TMS320C5410A在電能質(zhì)量監(jiān)測裝置設(shè)計中的應(yīng)用

電能是一種重要能源，被人們廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代社會的各個領(lǐng)域，其應(yīng)用程度能反映一個國家或地區(qū)的綜合國力和發(fā)展水平。提高對電能質(zhì)量的要求是一個國家工業(yè)生產(chǎn)發(fā)達、科技水平提高的表現(xiàn)，是信息社會發(fā)展的必然結(jié)果，是增強用電效率、節(jié)能降損、改善電氣環(huán)境以及工業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展的技術(shù)保證。隨著電氣化程度的提高和負載類型的增加，電能質(zhì)量問題變得日趨突出和復(fù)雜，嚴重地威脅著電力系統(tǒng)的安全經(jīng)濟運行，因此，為了保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行、提高對電能的綜合管理水平、為用戶提供優(yōu)質(zhì)的電能，必須對影響電能質(zhì)量的諸多因素進行監(jiān)測，實時在線電能質(zhì)量監(jiān)測成為保證電網(wǎng)安全、經(jīng)濟運行的重要措施之一。本文基于TMS320C5410A芯片設(shè)計一款電能質(zhì)量監(jiān)測裝置。

電能質(zhì)量監(jiān)測簡介

電能質(zhì)量監(jiān)測的目的

電能質(zhì)量檢測分為短時間的一次性檢測、短時間的定時或不定時的周期性檢測以及長時間或較長時間的連續(xù)檢測，其中，長時間或較長時間的連續(xù)檢測稱為實時檢測或監(jiān)測。電能質(zhì)量監(jiān)測的目的包括：①實時更新測量和采集各種電能質(zhì)量指標，以保證對電力系統(tǒng)運行工況的觀察、記錄和動態(tài)分析。②針對各種質(zhì)量指標的特征，分層檢測電能質(zhì)量問題，完成識別、提取和分析多種擾動信息，并擁有事故診斷能力，為制定改善電能質(zhì)量的具體措施提供依據(jù)。③詳細了解電網(wǎng)安全、穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)運行的技術(shù)經(jīng)濟條件，綜合評價電能質(zhì)量各項指標，優(yōu)化整個系統(tǒng)的監(jiān)測體系。④檢測和數(shù)據(jù)采集各種電能質(zhì)量問題。⑤監(jiān)測電網(wǎng)的可靠性程序。⑥不斷提高電網(wǎng)的可靠性。⑦掌握電能質(zhì)量問題產(chǎn)生的條件，以便于采取相關(guān)措施使可能造成的損失減到最小。⑧發(fā)現(xiàn)新的電能質(zhì)量問題。

電能質(zhì)量檢測的方法

對于不同的電能質(zhì)量問題，其電能質(zhì)量檢測方法和要求也不盡相同。按照對檢測對象是否進行連續(xù)檢測，電能質(zhì)量檢測方法可劃分為定期或不定期檢測、連續(xù)檢測以及專項檢測三種方法。

①定期或不定期檢測。定期或不定期檢測通常采用專門儀器設(shè)備到現(xiàn)場進行測試，測試后根據(jù)測定結(jié)果提出測量和分析報告。對普通干擾源的檢測，依據(jù)干擾的大小、危害程度以及需要等，選擇采用定期或不定期檢測方法進行檢測，普查測試電網(wǎng)，全面了解并掌握電網(wǎng)的電能質(zhì)量水平或干擾源的特性，根據(jù)普查需要確定定期普查的檢測指標和檢測點，對于一些特殊情況，依據(jù)電能質(zhì)量監(jiān)測的需要也可采用不定期檢測的方法。

②連續(xù)檢測。連續(xù)檢測也稱在線檢測，連續(xù)檢測對所用的檢測設(shè)備有一定要求，尤其是當電網(wǎng)中檢測點較多、檢測信息需遠傳時，需建立一個檢測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。根據(jù)電能質(zhì)量標準的規(guī)定和要求，連續(xù)檢測的檢測內(nèi)容包括：大型干擾源，頻率偏差和電壓偏差，危害較大或者容易引起事故的電能質(zhì)量指標（大型電弧爐引起的電壓波動、大型電容器組的諧波電流、易受干擾的大型設(shè)備的諧波電流等）。

