1、基于DSP的電能質(zhì)量閃變分析儀Research of Flickermeter Based On DSP(1.東華大學(xué)理學(xué)院;2.中科院等離子體物理研究所王勤湧1,羅家融1,舒雙寶1,李實(shí)2(1.College of Science, Donghua University;2.Institute of Plasma Physics, Chinese Academy of SciencesWang Qin-yong1 Luo Jia-rong1 Shu Shuang-bao1 Li Shi2摘要:本文將對(duì)IEC推薦的電壓波動(dòng)閃變計(jì)算模型展開(kāi)理論分析與研究,提出了基于DSP的數(shù)字閃變分析儀的設(shè)計(jì)與

2、實(shí)現(xiàn);該閃變分析儀利用TI公司的TMS320F2821為主要平臺(tái),并以ARM平臺(tái)為顯示終端搭建而成;經(jīng)福祿克公司Fluke 6100A電能功率標(biāo)準(zhǔn)源測(cè)試,結(jié)果滿足閃變國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),為電壓波動(dòng)和閃變的測(cè)量提供了依據(jù)。關(guān)鍵字:閃變;數(shù)字濾波器;DSPAbstract: In this paper, we will discuss the theory of voltage flicker calculation model that recommended by IEC, and carry out a digital Flicker meter based on DSP. This Flicker

3、meter use TMS320F2821 which is provided by TI Company as the main platform and ARM operator module for terminal display. We also use Fluke 6100A as the standard source to test the flicker meter and meet the national standards of flicker. This device provides a basis for the measurement of voltage fl

4、uctuation and flicker.Keywords: flicker, digital filter, DSP0 引言中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所全超導(dǎo)非圓截面核聚變實(shí)驗(yàn)裝置EAST(Experimental Advanced Superconducting Tokamak由110KV變電所供電,其負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)構(gòu)成了極高容量的頻繁沖擊,可能破壞高壓電網(wǎng)與電源系統(tǒng)的電磁兼容,造成電壓波動(dòng)1,使一些儀器無(wú)法正常工作甚至損壞2,閃變便是由電壓波動(dòng)引起的。國(guó)際電熱協(xié)會(huì)(UIE和國(guó)際電工委員會(huì)(IEC經(jīng)過(guò)多年的研究,制定了國(guó)際統(tǒng)一的閃變定義和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),提出了閃變儀的數(shù)學(xué)模型和設(shè)計(jì)規(guī)范。其閃變儀模

5、型如圖1所示3,4。 圖1 閃變儀模型本文將以此模型為基礎(chǔ),利用TMS320F2812實(shí)現(xiàn)數(shù)字式閃變儀,并按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)閃變儀進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試結(jié)果表明,每經(jīng)過(guò)10分鐘,閃變儀都能及時(shí)地對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,并能迅速得到相應(yīng)的短時(shí)閃變 值,具有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)性,而且計(jì)算結(jié)果能滿足精度要求。作者簡(jiǎn)介:王勤湧(1985-,男,碩士研究生,主要從事電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究。1 閃變值計(jì)算的模型原理分析IEC 推薦的閃變儀按照框圖可分為以下幾個(gè)部分。框1是對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理,將市電電壓調(diào)節(jié)到合適大小后輸入,這部分不涉及算法。框2起模擬燈的作用,用平方檢測(cè)方法從工頻電壓波動(dòng)中解調(diào)出反映電壓波動(dòng)的調(diào)幅波。解調(diào)由截止頻

6、率為35Hz 的六階巴特沃斯低通濾波器和截止頻率為0.05Hz 的一階高通濾波器完成。六階巴特沃斯低通濾波器的傳遞函數(shù)為166554433221/(/(/(/(/(/(1(+=c c c c c c s b s b s b s b s b s b s K 其中:;464.7;864.3;35242511=b b b b s c 1;141.963=b b在400Hz 采樣率情況下,轉(zhuǎn)化為Z 函數(shù):=+=6161(k kkk kkz az bz H其中:-6.2495;6.6912;-3.9316;321=a a a 0.1218-0.9828;3.3605;654=a a a;100354.9

7、,105059.1451460×=×=b b b b 003.0;0023.0342=b b b一階高通濾波函數(shù)傳遞函數(shù):ccs s s K /1/(+=其中:105.02=s c 轉(zhuǎn)化為Z 函數(shù):119992.011(9996.0(=zz z H 框3的加權(quán)濾波器反映了人對(duì) 60W230V 鎢絲燈在不同頻率的電壓波動(dòng)下照度變化的敏感程度5。其傳遞函數(shù)為/1(/1(/12(4322121s s s s s s K s K +×+= 其中:;15494.92;05981.42;74802.11×=×=K 22535.12;27979.2232&#

