs－fh之间需要一个保护带，所以人fs/fh = 2.5～3。考虑到本系统的采样频率约为6.4KHz （50Hz×128 = 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。由基本的电路知识不难算出两阶RC低通滤波器的截止频率公式 ，取滤波电阻2.4K ，滤波电容0.01 ，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电流互感器和电压互感器隔离变换后的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TMS320C5402A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－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 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C1和C2起隔直作用，R1，C3和R2，C4分别为一阶低通滤波器，R3和R4的作用是把参考信号引入到输入端。
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，以及加快设计步伐，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
在保证能完成各种功能的情况下，为了使操作简单，选用了尽量少的按键数，并且采用了独立式按键结构，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了一些，但它可以节省很多的数据地址空间或I/O口线，配置灵活，硬件结构简单。本系统的按键部分直接采用SPCE061A的I/O口作为输入。
作为小型的智能仪器，LCD是不可缺少的部分，操作人员可以根据需要来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，因而是单片机应用系统中最理想的显示器件，近年来被广泛的用于单片机控制的智能仪器、仪表、工业控制领域和家用电器当中。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。本文中主要分析DSP软件设计单元。数据处理模块首先是对数据采集单元得到的离散化信号进行FIR滤波处理，后运用各种算法实现对各项电网参数的计算与分析。离散化信号经FFT变换后，以分离出基波分量和各次谐波分量，以便进行谐波分析。数据处理程序流程图如图3所示：
另一部分是单片机程序，主要完成读CPLD接口数据，送到LCD电路显示出来，扫描串口通讯，在符合语音条件时进行语音播放等功能。
传统的汇编语言编程存在诸多不利因素：工作量大、地址安排复杂、调试困难、通用性差等，而采用高级语言进行软件设计，就具有开发速度快、可靠性高、可读可移植性高等优点。由于TMS320C5402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，提高了工作效率，所以DSP程序采用C语言编写。
仿真
在CCS平台上，对DSP程序进行编译后，用Emulator对之进行仿真，得到如图4和图5所示结果。
图4中nADCIn0为对电路零序电压波形的64点采样值，nADCIn1为对电路零序电流波形的64点采样值，图5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。由图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
我国对电网质量研究起步较晚，目前使用的电网质量检测设备与发达国家还有一定距离，因此，电网污染问题仍然有待于进一步解决，传统的采样装置有待于进一步优化提高，本文首先根据当前电力参数测量领域中存在的实际问题，提出了研制新型电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。本文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。
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（转载）
