新型多功能電能質(zhì)量監(jiān)測儀表分析

　近年來，我國電力事業(yè)無論是發(fā)電總量還是電網(wǎng)的建設(shè)都得到了迅猛發(fā)展，電力系統(tǒng)的規(guī)模不斷擴(kuò)大。但隨著生產(chǎn)力的發(fā)展，電能質(zhì)量的問題日益受到重視，生產(chǎn)和生活中對于電能質(zhì)量的要求也越來越高。由于高壓直流輸電系統(tǒng)的應(yīng)用和大量變頻器、整流器、電弧爐等非線性負(fù)荷、沖擊性負(fù)荷不斷地引入電力系統(tǒng)，大量諧波電流注入電網(wǎng)，造成電力系統(tǒng)中諧波含量急劇上升和電壓波形嚴(yán)重“畸變”，致使電能質(zhì)量下降。電網(wǎng)中的諧波污染日益嚴(yán)重，對繼電保護(hù)、計(jì)算機(jī)、測量和計(jì)量儀器及通訊系統(tǒng)都有不利和不可預(yù)知的影響；降低了電網(wǎng)可靠性，增加了電網(wǎng)損失；降低了電氣設(shè)備的效率和利用率，在生產(chǎn)和生活中都造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。
　　鑒于以上的各問題，提高電能質(zhì)量的新技術(shù)及改善電能質(zhì)量的分析方法成為電力系統(tǒng)領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)。為了采取合理的措施提高電能質(zhì)量，對電能質(zhì)量參數(shù)指標(biāo)準(zhǔn)確的檢測和分析，對電力系統(tǒng)中各參數(shù)的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地測量，是解決電能質(zhì)量問題的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，只有對所存在的電能質(zhì)量問題進(jìn)行有效的檢測、數(shù)據(jù)分析，才能清楚該電能質(zhì)量問題的特性，進(jìn)而采取相應(yīng)的解決措施，以保證電網(wǎng)安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。本設(shè)計(jì)以高性能數(shù)字信號處理器TMS320VC5402和高精度16位 A/D轉(zhuǎn)換器AD73360為核心，針對現(xiàn)有裝置在軟硬件設(shè)計(jì)方面存在的一些不足，通過基于DSP的快速傅里葉變換算法［1］，對裝置開發(fā)涉及到的軟硬件作出部分改進(jìn)，對下位機(jī)重新作出設(shè)計(jì)，構(gòu)架了DSP+MCU方案，設(shè)計(jì)了一種實(shí)時(shí)監(jiān)測電力參數(shù)的裝置，可以測量三相電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)及頻率等，在電能質(zhì)量方面具體包括：2～31次諧波分析、電壓波峰系數(shù)、電流K系數(shù)、三相電壓/電流不平衡度等。
　　1 系統(tǒng)工作原理及總體設(shè)計(jì)
　　本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，以TI公司的TMS320VC5402芯片為核心，包括電流/電壓隔離電路、信號調(diào)理及A/D采樣電路、以16位低功耗單片機(jī)MSP430F149為核心的人機(jī)接口電路以及系統(tǒng)輔助電源，實(shí)現(xiàn)了對包括三相電流/電壓在內(nèi)的各電參量的測量、顯示控制以及通信等功能。整個(gè)系統(tǒng)以準(zhǔn)確采樣與處理為基礎(chǔ)，兼顧整體的設(shè)計(jì)簡單、成本低廉等因素。
　　
　　首先三相電壓/電流經(jīng)過精密電壓電流互感器轉(zhuǎn)換后濾除高次諧波，再經(jīng)過信號調(diào)理電路變換為適合AD73360采樣的信號進(jìn)行采樣。AD73360將采樣完的數(shù)字信號送入DSP。
　　由DSP對采樣數(shù)據(jù)作進(jìn)一步抗混疊處理后，計(jì)算出各電力參數(shù)并通過快速傅里葉算法進(jìn)行諧波分析，并將需要的參數(shù)進(jìn)行存儲［2］。
　　經(jīng)過DSP處理后的各實(shí)時(shí)電參量經(jīng)通信單元送給以MSP430F149為核心的上位機(jī)進(jìn)行顯示。系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括鍵盤輸入控制電路以及LCD液晶顯示電路，實(shí)現(xiàn)友好、直觀的人機(jī)接口。
　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
　　2.1 TMS320VC5402與AD73360接口電路
　　AD73360是ADI公司推出的6通道模擬輸入的16位串行可編程A/D轉(zhuǎn)換器。它采用∑-△ A/D轉(zhuǎn)換原理，具有良好的內(nèi)置抗混疊性能，所以對模擬前端濾波器的要求不高，用一階RC低通濾波器就能滿足要求。其采樣率和輸入信號增益都是可編程的，采樣率可分別設(shè)置為64 kS/s、32 kS/s、16 kS/s和8 kS/s（輸入時(shí)鐘為16.384 MHz時(shí)），增益可在0 dB~38 dB之間選擇。AD73360能保證6路模擬信號同時(shí)采樣，且在變換過程中延遲很小。本系統(tǒng)中AD73360采用交流耦合的差分輸入，通過McBSP接口與TMS320VC5402相連，接口信號線的數(shù)目只有6條，簡捷高效。圖2是具體連接方法。