电力谐波监测仪数据采集系统的设计

引

言

随着现代工业的高速发展，电力系统中的非线性负荷日益增多，电网谐波污染问题受到了广泛的重视。谐波检测是谐波问题中的一个重要分支，对抑制谐波有着重要的指导作用。同时，谐波的分析和测量是电力系统分析和控制中的一项重要工作，准确、实时的检测出电网中的畸变电流、电压，对于电力系统的安全、经济运行具有重要的意义。由于ＤＳＰ采用先进的改进型哈佛结构，其程序存储器和数据存储器具有各自的总线结构，可以同时处理指令和数据，这使得实时采样与处理成为可能，精度也能大大提高。对于现场嵌入式系统，采用ＤＳＰ数字处理器极大地改善了系统的设计与运行，它不仅提高了开发的效率，而且提高了程序运行的效率，稳定性，以及扩展性等［１］。本文介绍了能够满足功能要求且性价比好的ＤＳＰ芯片ＴＭＳ３２０Ｆ２０６实现的智能型电力谐波监测仪硬件

结构和模拟数据采集通道，阐述了数据采集系统的软件设计方法，并给出了程序流程图。

１硬件设计

１．１结构

硬件结构如图１所示，电力谐波监测系统主要有：数据采集和处理、液晶显示、时钟电路、键盘按键、报警控制、数据通讯、数据存储器和程序存储器等部分。该监测仪主要应用于三相三线制的高压配电系统中，Ａ、Ｃ两相电压、电流信号通过电压互感器和电流互感器采集进来，再转换为－５Ｖ～＋５Ｖ的电压信号，然后通过抗混叠滤波电路滤除造成混叠的高次谐波，再通过四路同时采样的ＡＤ转换器ＭＡＸ１２５转换成数字信号，送入ＤＳＰ进行处理。处理结果可以通过串行通讯口与上位ＰＣ机或远程终端进行通讯。另外，系统还可根据键盘按键的输入不同，完成在液晶显示器ＬＣＤ上的功率、功率因数、谐波畸变率和１～２５次谐波

电力谐波监测仪数据采集系统的设计

汪小平

（安徽工业大学，安徽马鞍山

２４３００２）

摘要：介绍了电力谐波监测仪硬件结构和模拟数据采集通道的设计，探讨了在满足国家规定的谐波测量允许误差范围内，定点ＤＳＰ上数据存放问题，阐述了数据采集系统软件设计思想，并给出了监测仪的程序流程图。所采用数据处理技术对交流电参量微机测量具有一定的参考价值。

关键词：谐波监测仪；ＤＳＰ；数据采集和处理中图分类号：ＴＭ９３３

文献标识码：Ｂ

文章编号：１００１－１３９０（２００６）１１－００５４－０３

ＷＡＮＧＸｉａｏ－ｐｉｎｇ

（ＡｎｈｕｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｍａａｎｓｈａｎ２４３００２，Ａｎｈｕｉ，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｈａｒｄｗａｒｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄａｎａｌｏｇｄａｔａｃｈａｎｎｅｌｓｏｆｔｈｅｐｏｗｅｒｈａｒｍｏｎｉｃｍｏｎｉｔｏｒ，ｄｉｓｃｕｓｓｅｓｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｓｏｆｄａｔａｓｔｏｒａｇｅｏｎｆｉｘｅｄｐｏｉｎｔＤＳＰｗｈｉｃｈｍｅｅｔｅｒｒｏｒｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｈａｒｍｏｎｉｃｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｔｉｐｕｌａｔｅｄｂｙｔｈｅｓｔａｔｅ，ｉｌｌｕｓ－ｔｒａｔｅｓｔｈｅｉｄｅａｏｆｓｏｆｔｗａｒｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｄａｔａｓａｍｐｌｉｎｇｓｙｓｔｅｍａｎｄｐｒｅｓｅｎｔｓｔｈｅｐｒｏ－ｇｒａｍｄｉａｇｒａｍ．ＴｈｅｄａｔａｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｔｅｃｈｎｉｑｕｅｈａｓｃｅｒｔａｉｎｒｅｆｅｒｅｎｔｉａｌｖａｌｕｅｔｏＡＣｐａ－ｒａｍｅｔｅｒｃｏｍｐｕｔｅｒｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｏｗｅｒｈａｒｍｏｎｉｃｍｏｎｉｔｏｒ‘ＤＳＰ‘ｄａｔａｓａｍｐｌｉｎｇａｎｄｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ

