電能是一種重要能源，被人們廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域，其應(yīng)用程度能反映一個(gè)國(guó)家或地區(qū)的綜合國(guó)力和發(fā)展水平。提高對(duì)電能質(zhì)量的要求是一個(gè)國(guó)家工業(yè)生產(chǎn)發(fā)達(dá)、科技水平提高的表現(xiàn)，是信息社會(huì)發(fā)展的必然結(jié)果，是增強(qiáng)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(fù)載類(lèi)型的增加，電能質(zhì)量問(wèn)題變得日趨突出和復(fù)雜，嚴(yán)重地威脅著電力系統(tǒng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，因此，為了保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行、提高對(duì)電能的綜合管理水平、為用戶(hù)提供優(yōu)質(zhì)的電能，必須對(duì)影響電能質(zhì)量的諸多因素進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)在線電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)成為保證電網(wǎng)安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要措施之一。本文基于TMS320C5410A芯片設(shè)計(jì)一款電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置。

電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)簡(jiǎn)介

電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)的目的

電能質(zhì)量檢測(cè)分為短時(shí)間的一次性檢測(cè)、短時(shí)間的定時(shí)或不定時(shí)的周期性檢測(cè)以及長(zhǎng)時(shí)間或較長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)檢測(cè)，其中，長(zhǎng)時(shí)間或較長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)檢測(cè)稱(chēng)為實(shí)時(shí)檢測(cè)或監(jiān)測(cè)。電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)的目的包括：①實(shí)時(shí)更新測(cè)量和采集各種電能質(zhì)量指標(biāo)，以保證對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行工況的觀察、記錄和動(dòng)態(tài)分析。②針對(duì)各種質(zhì)量指標(biāo)的特征，分層檢測(cè)電能質(zhì)量問(wèn)題，完成識(shí)別、提取和分析多種擾動(dòng)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(xì)了解電網(wǎng)安全、穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)運(yùn)行的技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件，綜合評(píng)價(jià)電能質(zhì)量各項(xiàng)指標(biāo)，優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)體系。④檢測(cè)和數(shù)據(jù)采集各種電能質(zhì)量問(wèn)題。⑤監(jiān)測(cè)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(wèn)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(wèn)題。

電能質(zhì)量檢測(cè)的方法

對(duì)于不同的電能質(zhì)量問(wèn)題，其電能質(zhì)量檢測(cè)方法和要求也不盡相同。按照對(duì)檢測(cè)對(duì)象是否進(jìn)行連續(xù)檢測(cè)，電能質(zhì)量檢測(cè)方法可劃分為定期或不定期檢測(cè)、連續(xù)檢測(cè)以及專(zhuān)項(xiàng)檢測(cè)三種方法。

①定期或不定期檢測(cè)。定期或不定期檢測(cè)通常采用專(zhuān)門(mén)儀器設(shè)備到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試后根據(jù)測(cè)定結(jié)果提出測(cè)量和分析報(bào)告。對(duì)普通干擾源的檢測(cè)，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(cè)方法進(jìn)行檢測(cè)，普查測(cè)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(cè)指標(biāo)和檢測(cè)點(diǎn)，對(duì)于一些特殊情況，依據(jù)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)的需要也可采用不定期檢測(cè)的方法。

②連續(xù)檢測(cè)。連續(xù)檢測(cè)也稱(chēng)在線檢測(cè)，連續(xù)檢測(cè)對(duì)所用的檢測(cè)設(shè)備有一定要求，尤其是當(dāng)電網(wǎng)中檢測(cè)點(diǎn)較多、檢測(cè)信息需遠(yuǎn)傳時(shí)，需建立一個(gè)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。根據(jù)電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定和要求，連續(xù)檢測(cè)的檢測(cè)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(biāo)（大型電弧爐引起的電壓波動(dòng)、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(zhuān)項(xiàng)檢測(cè)。專(zhuān)項(xiàng)檢測(cè)是指測(cè)量與比較各種干擾負(fù)荷或補(bǔ)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(duì)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(yùn)行，對(duì)產(chǎn)生各種干擾的設(shè)備，若產(chǎn)生的干擾超出標(biāo)準(zhǔn)，則不允許該設(shè)備接入電網(wǎng)運(yùn)行。

電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置結(jié)構(gòu)組成

電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)組成如圖1所示，它是一個(gè)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(jiǎn)單，分為信號(hào)采集模塊、DSP信號(hào)處理模塊和MSP430單片機(jī)控制模塊，其工作原理是：傳感器采集模擬信號(hào)（電壓和電流）進(jìn)入系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)去混疊濾波器以濾去信號(hào)的高頻成份，再通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路，使信號(hào)電壓值滿(mǎn)足AD芯片的轉(zhuǎn)換要求；DSP控制AD采樣頻率，得到滿(mǎn)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(gè)參數(shù)；MSP430單片機(jī)讀取計(jì)算結(jié)果，并顯示在液晶屏上，它可以與上位機(jī)進(jìn)行USB通信。信號(hào)采集模塊是電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置的關(guān)鍵功能部分，本文將主要闡述信號(hào)采集模塊的設(shè)計(jì)。

