电力系统谐波检测和分析系统的设计

微型计算机应用大作业

名称：220/380V 50Hz的电力系统谐

波检测和分析系统的设计

姓名：*** 学号：*******

220/380V 50Hz的电力系统谐波检测和分析系统的设计

摘要：近年来，随着直流输电和柔性交流输电技术的采用，电气化铁道的快速发展，化工、冶金、煤炭等工业部门中电力电子设备的大量应用等，使得电网的谐波含量大大增加，电网波形畸变越来越严重，对电力系统的安全、经济运行造成极大的影响。谐波测量是谐波问题研究的主要依据，实时测量电网中的谐波含量，确切掌握电网中谐波的实际状况，对于防止谐波危害，保障电网的安全运行是十分必要的。本设计在简要分析相关谐波标准和谐波测量技术现状后，选择了基于TMS320F2812实现谐波检测的方案，主要完成了数据采集和分析工作。

关键词:谐波分析;TMS320F28I2，数据采集和分析

设计要求：

1. 设计硬件电路: 单片机（51或DSP等）采样率1kHz/通道，8通道，不小于10位精度. 2. 设计软件流程,至少包括: 1) 初始化主程序;

2) 数据预处理子程序: 对每一个通道都连续采集6次,进行数据滤波;

3) 数据分析子程序: 对每个通道的数据进行进行傅立叶分析(虚拟调一个傅立叶分析子程序,该子程序模块内容空);

4) 串行通讯子程序: 每次采完8个通道的数据后，发出一次中断请求，通过串行通讯总线,把数据送到主机。

第一章：前言

1.1 什么是电力谐波、电力谐波的危害

发电厂发出交流电的频率是50赫兹，波形是正弦波。通常称工频。波形图如下：

图1.1 正常电压电流波形——正弦波

在电力系统方面，谐波是指多少倍于工频频率的波形，简称“次”，是指从2次到30次

范围，如5次谐波电压（电流）的频率是250赫兹，7次谐波电压（电流）的频率是350赫兹；超过13次的谐波称高次谐波。

图1.2 含谐波的电压波形 图1.3含谐波的电流波形

从图二看出电压波形有开口，电流波形是方波，与图一所示波形有很大的差别。

电力谐波对电力网（包括用户）危害是十分严重的，它是一种电力污染，一种人们（用五官直接感受而不通过仪器）看不见、嗅不到、摸不着的污染。所以往往不被人们注意。 ★ 谐波对电力系统产生的危害主要有以下几点： 1、对电力设备的危害

（1）加速电力变压器绝缘老化，缩短变压器使用寿命。

（2）使开关（断路器）过载，造成经常性跳闸。由于谐波电流在导体表面流动，引起导体发热，降低了开关的实际容量所致。

（3）使无功补偿设备部件损坏，无法进行无功补偿，加大线路损失，降低变压器额定容量。

2、对变电所的继电保护产生干扰，易造成保护误动作，导致区域性停电事故。 3、干扰通讯，影响通讯网络。通讯系统使用大量计算机容易受谐波干扰。 4、对精密设备及家用电器产生危害，如空调、微波炉、电视等。

因此，谐波问题一直是主要的电能质量问题。目前电网谐波与电磁干扰、功率因数降低己并列为电力系统的三大公害。

电力系统的谐波问题在世界范围内得到了十分广泛的关注，谐波的管理、检测和治理等被摆到了十分重要的位置。谐波问题涉及面广，它包括谐波分析、谐波测量、谐波抑制等。谐波测量是谐波问题管理的主要依据，实测电网谐波的干扰和分布状况，已成为保证电网安全经济运行、高质量供电必不可少的措施之一，而谐波测量数据的获得必须借助于有效的测量仪器。

近年来，发达国家在研制和使用谐波分析仪器方面发展迅速，仪器的性能先进，测量功能齐全，适用范围广，且耐用可靠，但价格昂贵。相比之下国内测量仪器价格较低，但其质量、精度、可靠性方面有很大的差距，主要适用于谐波测量方面，而在波形分析、采样窗口的选择、数据处理及结果输出等方面差距较大。为此，研制一种实用、便携、低成本、能可靠有效的测量配电网各次谐波幅值和相位、且功耗低、具备通讯功能、可以分布式安装的谐波检测装置，不仅有利于保证电力系统运行的安全性、经济性和可靠性，而且大大降低用户的投资，为电力部门提供准确可靠的资料数据。