ＤｅｓｉｇｎｏｆＤａｔａＳａｍｐｌｉｎｇＳｙｓｔｅｍｏｎＰｏｗｅｒＨａｒｍｏｎｉｃ

Ｍｏｎｉｔｏｒ

５４－－

图１

硬件结构图

的实时显示和超限数据显示以及参数设定和数据查找功能。ＣＰＬＤ是可编程逻辑器件，完成数字电路的译码、接口任务等［２］。

１．２模拟数据采集通道的设计

模拟数据采集通道由电流、电压互感器和信号调

理电路组成。为了保持数据原来的特性，用于畸变波形下的互感器必须具有较好的频率特性，一般的电磁式电压和电流互感器在５ｋＨｚ频率以下都具有较好的频率特性，满足测量的要求。信号调理电路包括电流电压转换、相位校正、幅值调节和抗混叠滤波电路，电流模拟量采集通道如图２所示。电压互感器的原边

１００Ｖ，原边接入１００Ｖ２ｍＡ电阻，副边输出２ｍＡ电

流，经运放转换成的电压量。电流互感器的原边输入

５Ａ的电流，副边输出２ｍＡ电流，经运放转换成的电压

量。Ｒｃ、Ｃ电路为互感器相移补偿电路。Ｒａ、Ｒｂ用以调节信号的幅值大小，电阻大小根据ＡＤ输入信号范围并考虑一定的裕度，所以额定电流和电压对应约的ＡＤ输入信号。

本系统中，测量的最高谐波次数为２５，所以ｆｍａｘ＝

２５ｆ１＝１．２５ｋＨｚ，

用于ＦＦＴ运算的一周期数据窗Ｎ＝２５６，

此时折叠频率ｆｃ＝１２８ｆ１＝６．４ｋＨｚ，这样抗混叠滤波器的

截止频率选择范围较宽。滤波器参数根据截止频率约

３ｋＨｚ和ＭＡＴＬＡＢ仿真进行选择。所设计的二阶有源

滤波电路的频域传输函数为

Ｈ!"Ｓ＝

Ｖｏ!"ｓＶｉ!"ｓ＝１Ｒ１Ｒ２Ｃ１Ｃ２

ｓ２

＋Ｒ１Ｃ２＋Ｒ２Ｃ２!"ｓ＋１由此仿真出来的幅频特性曲线如图３所示。从图中可以看出，在０～２５×５０Ｈｚ频率范围内曲线很平坦，实际电路中此频率范围内增益在０～－０．３ｄＢ之间，造

成的误差很小。

２软件设计

２．１数据存放格式

对于Ｆ２０６芯片而言，参与运算的数是１６位整型数，但实际数字运算过程中的数不一定是整数。通过定标位置的不同，就可以表示不同大小和不同精度的小数了。为了减少定点数据运算时舍入和截尾带来的误差，中间数据运算时，如果有溢出，采用两个连续单元存放一个数据。考虑空间的因素，规定每个结果数据存放占用一个存储单元。

本设计中，数据主要分为原始数据：包括采集电流、电压和设定的允许参数等；需要保存的结果数据：包括一个月的谐波数据和超限数据；用于运算的中间变量、通讯和显示的缓冲区数据等。

本系统程序中ＡＤ转换器为１４位，为提高精度，转换结果左移两位按Ｑ１５定标，作为ＦＦＴ运算的原始数据。正余弦表中的值最大为１，也采用Ｑ１５的表示方法，表示小数点后有１５位有效数字，其十进制数的表示范围是［－１，０．９９９９６９５］，

