基于DSP 的電壓閃變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要: 電壓波動(dòng)和閃變是衡量電能質(zhì)量的重要指標(biāo)。在對(duì)IEC 提出的電壓閃變測(cè)量方法進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，利用間接解調(diào)法對(duì)FFT 計(jì)算結(jié)果中引起的幅值衰減進(jìn)行修正，從而提高了離散瞬時(shí)閃變值算法的精度。系統(tǒng)用DSP 實(shí)現(xiàn)電壓閃變信號(hào)的采集和處理，并給出了軟件設(shè)計(jì)方法。實(shí)驗(yàn)證明:該設(shè)計(jì)能很好地滿足電能檢測(cè)的要求，同時(shí)具有良好的應(yīng)用前景。

0 引言

隨著電力市場(chǎng)商品化的發(fā)展，用戶對(duì)電能質(zhì)量的要求越來越重視。然而，隨著各種沖擊性負(fù)荷、非線性負(fù)荷的大量使用，造成了電網(wǎng)負(fù)荷的急劇變化。電網(wǎng)諧波、電壓波動(dòng)、閃變、三相電壓不平衡等問題時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重影響了電能質(zhì)量，給電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行帶來直接或潛在的危害。

電壓波動(dòng)和閃變是衡量電能質(zhì)量的重要指標(biāo)。為了抑制和治理電壓波動(dòng)和閃變，電網(wǎng)已經(jīng)投入了一定的補(bǔ)償設(shè)備。這些設(shè)備的研制和整定均需要準(zhǔn)確詳細(xì)的閃變參數(shù)，以提供正確的治理決策，因此，對(duì)電壓波動(dòng)和閃變實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，即準(zhǔn)確測(cè)量短時(shí)間閃變值Pst，長(zhǎng)時(shí)間閃變值Plt是治理電壓波動(dòng)和閃變的基礎(chǔ)。

IEC 6100-4-15和GB 123262—2000給出了完整的閃變測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，以及有關(guān)反映人腦對(duì)頻率選擇特性的傳遞函數(shù)，根據(jù)該框圖就可以設(shè)計(jì)符合IEC 標(biāo)準(zhǔn)的閃變測(cè)試系統(tǒng)。但是利用該標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算電壓閃變值過程繁瑣，對(duì)硬件要求較高。文獻(xiàn)［5］中提出了離散的瞬時(shí)閃變值計(jì)算方法，采用間接解調(diào)的方法計(jì)算閃變，提高了運(yùn)算速度并且減小了系統(tǒng)對(duì)硬件處理器的要求，缺點(diǎn)是間接解調(diào)法存在頻譜泄漏，在高頻處幅值衰減，精度較差。

本文采用離散的瞬時(shí)閃變值計(jì)算方法，利用FFT 對(duì)采樣后的離散數(shù)據(jù)進(jìn)行變換，并針對(duì)FFT計(jì)算結(jié)果中引起的幅值衰減做修正處理，減少了因不同頻率調(diào)幅波引起電壓波動(dòng)輸出的瞬時(shí)閃變視感度S(t)的誤差。采用上述改進(jìn)方法，在DSP平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)的電壓閃變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有測(cè)量精度高、速度快等特點(diǎn)。

1 電壓閃變計(jì)算方法

波動(dòng)的電網(wǎng)電壓可由一個(gè)穩(wěn)定的工頻電壓作載波，疊加一個(gè)有規(guī)則或無規(guī)則的調(diào)幅波構(gòu)成，調(diào)幅波可包含單個(gè)或多個(gè)頻率分量。瞬時(shí)波動(dòng)電壓可以用一組復(fù)合振幅調(diào)制方程來表示:


式中:Urms為電網(wǎng)額定電壓有效值;fsys為電網(wǎng)工頻電壓頻率;fn為調(diào)幅電壓波動(dòng)頻率;ΔUn為調(diào)幅波中頻率為fn的調(diào)幅波電壓的調(diào)幅系數(shù)。

IEC 定義短時(shí)間閃變值Pst的算法如下:首先，對(duì)于隨機(jī)變化負(fù)荷產(chǎn)生的電壓波動(dòng)，在足夠長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)間T(至少10 min) 內(nèi)對(duì)S( t) 進(jìn)行等間隔采樣;然后，將S(t)數(shù)據(jù)分級(jí)，并統(tǒng)計(jì)各級(jí)別數(shù)據(jù)分布概率，再由各級(jí)別數(shù)據(jù)分布概率得到累積概率分布函數(shù)(CPF);最后，根據(jù)CPF 作出閃變程度的統(tǒng)計(jì)*定，即計(jì)算Pst?？梢?，S( t) 直接反映了電壓波動(dòng)引起燈光閃爍對(duì)人視感度的影響，是計(jì)算Pst的關(guān)鍵。

定義瞬時(shí)視感度S( t) 曲線上的離散點(diǎn)值為瞬時(shí)閃變值Pi，根據(jù)IEC 定義的Pst的計(jì)算方法，Pst的計(jì)算步驟可描述為:

(1) 對(duì)連續(xù)電壓信號(hào)u(t)采樣，形成離散電壓信號(hào)u(n)，對(duì)u( n) 每半個(gè)周波計(jì)算一次電壓均方根值，得到電壓均方根值序列U(n)，形成離散電壓均方根值曲線。

(2) 對(duì)U(n) 以時(shí)間進(jìn)行等間隔劃分，得到劃分內(nèi)電壓均方根值序列Ui(n)，i = 1，2，…，N，N為觀測(cè)時(shí)間T 內(nèi)劃分?jǐn)?shù)的總數(shù)，且N = T /τ，對(duì)每個(gè)劃分中的均方根值序列進(jìn)行傅里葉分析(FFT)，求出離散頻譜序列Ufm，m = 1，2，…，M，M為頻譜頻率的上限，進(jìn)而得到相應(yīng)頻率為fm的正弦波電壓均方根值曲線的峰值，即頻率為fm的電壓波動(dòng)值:


(3 ) 定義第i 個(gè)電壓均方根值序列劃分Ui(n)的瞬時(shí)閃變值Pi為相應(yīng)頻譜上各頻率fm對(duì)應(yīng)瞬時(shí)閃變值之和，即:


式中:dum為單位瞬時(shí)閃變值時(shí)頻率fm對(duì)應(yīng)的正弦電壓波動(dòng)值。

(4) 將觀測(cè)時(shí)間T 內(nèi)各個(gè)劃分對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)閃變值Pi分為L(zhǎng) 級(jí)，由于Pi是等間隔數(shù)據(jù)，可通過分布在相應(yīng)等級(jí)數(shù)據(jù)的頻率來表示該等級(jí)中數(shù)據(jù)分布概率P(l):


式中:Nl為分布在l 等級(jí)中的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)。

(5) 依據(jù)數(shù)據(jù)分布概率P(l)作出直方圖，再由直方圖形成CPF。由瞬時(shí)閃變值Pi得出的CPF 反應(yīng)了瞬時(shí)閃變值Pi超過一定限值的時(shí)間與觀測(cè)時(shí)間T 的百分比。對(duì)于隨機(jī)變化負(fù)荷的瞬時(shí)閃變值CPF 曲線，常用5 個(gè)規(guī)定值計(jì)算短時(shí)間閃變值Pst:


式中:P0. 1、P1、P3、P10和P50分別為觀測(cè)時(shí)間T 內(nèi)瞬時(shí)閃變值Pi超過0. 1%、1%、3%、10% 和50%時(shí)間的覺察單位值。

(6) 根據(jù)短時(shí)間閃變值統(tǒng)計(jì)計(jì)算出長(zhǎng)時(shí)間閃變值Ph(2 h):
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2 間接解調(diào)法誤差分析及修正

對(duì)采樣后計(jì)算得到的電壓均方根值序列Ui(n)進(jìn)行頻譜分析時(shí)，由于FFT 存在頻譜泄露和柵欄效應(yīng)，從而導(dǎo)致頻譜分析得到的閃變信號(hào)幅值產(chǎn)生較大的誤差，影響Pst的計(jì)算精度。調(diào)幅系數(shù)ΔUn = 10%，不同頻率fn的閃變信號(hào)經(jīng)過FFT 運(yùn)算后得到的計(jì)算值如表1 所示?？梢钥闯?，不同頻率的閃變信號(hào)經(jīng)過FFT 運(yùn)算后幅值都產(chǎn)生衰減，而且隨著頻率的增加衰減更加嚴(yán)重。

表1 調(diào)幅系數(shù)ΔUn = 10% 對(duì)應(yīng)的計(jì)算值.

調(diào)幅系數(shù)ΔUn = 10% 對(duì)應(yīng)的計(jì)算值

為了補(bǔ)償FFT 計(jì)算結(jié)果造成的幅值衰減，根據(jù)間接解調(diào)法提出衰減因子定義如下:


為了得到各個(gè)頻率的衰減因子，重復(fù)計(jì)算30 個(gè)波形，每次僅計(jì)算一個(gè)頻率成分，分別為: fn = 1，2，…，30 Hz，ΔUn = 10%;為了補(bǔ)償FFT 運(yùn)算造成的幅值衰減，定義修正因子如下:


經(jīng)過計(jì)算后，衰減因子和修正因子的曲線圖如圖1 所示。

衰減因子和修正因子曲線圖

圖1 衰減因子和修正因子曲線圖

修正后的幾個(gè)不同頻率的調(diào)幅系數(shù)如表2 所示。可以看出，修正后的調(diào)幅系數(shù)非常接近給定值，大大減少電壓閃變幅值的衰減。

表2 調(diào)幅系數(shù)ΔUn = 10%對(duì)應(yīng)的計(jì)算值和修正值

調(diào)幅系數(shù)ΔUn = 10%對(duì)應(yīng)的計(jì)算值和修正值

3 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

3. 1 硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)是以TMS320F2812數(shù)字信號(hào)處理器為核心加上14 位雙極性高分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器(MAX125) 和CPLD(EPM7128) 作為協(xié)處理器的基本架構(gòu)組成。具體的硬件原理框架如圖2 所示。

