1、魯東大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版LudongUnive rsity Journa l(Natura l Sc ience Editi on2007,23(4:339342收稿日期22;修回日期22作者簡介侯典立(5,男,講師,碩士,主要從事信號(hào)處理、電力電子技術(shù)研究,(63基于DSP 的電能質(zhì)量分析儀的設(shè)計(jì)侯典立1,黃錦安2(11魯東大學(xué)物理與電子工程學(xué)院,山東煙臺(tái)264025;21南京理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院,南京210094摘要:論述了電能質(zhì)量的各項(xiàng)指標(biāo)及常用算法,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種以串行A /D 變換器A D73360和DSP 芯片T MS320VC5402為核心的電能質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測分析系統(tǒng),對硬件系統(tǒng)設(shè)

2、計(jì)和軟件編程進(jìn)行了詳細(xì)分析,最后對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了測試,并給出了測試波形.關(guān)鍵詞:電能質(zhì)量;數(shù)字信號(hào)處理器(DSP ;多通道緩沖串口(M c B SP ;數(shù)據(jù)采集中圖分類號(hào):T M 93415文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):167328020(20070420339204隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,一方面,各種復(fù)雜的、精密的、對電能質(zhì)量敏感的用電設(shè)備不斷普及,人們對電能質(zhì)量及可靠性的要求越來越高;另一方面,造成電能質(zhì)量問題的因素不斷增長.這一矛盾使電能質(zhì)量問題的解決變得極其重要和緊迫,而解決這一矛盾的首要問題就是對當(dāng)前電能質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和分析.基于DSP 芯片的電能監(jiān)測分析裝置就可以充分發(fā)揮芯片的數(shù)據(jù)處

3、理能力強(qiáng)的優(yōu)勢,使運(yùn)算速度得到很大程度的提高,從而解決實(shí)時(shí)性要求,并且使監(jiān)測裝置的體積大大減小.本文主要對電能質(zhì)量的主要指標(biāo)及算法、電能質(zhì)量分析儀硬件系統(tǒng)線路的設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)軟件的編程進(jìn)行了研究.1電能質(zhì)量的主要指標(biāo)及算法電能質(zhì)量(power qua lity 包括供電質(zhì)量和用電質(zhì)量諸多方面的內(nèi)容,一般認(rèn)為包括電壓質(zhì)量、頻率質(zhì)量和供電可靠性,本文只討論電壓質(zhì)量和頻率質(zhì)量.頻率質(zhì)量主要為頻率偏差;電壓質(zhì)量主要包括諧波、電壓偏差、電壓閃變、三相不平衡度等1.本文主要介紹了電壓波動(dòng)與閃變以及三相不平衡度的計(jì)算,其他指標(biāo)可根據(jù)國家電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和文獻(xiàn)1直接計(jì)算,本文只列舉了電壓偏差.1.1電壓質(zhì)量1電壓偏

4、差電力系統(tǒng)正常運(yùn)行的電壓偏移,稱為電壓偏差.計(jì)算方法為實(shí)測電壓與額定電壓之差U 或其占額定電壓的百分比U %=(U -U e /U e ×100%.(1其中U 為實(shí)測電壓值,U e 為額定電壓值.2電壓波動(dòng)與閃變的測量根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)IEC868,閃變值的計(jì)算原理2:首先以連續(xù)的電壓信號(hào)為輸入量,通過平方解調(diào)器、轉(zhuǎn)折頻率為0105Hz 和35Hz 的帶通濾波器、中心頻率818Hz 的加權(quán)濾波器,再通過一個(gè)平方器、一階平滑濾波器后獲得輸出信號(hào).根據(jù)本文的實(shí)際,采用的計(jì)算方法如下3.首先,在頻譜分析的基礎(chǔ)上,計(jì)算并取得128個(gè)有效值數(shù)據(jù)U (N (本文中快速傅里葉變換(FFT 采用128點(diǎn).然后

5、,對數(shù)列U (N 進(jìn)行離散傅里葉分解,求出其離散的頻譜數(shù)列U f (K,各頻率幅值的2倍即電壓波動(dòng)值.最后,電壓波動(dòng)值除以在該頻率上產(chǎn)生1個(gè)單位瞬時(shí)閃變值所需的電壓波動(dòng)值后平方,獲得該頻率下的瞬時(shí)閃變值P,短時(shí)間瞬時(shí)閃變值P st 計(jì)算公式如下:P s t =(0.0314+0.0525+0.0657+0.28+0.08p 12=0.714p .(23三相不平衡度的計(jì)算電力系統(tǒng)的三相不平衡是由于三相負(fù)載不平衡以及系統(tǒng)元件參數(shù)的不對稱所致.三相電源電壓畸變不對稱時(shí),對于:20071019:20071119:197E -m ail hdianli .340魯東大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版第23卷三相四線制