精度为１２

１５

＝０．００００３０５１。

本装置主要用于高压配电网的谐波监测，检测的电压都是６ｋＶ及以上的高压配电电压，所以采用Ｑ８

格式存放电压数据，

单位为“ｋＶ”，表示范围

［－１２８，１２７．９９６０９３８１］，精度是１２

８＝０．００３９，能够表示最

小的数是３．９Ｖ。另外电流数据的存放格式，考虑高压

配电网中的变压器容量一般为几千千伏安，额定电流值一般小于１０００Ａ，由此确定其存储格式为Ｑ５，单位为“Ａ”。表示范围为：［－１０２４，１０２３．９６８７５］，精度为１２

５＝

０．０３１２５。

图２

电流模拟数据采集通道

图３

抗混叠滤波器的幅频特性仿真曲线

ＡｄＢ

ｆＨｚ

５５－－

表１

国家标准ＧＢＴ１４５４９—１９９３Ｂ级误差允许值

图４软件流程

生产厂家规定本装置谐波测量允许误差需要符合谐波测量仪国家标准ＧＢＴ１４５４９—１９９３Ｂ级的要求，ＧＢＴ１４５４９—１９９３Ｂ级误差要求如表１所示。这里，以电网额定电压６ｋＶ、额定电流１００Ａ为例分析数据存储格式对仪器精度的影响。

当Ｕｈ≥３％ＵＮ＝１８０Ｖ时，允许误差为：５％Ｕｈ＝９Ｖ；当Ｕｈ＜３％ＵＮ＝１８０Ｖ时，允许误差为：０．１５％ＵＮ＝９Ｖ。上述已分析存储时能够表示的最小数３．９Ｖ，所以对于电压参数，这样的数据存储格式能够满足精度要求。同理可分析电流。当Ｉｈ≥１０％ＩＮ＝１０Ａ时，允许误差为：

５％Ｉｈ＝０．５Ａ；当Ｉｈ＜１０％ＩＮ＝１０Ａ时允许误差为０．５０％ＩＮ

＝０．５Ａ。

存储时能够表示的最小数０．０３１２５Ａ，小于允许误差，所以这样的数据存储格式既能满足所要求的精度，又节省空间，方便存储。

２．２程序流程

谐波监测仪主程序主要是完成系统初始化、执行应用系统的算法函数模块和数据采样模块、ＦＦＴ算法模块、显示模块和通讯模块等，分别完成数据处理、计算、存储、显示和通讯等功能。算法函数模块：有效值计算，功率及功率因数计算、总谐波畸变率计算，单次谐波含有率计算以及和允许值进行比较确定是否超限的计算等。整个程序主要由Ｃ语言和汇编语言混合编程实现。

应用软件总的流程如图４所示。从流程图中可以看出，系统首先进行初始化，初始化内容包括：寄存器初始化、中断矢量表初始化、ＤＳＰ串口初始化、ＡＤ初始化、液晶初始化、时钟初始化，变量的定义和初始化值设定，设置各数据存放的首地址、密码、报警复位、电量标准等。

按照国家电能质量标准，本系统１．５ｍｉｎ的前３ｓ每间隔０．５ｓ采样一组数据进行ＦＦＴ共６次，用循环程序实现。数据采集遵从这样的原则：（１）数据采集按照等间隔的时间间隔定时执行；（２）计算在它所要处理的数据采集完成以后执行，但又不能因为执行当前计算而打断当前正在进行的下一组数据的采集。即计算不能和实时数据采集冲突。另外，采样长度的选择与

频率分辨率的确定，首先要保证能反映信号的全貌，满足采样定理的要求，对周期信号，理论上采集一个周期信号就可以了。在此用固定的采样频率２５．６ｋＨｚ（ＡＤ四路转换约１２!ｓ）［４］进行高密度采样，采样中断时间由ＤＳＰ的片内定时器完成。这里我们采集１个半周期以上，保证有２个过零点，以便选出整周期信号。对于５０Ｈｚ周期信号一周期刚好５１２点，再均匀甩点。因为ＦＦＴ是采用一周期２的整数次方个点数进行计算，为了减少电网频率的波动引起的交流参量检测的误差大小，利用高密度采样点较准确地计算出信号周期，根据周期进行插值运算和筛选，取得２５６点数据进行ＦＦＴ计算。由Ｍａｔｌａｂ软件仿真，精度可达百分之零点几。这种方法较硬件锁相环技术实现的倍频采样，降低了硬件设计成本；和软件测量电网频率，再确定下一周期信号的采样时间的方法相比，能更实时地跟踪电网频率的变化。