③專項檢測。專項檢測是指測量與比較各種干擾負荷或補償設(shè)備（電弧爐、換流設(shè)備、電容器組濾波器等）接入電網(wǎng)前后對電網(wǎng)電能質(zhì)量水平產(chǎn)生的影響，以決定其能否正式接入電網(wǎng)運行，對產(chǎn)生各種干擾的設(shè)備，若產(chǎn)生的干擾超出標準，則不允許該設(shè)備接入電網(wǎng)運行。

電能質(zhì)量監(jiān)測裝置結(jié)構(gòu)組成

電能質(zhì)量監(jiān)測裝置的結(jié)構(gòu)組成如圖1所示，它是一個包含數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析的功能系統(tǒng)。該裝置硬件結(jié)構(gòu)簡單，分為信號采集模塊、DSP信號處理模塊和MSP430單片機控制模塊，其工作原理是：傳感器采集模擬信號（電壓和電流）進入系統(tǒng)，經(jīng)過去混疊濾波器以濾去信號的高頻成份，再通過信號調(diào)理電路，使信號電壓值滿足AD芯片的轉(zhuǎn)換要求；DSP控制AD采樣頻率，得到滿足要求的一組數(shù)字量，并利用離散算法獲得電能質(zhì)量的各個參數(shù)；MSP430單片機讀取計算結(jié)果，并顯示在液晶屏上，它可以與上位機進行USB通信。信號采集模塊是電能質(zhì)量監(jiān)測裝置的關(guān)鍵功能部分，本文將主要闡述信號采集模塊的設(shè)計。

圖1 電能質(zhì)量監(jiān)測裝置結(jié)構(gòu)組成圖

信號采集模塊設(shè)計

電壓、電流傳感器電路

根據(jù)實際應(yīng)用需求，本裝置用于220V/380V，30A單相交流電電網(wǎng)的監(jiān)測，因此，本設(shè)計選用PT41D001型號的電壓互感器，其參數(shù)如下：線性誤差為0.08%，工頻相差為35’，負載條件為1MΩ，變比為200V/1V，頻率響應(yīng)為25Hz~5kHz。電壓互感器電路連接如圖2所示，互感器輸出為電壓信號，負載需接高電阻，在電路上可以直接把互感器輸出接到后級運算放大器上。對于220V系統(tǒng)的監(jiān)測電路，電壓互感器的輸出電壓范圍為-1.5V~1.5V。

本設(shè)計選用CT53C902型號的電流互感器，其參數(shù)如下：線性誤差為0.08%，工頻相差為10’，負載條件為≤3V，變比為30A/10mA，頻率響應(yīng)為25Hz~5kHz。電流互感器電路連接如圖3所示，互感器輸出為電流信號，負載需接電流采樣電阻，并且對輸出電壓有≤3V的要求，由于該裝置應(yīng)用于最大電流為30A的系統(tǒng)，電流互感器的輸出電流大約為0~10mA，考慮到后級信號調(diào)理電路要求，在此選用100Ω精密電阻作為采樣電阻，使電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘枺捣秶鸀?1.4V~+1.4V。

圖2 電壓互感器電路連接圖

圖3 電流互感器電路連接圖

MAX291濾波電路

依據(jù)抽樣定律，理論上，若采樣頻率大于信號最大頻率的2倍，即，則可避免頻率混疊效應(yīng)。實際上，信號譜并不是矩形截止的，而且采樣的時域有限，不可能采集無限長時間的信號，因而存在高頻分量。因此，系統(tǒng)在進行信號處理之前，應(yīng)采用低通濾波器來抑制大于的信號頻率。本設(shè)計采用MAX291濾波器來進行濾波，MAX291濾波器電路如圖4所示。MAX291是一種開關(guān)電容式有源低通濾波器，其3dB截止頻率可在0.1kHz~25kHz之間選擇，而且3dB截止頻率與MAX291的工作頻率的關(guān)系為1:100。MAX291可由內(nèi)部振蕩時鐘和外部輸入時鐘方式提供工作頻率，本文采用內(nèi)部振蕩時鐘方式，只需在CLK引腳對地間連一個外接電容即可。

圖4 MAX291濾波器電路圖

電壓信號調(diào)理電路

由電壓互感器和電流互感器變換出來的雙極性電壓信號，需要經(jīng)過由運算放大器組成的電壓信號調(diào)理電路轉(zhuǎn)變?yōu)閱螛O性信號后，才能夠送入AD芯片并轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。雙極性信號轉(zhuǎn)變?yōu)閱螛O性信號實際是一個電位線性平移電路，主要由加法器和比例器組成，經(jīng)過參數(shù)整定后的電壓信號調(diào)理電路如圖5所示。

圖5 電壓信號調(diào)理電路圖