6、電路,電壓中除含有諧波分量外,還含有正序、負(fù)序、零序分量.對于三相三線制電路,只含有正、負(fù)序分量.三相電量的不平衡度通常以負(fù)序分量與正序分量的均方根值的百分比來表示.而三相電壓正序分量、負(fù)序分量的均方根值分別為 U 1=13(A a +B (b +120°+C (b +240°,(3U 2=13(A a +B (b +240°+C (b +120°,(4在諧波分析時(shí)已經(jīng)對原始電壓信號(hào)進(jìn)行了FFT,可直接利用結(jié)果中一次分量的幅值和相角分別帶入上式,從而可進(jìn)一步得到三相不平衡度.1.2頻率的測量頻率測量是電力系統(tǒng)運(yùn)行、控制和調(diào)節(jié)的基礎(chǔ),響應(yīng)時(shí)間和測量精度是衡

7、量頻率算法的兩項(xiàng)重要指標(biāo).本設(shè)計(jì)采用電力系統(tǒng)基于傅氏濾波的自適應(yīng)測頻算法4,此種算法同樣可以充分利用FFT 變換結(jié)果并且計(jì)算量小、精度高.頻率的計(jì)算可以根據(jù)下式計(jì)算f =12d (td t =12m +n (t -m (t nt =12m +n (t -m (t T 0.(5用(5式計(jì)算f 時(shí),由于實(shí)際頻率未知,只能采用初始采樣間隔T 0/n 進(jìn)行采樣.當(dāng)信號(hào)頻率偏離50Hz 時(shí),計(jì)算出的基波信號(hào)相位的變化將由于存在采樣不同步而帶來誤差,當(dāng)偏離程度較大時(shí),會(huì)嚴(yán)重影響頻率測量的精度,因而,采用自適應(yīng)調(diào)整采樣間隔技術(shù),即采樣間隔為T 1/n,T 1為上次測量到的頻率f 1的倒數(shù),則(1式變?yōu)閒 =

8、(1+n (t -1(t /2T 1.(6 2硬件系統(tǒng)2.1硬件電路的總體設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)原理如圖1.整個(gè)系統(tǒng)硬件配置由數(shù)據(jù)采集和采樣單元、數(shù)據(jù)處理單元(DSP 單元和上層監(jiān)控單元組成數(shù)據(jù)采集和采樣單元主要功能通過電壓互感器(T 和電流互感器(CT 將高電壓和大電流轉(zhuǎn)換為合適的電壓、電流,數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換;數(shù)據(jù)處理單元主要負(fù)責(zé)大量數(shù)據(jù)的處理、計(jì)算;上層監(jiān)控單元主要是用來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示、存儲(chǔ)、打印和分析.圖1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)原理圖2.2數(shù)據(jù)采集和采樣單元本裝置中的A /D 選用的是Ana l og Device s(AD 公司的AD73360.AD73360是一個(gè)六通道模擬輸入前端

9、處理器5,其特點(diǎn)是具有六個(gè)16位的A /D 轉(zhuǎn)換器,每個(gè)轉(zhuǎn)換器在聲頻信號(hào)帶寬內(nèi)的信噪比為70dB;這六個(gè)通道可同時(shí)采樣,并且無需CPU 干預(yù),從而有效地減少了由于采樣時(shí)間不同而產(chǎn)生的相位誤差;各個(gè)通道的采樣速率可以方便地利用控制字在8k,16k,32k 和64k (主時(shí)鐘為16.384MHz 中進(jìn)行設(shè)定;每個(gè)通道可以允許從直流到4kHz 的模擬信號(hào)通過;具有一個(gè)可編程的輸入增益放大器(PG A ,增益可設(shè)置為從0dB 至38dB 的8個(gè)級(jí)別.A D73360尤其適用于工業(yè)電力計(jì)量,因?yàn)槊總€(gè)通道幾乎不存在時(shí)間(相位延遲,AD73360的所有通道都具有低群延遲(gr oup delay 轉(zhuǎn)換的特點(diǎn)

10、.對于AD73360的六個(gè)模擬輸入通道來說,每一個(gè)都既可以配置成單端輸入,也可以配置成差動(dòng)輸入,本裝置配置為單端輸入.因?yàn)殡娏ο到y(tǒng)的工作頻率為50Hz,因此,可以把50Hz 的交流信號(hào)直接接到AD73360的模擬輸入端.具體電路如圖2所示.圖2AD73370模擬輸入通道電路2.3T MS 320VC5402的BSP本裝置利用了DSP 的多通道緩沖串口(M 2B ff S 即M B S 來接收D 傳入的數(shù)據(jù)T MS3V 5具有高速的.:P ulti channe l u ered erial Port c P A /.20C 402第4期侯典立,等:基于DSP 的電能質(zhì)量分析儀的設(shè)計(jì)341全雙工