（下转第１５页右下）

注：ＵＮ－标称电压，Ｕｈ－谐波电压，ＩＮ－额定电流，Ｉｈ－谐波电流

≥

≥

初始化

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（ａ）具相位跳变的电压凹陷方波

（ｂ）电压凹陷幅值

（ｃ）电压凹陷相位跳变

图８

电压凹陷相位跳变检测实验结果

参

考

文

献

［１］Ｄ．ＭａｈｉｎｄａＶｉｌａｔｈｇａｍｕｗａ，Ａ．Ａ．Ｄ．ＲａｎｊｉｔｈＰｅｒｅｒａ，Ｓ．Ｓ．Ｃｈｏｉ．ＶｏｌｔａｇｅＳａｇＣｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎＷｉｔｈＥｎｅｒｇｙＯｐｔｉｍｉｚｅｄＤｙｎａｍｉｃＶｏｌｔａｇｅＲｅｓｔｏｒｅｒ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓｏｎＰｏｗｅｒＤｅｌｉｖｅｒｙ，２００３，１８（３）：９２８－９３６．

［２］杨洪耕，肖先勇，刘俊勇．电能质量问题的研究和技术进展（三）———电力系统的电压凹陷［Ｊ］．电力自动化设备，２００３，２３（１２）：１－４．

［３］韩英铎，严干贵，姜齐荣等．信息电力与ＦＡＣＴＳ＆ＤＦＡＣＴＳ技术［Ｊ］．电力系统自动化，２０００，２４（１）：１－７．

［４］ＣｈｒｉｓＦｉｔｚｅｒ，ＭｉｋｅＢａｒｎｅｓ，ＰｅｔｅｒＧｒｅｅｎ．ＶｏｌｔａｇｅＳａｇＤｅｔｅｃｔｉｏｎＴｅｃｈ－ｎｉｑｕｅｆｏｒａＤｙｎａｍｉｃＶｏｌｔａｇｅＲｅｓｔｏｒｅｒ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓｏｎＩｎｄｕｓｔｒｙＡｐｐｌｉ－ｃａｔｉｏｎｓ，２００４，４０（１）：２０３－２１２．［５］肖湘宁，徐永海，刘

昊．电压凹陷特征量检测算法研究［Ｊ］．电力自

动化设备，２００２，２２（１）：１９－２２．

［６］王

群，姚为正，王兆安．低通滤波器对谐波检测电路的影响［Ｊ］．西

安交通大学学报，１９９９，３３（４）：５－８．

［７］杨亚飞，颜湘武，娄尧林．一种新的电压骤降特征量检测方法［Ｊ］．电力系统自动化，２００４，２８（４）：４１－４４．

［８］ＴｅｘａｓＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓＩｎｃ．．ＩＱｍａｔｈＬｉｂｒａｒｙ—ＡＶｉｒｔｕａｌＦｌｏａｔｉｎｇＰｏｉｎｔＥｎ－ｇｉｎｅ［Ｚ］．ＴｅｘａｓＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓＩｎｃ．Ｊｕｌｙ２００２．作者简介：

陈友勇（１９８２－），男，浙江温州人，硕士研究生，专业方向为检测技术与自动化装置。谢

岳（１９６４－），男，江苏苏州人，教授，研究方向为电能质量、电力电子

与驱动等。

收稿日期：２００６－０９－２３

（杨长江编发）

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（上接第４６页）采集系统的软硬件结构，并具体论述了

ＡＤ，ＵＳＢ无线网卡驱动实现方法。基于ＡＲＭ的电参数无线采集系统能够实现对于电力设备的电压、电流、有功功率、无功功率、功率因素、有用功和无用功等参数的实时监控及无线网络数据通信和管理。该系统可