8、215;=×=9.2124×=轉(zhuǎn)化為Z 函數(shù):=+=41401(k kk k kk z a zb z H其中:6103.0;776.2;7145.4-3.5488;4321=a a a a -0.0184;b ;102898.3b 0.0094;2410=×=b009.0b ;102898.3443=×=b框4包含一個(gè)平方器和時(shí)間常數(shù)為300ms 的低通濾波器, 用來(lái)模擬燈-眼-腦環(huán)節(jié)對(duì)燈光照度變化的暫態(tài)非線性響應(yīng)和記憶效應(yīng)。低通濾波器傳遞函數(shù)為:ss K 3.011(+=轉(zhuǎn)化為Z 函數(shù):119917.011(0041.0(+=zz z H 框5為閃變的

9、統(tǒng)計(jì)分析,即根據(jù)框4輸出的S(t值進(jìn)行在線統(tǒng)計(jì)分析。將S(t值分級(jí)并用積累概率函數(shù)CPF 的方法進(jìn)行分析,在觀察期內(nèi)(10min ,對(duì)上述信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),利用5個(gè)規(guī)定值,計(jì)算得出短時(shí)閃變值,表達(dá)式如下5010311.008.028.00657.00525.00314.0P P P P P P st += 2 閃變分析儀的硬件結(jié)構(gòu) 閃變儀的硬件結(jié)構(gòu)大致分為3個(gè)部分。結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2 硬件結(jié)構(gòu)圖第一部分為前端信號(hào)調(diào)理及AD 采集電路,前端信號(hào)調(diào)理電路將輸入的工頻信號(hào)調(diào)整到-10V+10V 的范圍,并經(jīng)過(guò)LM2902集成運(yùn)放器提高輸入阻抗后再輸入AD。AD 芯片采用AD7656,AD7656為6通

10、道16位、快速、低功耗、逐次逼近型ADC,輸入范圍可選擇-10V+10V 或-5V+5V。其內(nèi)核采用4.5V 至5.5 V 單電源供電,最高采樣率可達(dá)250 kSPS。該器件內(nèi)置低噪聲、寬帶寬采樣保持放大器,可處理最高8 MHz 的輸入頻率,在本案中設(shè)置其采樣率為400Hz,用DSP 的定時(shí)器模塊定時(shí)觸發(fā)AD 采樣。第二部分為DSP 相關(guān)電路,包括電源模塊電路,復(fù)位電路,晶振電路,SCI 模塊,存儲(chǔ)模塊等。DSP 與AD 的硬件連接如圖3所示。AD7656內(nèi)部含2.5V 參考電壓同時(shí)也支持外部參考電壓,復(fù)位時(shí)默認(rèn)為外部參考,本案設(shè)計(jì)使用的是內(nèi)部參考電壓。當(dāng)H/SSEL=0且REFEN=1時(shí),內(nèi)

11、部2.5V 參考電壓?jiǎn)⒂?再將RANGE 引腳接低電平,AD 的輸入范圍便為V VREF 104±=×±。DSP2812的定時(shí)器發(fā)出定時(shí)中斷并由GPIOA0引腳輸出一個(gè)上升沿啟動(dòng)AD 轉(zhuǎn)換,在轉(zhuǎn)換期間BUSY 信號(hào)為高電平,轉(zhuǎn)化完成后BUSY 變?yōu)榈碗娖?所以可通過(guò)BUSY 向2812發(fā)出下降沿外部中斷請(qǐng)求,并在此中斷請(qǐng)求處理函數(shù)中完成對(duì)數(shù)字信號(hào)的存儲(chǔ)。 圖3 DSP 與AD 芯片的硬件連接第三部分為實(shí)時(shí)顯示部分,由ARM 模塊實(shí)現(xiàn),ARM 核心采用三星公司s3c2410芯片,外部擴(kuò)展了LCD 觸摸屏,用戶可通過(guò)觸摸屏控制閃變儀工作。3 閃變分析儀的軟件設(shè)計(jì)下面介

12、紹DSP軟件算法結(jié)構(gòu)。在采樣率為400Hz時(shí),若經(jīng)10分鐘后才對(duì)數(shù)據(jù)(約234k進(jìn)行處理,數(shù)據(jù)量很大,處理過(guò)程將很慢,嚴(yán)重影響實(shí)時(shí)性能。本文采用分時(shí)處理方法,AD采集6s的數(shù)據(jù)后,馬上對(duì)這6s的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,算出此6s的瞬時(shí)閃變值并進(jìn)行存儲(chǔ),當(dāng)處理掉100個(gè)6s也即計(jì)算時(shí)間到達(dá)10分鐘時(shí),將對(duì)這10分鐘內(nèi)的瞬時(shí)閃變值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,最終得到5個(gè)特征值后代入公式得到短時(shí)閃變值。圖4為程序流程圖。其中ARM模塊承擔(dān)著開(kāi)始/結(jié)束控制信號(hào)的發(fā)送和最終結(jié)果的顯示等終端功能的實(shí)現(xiàn),用戶可通過(guò)觸摸屏發(fā)送開(kāi)始/結(jié)束控制信號(hào),DSP在收到信號(hào)后將開(kāi)始/結(jié)束定時(shí)器工作,進(jìn)而開(kāi)始/結(jié)束AD采樣。圖4 程序流程圖4 測(cè)