11、串行口,可用來與系統(tǒng)中的編碼解碼器,串行A /D 、D /A 轉(zhuǎn)換器以及其他的串行器件直接接口.它支持全雙工通信,雙緩沖數(shù)據(jù)寄存器,允許連續(xù)的數(shù)據(jù)流;可以與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的編/解碼器,A I C s 接口;支持多種方式的傳輸接口如T1/E1幀協(xié)議、MV I P 幀方式、H .100幀方式、SCS A 幀方式、II S 兼容設(shè)備等;可與多達(dá)128個(gè)通道進(jìn)行收發(fā);支持傳輸?shù)臄?shù)據(jù)字長可以是8bit,12bit,16bit,20bit,24bit 或32bit;內(nèi)置2律和A 2律壓擴(kuò)硬件6.2.4A D73360與DSP 的接口電路設(shè)計(jì)由于AD73360和T MS320C5402型DSP 都支持工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的六

12、線同步串行接口.二者之間的接口電路非常簡單.考慮到AD73360采用共用串行寄存器來進(jìn)行傳輸,為了防止多路數(shù)據(jù)傳輸時(shí)出現(xiàn)漏碼現(xiàn)象,將AD73360設(shè)置為主模式,DSP 設(shè)置為從模式,時(shí)鐘和幀信號(hào)均由AD73360提供.圖3是A D73360與DSP 的接口電路. 圖3AD73360與DSP 的接口電路3軟件系統(tǒng)一般來說,DSP 軟件開發(fā)大體有三種模式7:第一種是直接編寫匯編語言程序進(jìn)行編譯連接;第二種是編寫C 語言程序,用C 語言優(yōu)化軟件進(jìn)行編譯連接;第三種是混合編程模式,程序中既有匯編代碼,又含有C 語言代碼.利用匯編語言編寫的程序效率較高、實(shí)時(shí)性較強(qiáng),但用DSP 芯片的匯編語言編寫程序是一

13、件比較繁雜的事情.C 語言的優(yōu)勢是具有靈活性、易移植性,成為單片機(jī)開發(fā)的一種趨勢,但效率不高,所以最為靈活的編程方式是混合編程方式.在C 語言中使用匯編語言,可采用兩種方式:一是調(diào)用匯編子程序;二是嵌入?yún)R編整個(gè)系統(tǒng)有兩大部分組成:其一,初始化和數(shù)據(jù)采集部分.這部分的軟件有:DSP 初始化、MC B 2SP 初始化、AD 初始化、數(shù)據(jù)采集,這部分本文采用了匯編語言.其二,數(shù)據(jù)處理部分,FFT 是其中的核心算法.這部分主程序?yàn)镃 語言,FFT 計(jì)算量大,故作為子函數(shù)采用匯編語言.3.1數(shù)據(jù)采集程序數(shù)據(jù)采集程序流程圖如圖4所示.MC B SP 和A /D 的初始化即是通過對MCB SP 及A /D

14、的各控制寄存器賦值來設(shè)置二者的通信方式,不同的是A /D 的寄存器每位都是可寫的,可以直接賦值,而MCB SP 的寄存器有的位是只讀的,可以采用“與0”和“或1”的方式給寄存器賦值.數(shù)據(jù)發(fā)送和接收子程序中接收和發(fā)送的過程類似.數(shù)據(jù)發(fā)送:如果滿足條件(1發(fā)送器已經(jīng)準(zhǔn)備好發(fā)送新的數(shù)據(jù);(2發(fā)送器沒滿,則把數(shù)據(jù)送給MCB SP 的數(shù)據(jù)發(fā)送寄存器,否則等待.數(shù)據(jù)接收如果滿足條件(1接收器已經(jīng)準(zhǔn)備好接受新的數(shù)據(jù);(2接收器沒滿,則把數(shù)據(jù)從MC B 2SP 的數(shù)據(jù)接受寄存器送給變量,否則等待.圖4數(shù)據(jù)采集程序流程圖3.2數(shù)據(jù)處理程序數(shù)據(jù)處理主要是對電能質(zhì)量各個(gè)量的計(jì)算.程序流程圖如圖5所示.本文所用算法都