1.2 电网谐波畸变指标及相关标准

谐波含有率(HR)：h次谐波分量的有效值(或幅值)与基波分量的有效值(或幅值)之比，用百分数表示，就是h次谐波含有率。

总谐波畸变率(THD)： 谐波电压、电流总量的有效值（各分量的平方和再开根）与基波分量的有效值之比，用百分数表示，就是电压和电流总谐波畸变率。

谐波国家标准：鉴于问题谐波越来越严重，国际电工委员会、国际大电网会议、国际供电会议及美国电气和电子工程师学会等国际性学术组织，都相继成立了专门的电力系统谐波工作组，制定了电力系统谐波的相关标准。

我国谐波标准GB/T 149-93《电能质量一公用电网谐波》是在总结执行DS 126-84《电力系统谐波管理暂行规定》的经验，结合国情，吸取国外谐波标准研究成果的基础上提出的。本标淮适用于交流额定频率为50Hz、标称电压110kV及以下的公用电网，不适用于暂态现象和短时间谐波。标准中规定公用电网谐波电压如表1-1所示。

第二章：系统的硬件实现

本文的硬件系统采用的是合众达公司的SEED-DEC2812评估板(其以TI公司的TMS320F281X为核心），本章对其做简要的介绍。系统设计框图如下：

外部电压信号 三相电压传感器 信号模拟滤波 A/D转化 数据存储 上位机 信号处理和分析

图2.1 系统设计框图

2.1 TMS320F281X简介

TMS320F281x是TI公司2002年推出的新一代应用于控制等领域的32位芯片，隶属于2000系列，是TI当前主推的主流芯片，用来替代以前的2xx和24x，且与24x系列兼容，但是性能得到了极大的提高，增加和改进了许多功能。其具有以下特点(功能框图见图2.1): 1)高性能静态CMOS技术，更低的功耗，3.3 V供电1.8V@135MHz；1.9V@150MHz的执行速度。

2)支持标准的JTAG边界扫描技术，符合IEEE1149.10 3)高性能32位CPU，支持:

.单周期完成1条32*32乘法或2条16*16乘法; .哈佛总线结构，单周期完成读一修改一写操作; .极快的中断响应和处理; .4M的程序/数据寻址空间:

.高效率程序设计(可应用C/C++和汇编语言)。

4)片上存储器(FLASH, OTP ROM, 8K* 16位SRAM可密码保护): .大容量128K* 16位FLASH/ROM; .1K*16位 OTP ROM; .18K* 16位SARAM;

.4K* 16位Boot ROM，软件引导模式。

5) F/C2812支持4M*16位外部存储空间，三个外部中断，外部中断扩展(PIE)支持45个外部中断。

6)事件管理器((2个:EVA+EVB):

6对互补的PWM十4个的PWM+死区控制: 6通道QEP } 4个通用目的定时器。

7)串行外围设备:

.串行外围接口(SPI);

.两个串行通信接口((SCI )，标准的DART; .增强的局域网络(eCAN);

.多通道缓冲串行接口(McBSP) o

8)三个32位的全局定时器。

9) A/D: 2*8通道、12位0-3 V量程。

10)最多有56个的可编程、多用途通用输入/输出(GPIO)引脚。

可见用TMS320F281X可以一下满足设计要求不小于10位A/D转换精度，用2000系列的其他芯片还要外置A/D转化电路。

2.2 传感器的选择

由于本系统做的是220/380V 50Hz的电力系统电压谐波检测和分析，所以这里我们选用三相电压传感器是深圳市柏特瑞电子有限公司3ACV-100A三相交流电压传感器

图2.2 此传感器的实物图 图2.3 此传感器的应用图

它属有源电压型模拟量传感器，专为机房动力、空调设备等交流电压测量设计；3ACV-100交流电压传感器的外壳阻燃、绝缘纤维，标准35mm导轨安装；输入、输出完全隔离，安全可靠；3ACV-100 的强电信号输入接线有明显的危险标志，方便安装；高精度，低功耗，高稳定性，高性价比。