經(jīng)過信號(hào)放大、抗混疊濾波的電壓信號(hào)輸入到MAX125 進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，根據(jù)采樣保持定理采樣頻率必須大于等于2 倍的信號(hào)頻率才能保證信號(hào)處理的完整性，因此，在A/D 轉(zhuǎn)換前要設(shè)置信號(hào)的采樣頻率。調(diào)理后的信號(hào)過零比較后，送DSP 進(jìn)行頻率捕捉，將捕捉到的頻率用于初始化DSP 內(nèi)部定時(shí)器。當(dāng)定時(shí)時(shí)間到來時(shí)，進(jìn)入定時(shí)器中斷子程序并打開A/D 采樣，轉(zhuǎn)換完成后MAX125 會(huì)產(chǎn)生一個(gè)硬件中斷告訴DSP 讀取數(shù)據(jù)。CPLD 作為協(xié)處理器，主要完成系統(tǒng)的組合邏輯、外設(shè)地址譯碼、數(shù)據(jù)輸入輸出緩沖鎖存、TTL /CMOS 電平信號(hào)兼容匹配等工作。

系統(tǒng)硬件架構(gòu)框圖

圖2 系統(tǒng)硬件架構(gòu)框圖.

該系統(tǒng)每半個(gè)工頻采樣128 點(diǎn)，然后送均方根模塊進(jìn)行計(jì)算，得到一個(gè)電壓均方根值，在將所得的值暫存內(nèi)部SRAM，連續(xù)采樣2. 56 s，得到一組256 Byte 的電壓均方根值，送到FFT 計(jì)算模塊進(jìn)行FFT 變換，對(duì)變換后的結(jié)果進(jìn)行修正，將修正后的結(jié)果保存在外部的Flash 中。

連續(xù)變換一段時(shí)間后( 如10 min)，根據(jù)式(4)計(jì)算出電壓均方根值序列劃分Ui(n) 對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)閃變值Pi，然后再根據(jù)式(5) ～ (7)依次計(jì)算短時(shí)間閃變值Pst和長(zhǎng)時(shí)間閃變值Ph。[!--empirenews.page--]

3. 2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件編程需完成的任務(wù)是正確控制A/D采樣并對(duì)采樣結(jié)果進(jìn)行FFT 變換，計(jì)算各頻率對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)閃變值以及短時(shí)間閃變值和長(zhǎng)時(shí)間閃變值，并把參數(shù)正確地顯示在LCD 上，統(tǒng)計(jì)參數(shù)并保存數(shù)據(jù)。系統(tǒng)軟件流程圖如圖3 所示。

軟件流程圖

圖3 軟件流程圖.

系統(tǒng)在軟件設(shè)計(jì)時(shí)采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，給定各個(gè)模塊的狀態(tài)標(biāo)志，當(dāng)狀態(tài)標(biāo)志滿足條件時(shí)，調(diào)用相應(yīng)的模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，程序結(jié)構(gòu)清晰，便于系統(tǒng)擴(kuò)展。其中快速FFT 是系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)的核心，該程序設(shè)計(jì)的好壞直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的性能。本文使用了TI 公司專門針對(duì)2 000系列DSP 而設(shè)計(jì)的FFT 庫模塊，該模塊帶有入口和出口參數(shù)，使用方便，具有很好的可移植性。整個(gè)程序在CCS2. 2 集成開發(fā)環(huán)境下完成，運(yùn)用匯編和C 語言混合編程實(shí)現(xiàn)基于DSP 的電壓閃變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

3. 3 測(cè)試結(jié)果

IEC 通過大量測(cè)試得到單位瞬時(shí)閃變值(P = 1)時(shí)正弦波動(dòng)電壓波動(dòng)值ΔUn%。系統(tǒng)在測(cè)試時(shí)，對(duì)于不同頻率的載波分別疊加標(biāo)準(zhǔn)的波動(dòng)電壓，作為閃變信號(hào)源。由于波動(dòng)電壓的波形、電壓波動(dòng)值和頻率固定，計(jì)算得到的Pst為一定值0. 714。

測(cè)試結(jié)果比較如表3 所示?？梢钥闯觯拚蟮玫降亩虝r(shí)間閃變值Pst更接近計(jì)算值?？梢?，文中提出的方法具有很好的性能。

表3 測(cè)試結(jié)果比較.

測(cè)試結(jié)果比較

4 結(jié)語

本文提出了一種基于TMS320F2812 的電壓閃變檢測(cè)系統(tǒng)的解決方案。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了電壓閃變信號(hào)的采集、FFT 運(yùn)算處理、短時(shí)間閃變值和長(zhǎng)時(shí)間閃變值的求取等。針對(duì)FFT 運(yùn)算過程中產(chǎn)生的頻譜泄露和幅值衰減采取了補(bǔ)償措施，提高了系統(tǒng)檢測(cè)的精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法精度高，速度快，充分發(fā)揮了DSP 的數(shù)據(jù)處理功能，應(yīng)用前景廣泛。