15、是基于FFT 基礎(chǔ)上進(jìn)行的,FFT 是比較成熟的算法,可以直接調(diào)用TI 公司在S 自帶的FFT 函數(shù)程序FFT 除了進(jìn)行頻譜分析外,還可以在FFT 基礎(chǔ)上.CC . 求得有效值及相角.基波及各次諧波的電壓(電流相角為相應(yīng)實(shí)部和虛部比值的反正切值;功率及功率因數(shù)、電壓偏差、三相平衡度可根據(jù)定義直接求得;頻率測量本文在基于遞推傅氏算法的頻率測量原理的基礎(chǔ)上采用自適應(yīng)調(diào)整采樣間隔技術(shù)(即根據(jù)實(shí)際頻率確定采樣間隔實(shí)現(xiàn)頻率的高精度測量;電壓波動(dòng)與閃變的測量本文采用基于傅立葉變換實(shí)現(xiàn)解調(diào),然后乘以相關(guān)的濾波系數(shù)得到結(jié)果,減少不少運(yùn)算量. 圖5主程序流程圖4結(jié)果分析圖6為在早晨和下午采集到的A 相電壓波形,

16、早晨6:30實(shí)驗(yàn)室沒人工作,而晚上20:00很多電腦在運(yùn)行,電腦整流電路是典型的非線性負(fù)荷,故對電網(wǎng)電壓影響較大.實(shí)踐表明,運(yùn)用傅立葉變換提取穩(wěn)態(tài)諧波、負(fù)序、閃變、頻率和功率參數(shù)可得到滿意效果,以T MS320VC5402和AD73360構(gòu)成的電能質(zhì)量分析系統(tǒng)具有性能高、設(shè)計(jì)簡便、結(jié)構(gòu)緊湊、工作穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn).6:3020:00圖6不同時(shí)間分別采集到的電壓波形參考文獻(xiàn):1全國電壓電流等級(jí)和頻率標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).電壓電流頻率和電能質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用手冊S .北京:中國電力出版社,2001.2楊洪耕,肖先勇,劉俊勇.電能質(zhì)量問題的研究和技術(shù)進(jìn)展(四J .電力自動(dòng)化設(shè)備,2004,24(1:14.3趙剛,

17、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(11:1518.4孟昭敦,杜寧寧,張明軍.電力系統(tǒng)測頻的自適應(yīng)算法J .電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào),1998,10(2:3942.5Anal og Devi ce Inc.A D73360L Six -Input Channel An 2al og Front End S .20002007.htt p:/w w w .ana 2log .co m /Upl oadedFile s/Data_Sheets/A D73360L .pdf .6Texas Instru m ents Corporati on .Enhanced Pe r

18、iphe ralsS .T M S320C54x DSP Reference Se t Volu m e 5,2001,32007.htt p:/focus .ti .com /general/d ocs/techdoc sabstract .ts p?abstract Name =s p ru302b .7Texas I nstru ments Corpo rati on .Code Co mpos e r St udi oU ser s Guide S .1998,122007.htt p:/focus .ti .co m /lit/ug/s p ru007h/spru007h .pdf

19、.(下轉(zhuǎn)第350頁Stud i es on S i n thesis of Polyethylenglycol D i ben zen sulfo na tsL IUShu2fen,S UNL in,RUANWen2ju,L IGui2hua,LüFeng(School of Che m ist ry and M at eri al Science,Ludong U niversity,Yan t ai264025,C hinaAb stra ct:The dibenzensulf ona ts of ethylene2glycol and diethylene2glyc ol an

20、d triethylene2glycol and tetra2e thyl2 ene2glycol and PEG2400and PEG2600were synthesized res pective ly.The synthetic p r oduc tswere characterized by FTI R,1HN MR,UV2V I S and TLC.These p r oduc ts were charac terized by dissolubility and crysta l test too. The eff ect of the m ate rial pr oporti o

21、n and reactive temperature and r eactive ti m e and the way of instillation on synthe tic reacti on was de tec ted.The results showed that which was benzene sulf onyl chloride as sulphona tion a2 gent,pyridine as cata lyst and chl or ofor m as diluent,the pr oportion of r eac tant,the m ass of cata

22、lyst PEGB s C l Py=124(mol,the r eac ti on lasting f or810h unde r810and1618,the conversi on r a te r eached 73%81%;but pyridine a s catalyst and diluent,the p r oportion of the r eac tant,the m ass of cata lyst PEGB s C l=12(mol,the reaction lasting f or56h under810and1618,the conversion wa s65%70%.The way of instillation had ha r dly influence on the p r oduction r a tio.Key wor ds:polyethylenglycol dibenzensulf onate;synthesis;charate rizati on;experi m enta l conditi