技术参数：供电电源：12VDC

输入信号：三相四线交流电压，40~60Hz；

输出形式：输入线电压为0V时,输出电压 0VDC，输入线电压为550VAC时， 输出电压5VDC 输入阻抗：500K

精 度：<1%；

输入、输出隔离度：>2000V； 工作环境：-10 ~ 70°C，10~100%RH； 尺 寸： 98 x 56 x 42 mm； 重 量： 100g。

由它的技术指标可以看出，它满足于220/380V的电力系统中。

2.3 模拟滤波电路

图2.4 模拟滤波电路（2阶低通）

预处理电路只采用简单的二级RC滤波器进行粗略的一级滤波，滤除高于I00倍基波的高次谐波。Signal端输入的是从传感器传来的信号，VIN输出的信号（0-3V的电压信号）

进入A/D电路即接入TMS320F281X的A/D模拟通道，这里用了8个通道。

2.4 A/D转换电路

由于在PROTEL99和2004的库里面没有2812，自己画又没有达到那样的水平，所以这里用示意图代替PROTEL画图。

2.5 F2812的A/D模块框图

TMS320F2812片上有一个12位A/D转换器，前端为2个多路切换器和2路同时采样/保持器，共有16个模拟输入通道。模拟通道的切换由硬件自动控制，各模拟通道的转换结果顺序存入16个结果寄存器中。其模拟输入范围是0}3 V，在25MHz的A/D时钟下转换速率80ns，可以软件、EVA,EVB触发A/D转换。A/D模块框图如上图所示。

A/D序列发生器可以选择2个的8通道排序(SEQ1和SEQ2)模式或级联为1个16通道排序(SEQ)模式。每种模式中，A/D收到一个启动转换请求，就可以自动执行多个转换。通过多路模拟开关控制可选择任何一路转换通道进行转换，一个通道也可以被采样转换多次，转换后结果依次存在结果寄存器0一15。中断控制灵活，允许中断请求出现在每一序列结束或其它每一个序列结束。通过ADCTRL3控制寄存器对外设时钟HSPCLK进行分频确定A/D时钟(ADCTRL 1寄存器的CPS位可提供一个2分频)。

要注意的是，A/D完全上电后，需要等待20s，才能进行第一次A/D转换。

谐波分析共处理八路信号，采用序列采样模式，只用A组的八个采样通道，ADCINA0到ADCINA7接八路电压采样信号。采用EVA中定时器2的周期中断触发A/D采样，采样频率为1024Hz 在主频为150MHz时，高速片上外设时钟被分频器2分频后为75MHz，软件设定A/D时钟为3.75 MHz。由事件管理模块控制采样数据个数并进行数据处理。

2.5 SCI通信模块

SCI与CPU接口界面见下图，有两个外部引脚（SCITXD和SCIRXD），波特率可编程(最高达K );同时SCI通信中支持4个错误检测标志:极性、溢出、帧和中断溢出。数据格式为:

.一个起始位

.数据长度可通过编程在1}8位可选 .可选择偶、奇或无校验位

.一个或两个停止位

图2.6 SCI与CPU接口

SCI支持两种唤醒多处理器模式:空闲线多处理器模式和地址位多处理器模式。多处理器通信格式允许一个处理器在同一串行线上有效地向其它处理器发送数据块，但一条串行线上同时只能有一次传输。

基于谐波通信中有大量数据传送，所以采用了空闲线多处理器模式。在此模式下，块与块之间有一段空闲时间，这段时间比块中的帧间距要长。如果一帧之后有一段10个位或者更长的空闲时间，就表明是一个新块的开始。

第三章 软件实现流程图

3.1 初始化主程序

开 始 定义主向量表和子向量入口 设置状态寄存器的相应的位 设置时钟，关闭看门狗，开中断

3.2 A/D转换子程序

CALL A/D转换子程序 CALL 数字处理子程序 CALL SCI通信子程序 结 束

此子程序入口 EVA，ADC初使化 开 中 断 n =0 cheselq1 =1111F cheselq2 =2211F cheselq3 =2222F cheselq1=cheselq1+（2n）(2n)(2n)(2n)F cheselq2=cheselq2+（2n）(2n)(2n)(2n)F cheselq3=cheselq3+（2n）(2n)(2n)(2n)F EVA TIMER2周期中断触发ADC ADC采样变换 序列结束中断 数据存储 n = n+1 no n = 4 yes 返回