13、試結(jié)果與分析對(duì)閃變儀的測(cè)試采用Fluke 6100A功率標(biāo)準(zhǔn)源校準(zhǔn)電能表作為標(biāo)準(zhǔn)源,6100A可通過(guò)用戶設(shè)定的調(diào)制深度和頻率對(duì)電壓進(jìn)行調(diào)幅來(lái)模擬閃變,其對(duì)閃變的測(cè)量方法由IEC標(biāo)準(zhǔn)IEC-61000-3-3所定義,是目前最準(zhǔn)確、最全面、最靈活的電能功率標(biāo)準(zhǔn)源。儀器測(cè)試結(jié)果如下電壓變動(dòng) 頻率(Hz電壓變動(dòng)(%測(cè)試值相對(duì)誤差(%13.5 0.402 0.9732 2.68%0.91667 0.725 0.9616 3.84%0.325 0.906 0.9646 3.54%0.058333 1.459 0.9581 4.19%表1 測(cè)試結(jié)果表中使用了高頻,中頻和低頻區(qū)域中的幾個(gè)較有代表性的頻率進(jìn)行測(cè)

14、量,閃變測(cè)試值較理論值1的相對(duì)誤差都在5%的上限要求之內(nèi),較好的滿足了國(guó)標(biāo)的精度要求。閃變儀在低頻區(qū)域的誤差較大,包含下面幾個(gè)方面的原因。 (1加權(quán)濾波函數(shù)在低頻頻段存在一定的誤差6,由此給低頻段的濾波帶來(lái)一定影響;(2AD轉(zhuǎn)化具有一定的量化誤差;(3采樣頻率越高,精度也將得到一定提高,但設(shè)計(jì)時(shí)也要考慮到運(yùn)算量的大小;(4在對(duì)瞬時(shí)閃變的統(tǒng)計(jì)分析中,將S(t分為4000個(gè)等級(jí),由此也引入了一定的量化誤差。5 結(jié)束語(yǔ)本論文創(chuàng)新點(diǎn):本文將IEC推薦的閃變模型進(jìn)行數(shù)字化設(shè)計(jì),以TMS320F2812為主要計(jì)算平臺(tái),并以ARM平臺(tái)和觸摸屏為輸入、輸出終端。其性能經(jīng)福祿克公司Fluke 6100A電能功率

15、標(biāo)準(zhǔn)源測(cè)試,滿足閃變國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。為EAST核聚變實(shí)驗(yàn)裝置引起的電壓波動(dòng)和閃變的測(cè)量提供了依據(jù)。項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益約50萬(wàn)元。參考文獻(xiàn):1.陳國(guó)磊,羅家融,舒雙寶,季振山.基于TMS320F2812的電網(wǎng)諧波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)J.微計(jì)算機(jī)信息.2009, 25(2-2:144-1452.肖湘寧.電能質(zhì)量分析與控制M.北京:中國(guó)電力出版社, 20043.IEC 61000-4-15.FlickermeterFunctional and design specifications.IEC.2003-024.孫樹勤.電壓波動(dòng)與閃變M.北京:中國(guó)電力出版社,19995.電能質(zhì)量 電壓波動(dòng)和閃變.GB/T 12326-20

16、00S. 北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社6.趙剛,施圍,林海雪.閃變值計(jì)算方法的研究J.電網(wǎng)技術(shù).2001,25(11:15-18作者簡(jiǎn)介:王勤湧(1985-,男,浙江人,東華大學(xué)理學(xué)院在讀碩士研究生,主要從事電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究;羅家融(1948-男,研究員,東華大學(xué)理學(xué)院博士生導(dǎo)師,長(zhǎng)期從事等離子體物理實(shí)驗(yàn)研究;舒雙寶(1981-,男,安徽舒城人,東華大學(xué)理學(xué)院博士后,主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)采集與控制,模式識(shí)別。Biography: Wang Qin-yong (1985-, male, ZheJiang province, a graduate student of Donghua University, majors in power quality online monitoring system.(1.201620 東華大學(xué)理學(xué)院;2.230031中科院等離子體物理研究所王勤湧1 羅家融1 舒雙寶1