以实现电参数的远程监控，可以帮助用户及时了解电

器设备运行状况、电能使用效率等。

参考文献

［１］ＣｉｒｒｕｓＬｏｇｉｃ，ＥＰ９３０１Ｕｓｅｒ＇ｓＧｕｉｄｅ［Ｚ］，ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｉｒｒｕｓ．ｃｏｍ，２００４．

［２］ＭＡＸＩＭ．ＭＡＸ１３０５ＥＣＭ＿ｄａｔａｓｈｅｅｔ［Ｚ］．ｈｔｔｐ：／／ｍａｘｉｍ－ｉｃ．ｃｏｍ，２００４．

［３］Ｔｈｅｌｉｎｕｘ－ｗｌａｎｃｏｍｐａｎｙ．ＨｏｗｔｏｉｎｓｔａｌｌＷＬＡＮｃａｒｄｉｎＬｉｎｕｘ［Ｚ］．ｈｔｔｐ：

／／ｗｗｗ．ｌｉｎｕｘ－ｗｌａｎ．ｃｏｍ．．

［４］ＳｒｅｅｋｒｉｓｈｎａｎＶｅｎｋａｔｅｓｗａｒａｎ．Ｌｉｎｕｘ上的ＷＬＡＮ、

Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ、ＧＰＲＳ、ＧＳＭ和ＩｎｆｒａｒｅｄＤａｔａ一览［Ｚ］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｇｄ－ｌｉｎｕｘ．ｏｒｇ／ｂｂｓ／ｓｈｏｗｔｈｒｅａｄ．ｐｈｐ？ｔ＝３６８．［５］周立功，陈明计，陈渝．ＡＲＭ嵌入式Ｌｉｎｕｘ系统构建与驱动开发范例［Ｍ］．北京：北京航空航天出版社，２００６．

［６］孙天泽，袁文菊，张海峰．嵌入式设计及Ｌｉｎｕｘ驱动开发指南－基于ＡＲＭ９处理器［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００５．

［７］坦思利，Ｄ．（Ｔａｎｓｌｅｙ，Ｄａｖｉｄ）．Ｌｉｎｕｘ与ＵｎｉｘＳｈｅｌｌ编程指南［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２０００．作者简介：

林飞翔（１９８２－），男，在读硕士研究生，上海交通大学机械与动力工程学院机器人研究所，主要研究方向：嵌入式技术及应用。

收稿日期：２００６－０９－１０

（杨长江编发）

（上接第５６页）６次循环后，进行计算处理得到当前

１．５ｍｉｎ基波和各次谐波、

谐波总畸变率的大小，然后每四组这样的数据冒泡排序，每次舍去最小者，最后找出１小时４０组测量数据９５％概率大值，作为当前１小时

测得的数据并保存，并记录当前时刻；有超限时，设置

超限标志并进行报警处理。因为电流电压是同时采样

的，所以功率因数也方便求得。

最后进入通讯和显示模块，１．５ｍｉｎ后又进入循环采样程序。程序中时间的大小

和判断是通过对时钟芯片读写实现的。

３结束语

所研制的电力谐波监测仪，完成了设计的功能，性价比好，而且能自动跟踪电网频率的变化。十四位高速的同步ＡＤ转换器又保证了采样的快速性、准确性和同步性，文中所阐述的数据处理技术和方法对交流电参量微机测量也有一定的参考价值。参考文献［１］ＴＭＳ３２０Ｆ２０６ＤＳＰＵｓｅｒ’ｓＧｕｉｄｅ［Ｍ］．ＴｅｘａｓＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓＩｎｃｏｒｐｏｒａ－

ｔｉｏｎ．

［２］苏涛，蔡建隆等．ＤＳＰ接口电路设计与编程［Ｍ］．西安电子科技大学出版社，２００２．

［３］王静，赵怀林．电网质量分析仪研制［Ｊ］．电测与仪表，２００２，（７）．

［４］李广宇，魏丰．ＭＡＸ１２５在同步数据采集系统中的应用［Ｊ］．电子世界，２００４，（３）．作者简介：

汪小平（１９６５－），女，工学硕士，副教授，从事电能质量的教学和研究工作。

收稿日期：２００６－０７－２３

（杨长江编发）

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