对上面流程图的一点解释，cheselqn寄存器里面是ADC的自动排序的通道，我们先对

通道1和2分别连续进行6次采样，然后第2轮循环时对通道3，4通道，第3轮对5，6，第4轮对7，8通道进行连续6次采样，这里的八个通道连在8个模拟滤波电路后面。

3.3 数据处理子程序

此子程序入口 m = 1 读取第n个通道的转化结果数组 FIR滤波 CALL FFT嵌套程序 m =m+1 NO m =9 YES 返回 这里我们自己定义一个数据暂时存储区，分为8个块，每个块了可以放置6个数据或更多，这样可以将同一通道的数据整齐放置以便以后分析处理时用到。

3.4 SCI通信子程序。

DSP发送流程图 PC接收流程图 开 始 相关状态位初始化以及设置波特率 开始 中断及串行口初始化以及设置波特率 Y Y 发送缓冲器否空 N 向PC发送数据包 接收缓冲器否空 N 接收DSP发送的数据Y 接收缓冲器否空 第四个字节是否为握手信号 Y N 接收PC机回传的数据包 N 提取传输的数据 N 第四个字节是否为握手信号 抛弃数据 N 校验码正确 Y 提取传输的数据 Y 存储并回传数据到DSP N 抛弃数据 结束 校验码正确 Y 结束

这里我们定义下通信协议中数据包的格式 特征码 0XFF 0XAA 0X55 握手信号 0XFF 字节数 Length 有效数据字节串 Data1 Data2 ......... DataN 效验和 CheckSum UART通信对噪音比较敏感，特别是脉冲边沿抖动。所以，为了确保UART能够正确上作，必须能够检测它的开始和结束字节。也就是说，需要一定的数据包格式，即使是使用一个UART端口，在这个数据包中的每一个字节也都要编成UART格式。因此在异

步串行通信中，收、发双力必须事先规定字符格式、采用的波特率，以及时钟频率和波特率的关系。

这此规定是通过初始化设置与串行通信有关的寄存器来实现的。本通信系统中，规定字符格式为:每一帧的数据10位，一位奇校验位，8位数据位，1位停止位。中间的8位数据位即为有效的通信传输字节。同时，为了增强通信的可靠性，减少通信的误码率，规定了通信双方收发数据包的协议上表所示。

特征码选用0XFF 0XAA 0X55这3字节为发送数据包的前导数据，这是因为这儿字节在传输噪声中同时出现的几率很小，特征码起到向接收方表明有数据发送过来的作用，通知接收方可以开始接收有效数据;字节数是数据包中除了字节数这一项之外，其他所有项字节的长度;有效数据字符串是通信发送方要传送的有效数据;校验和是数据包中除了校验和这一项之外所有项字节的无进位累加和，用于校验通信是否正确。

同时，在通信过程中约定了双方的软件握手方法。为了不使通信过于复杂，提高通信速度，可以直接将握手信号0XFF嵌入到数据包中。当检测到此位时，才提取有效的数据。数据回送是通知DSP重新发送数据（先前发送的数据有误）还是停止发送。

第四章 个人体会

通过本次大作业的实践，我对电力系统谐波检测和分析有了一定的了解。掌握了DSP2812的一些知识，以及相关软件的实现流程，为日后更深入地学习使用打下了基础。因为现在老板的项目是合成射流，所以这个作业是在参考相关资料的基础上完成的，硬件部分有很大的不足，没有能够用PROTL画出2812，是否还需要其他的外设，这一点还需要进一步的考虑。在上课学习的过程中，杨善水老师的学者风范，循循善诱的教学特点给我留下很深的印象。

参考资料

[1] 电力系统谐波-基本原理、分析方法和滤波器设计 北京 徐政译 机械工业出版社 2003 [2] TMS320F2812原理与开发 苏奎峰/ 吕强/ 耿庆锋 等 电子工业出版社 [3] .DSP 芯片的原理与开发应用 张雄伟 .电子工业出版社. 1997 [4] 城市电网谐波手册 张直平主编 北京 中国电力出版社2001

[5] 电力系统谐波分析的高精度FFT算法 张伏生，耿中行，葛耀中 中国电机工程学报

1999 19(3 ) 6366