圖1 電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置結(jié)構(gòu)組成圖

信號(hào)采集模塊設(shè)計(jì)

電壓、電流傳感器電路

根據(jù)實(shí)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(cè)，因此，本設(shè)計(jì)選用PT41D001型號(hào)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(fù)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(hào)，負(fù)載需接高電阻，在電路上可以直接把互感器輸出接到后級(jí)運(yùn)算放大器上。對(duì)于220V系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)電路，電壓互感器的輸出電壓范圍為-1.5V~1.5V。

本設(shè)計(jì)選用CT53C902型號(hào)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(fù)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(hào)，負(fù)載需接電流采樣電阻，并且對(duì)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(jí)信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，幅值范圍為-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(hào)最大頻率的2倍，即，則可避免頻率混疊效應(yīng)。實(shí)際上，信號(hào)譜并不是矩形截止的，而且采樣的時(shí)域有限，不可能采集無(wú)限長(zhǎng)時(shí)間的信號(hào)，因而存在高頻分量。因此，系統(tǒng)在進(jìn)行信號(hào)處理之前，應(yīng)采用低通濾波器來(lái)抑制大于的信號(hào)頻率。本設(shè)計(jì)采用MAX291濾波器來(lái)進(jìn)行濾波，MAX291濾波器電路如圖4所示。MAX291是一種開(kāi)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(shí)鐘和外部輸入時(shí)鐘方式提供工作頻率，本文采用內(nèi)部振蕩時(shí)鐘方式，只需在CLK引腳對(duì)地間連一個(gè)外接電容即可。

圖4 MAX291濾波器電路圖

電壓信號(hào)調(diào)理電路

由電壓互感器和電流互感器變換出來(lái)的雙極性電壓信號(hào)，需要經(jīng)過(guò)由運(yùn)算放大器組成的電壓信號(hào)調(diào)理電路轉(zhuǎn)變?yōu)閱螛O性信號(hào)后，才能夠送入AD芯片并轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。雙極性信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閱螛O性信號(hào)實(shí)際是一個(gè)電位線性平移電路，主要由加法器和比例器組成，經(jīng)過(guò)參數(shù)整定后的電壓信號(hào)調(diào)理電路如圖5所示。

圖5 電壓信號(hào)調(diào)理電路圖

TLV2541轉(zhuǎn)換電路

根據(jù)系統(tǒng)工作要求，本設(shè)計(jì)的AD芯片選用TLV2541，TLV2541是一種高性能微型12位低功耗CMOS模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它使用寬電源供電，工作電壓范圍是2.7V~5.5V；器件具有片選CS、串行時(shí)鐘SCLK和串行數(shù)據(jù)輸出SDO，提供了能與大多數(shù)串口微處理器直接相連接的3線SPI接口；能夠維持非常低的功耗。TLV2541有SPI和DSP兩種工作方式，在本文中，由于TLV2541直接與DSP相連，由DSP控制AD芯片采樣，因此在此采用DSP工作方式，TLV2541芯片與DSP處理器連接如圖6所示。

圖6 TLV2541芯片與DSP處理器連接圖

信號(hào)采集模塊電源電路

在本設(shè)計(jì)中，MAX291濾波器和運(yùn)算放大器都使用±5V的雙極性電源。5V電源可由電源LM1117-5提供，LM1117是一種三端線性穩(wěn)壓電源，其應(yīng)用電路簡(jiǎn)單，只需要在輸入輸出端加上濾波電容和旁路電容就可以得到穩(wěn)定的輸出，LM1117-5電源電路如圖7所示。-5V電源則由CMOS電壓轉(zhuǎn)換芯片ICL7660提供，ICL7660電源電路如圖8所示，ICL7660只需要外接兩個(gè)電容，就能夠?qū)?1.5V~+10V范圍內(nèi)的正電壓轉(zhuǎn)換為-10V~-1.5V的負(fù)電壓。

圖7 LM1117-5電源電路圖

圖8 ICL7660電源電路圖

DSP信號(hào)處理模塊設(shè)計(jì)

DSP信號(hào)處理模塊用于與AD芯片進(jìn)行通信，控制AD采樣頻率，并對(duì)所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理，再把運(yùn)算結(jié)果通過(guò)HPI接口傳送給MSP430單片機(jī)。根據(jù)系統(tǒng)要求，DSP信號(hào)處理模塊選用TMS320VC5410A處理器。

TMS320VC5410A處理器是一種改進(jìn)哈佛架構(gòu)的定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器，擁有并行的算術(shù)邏輯、專(zhuān)用硬件邏輯單元、片上存儲(chǔ)器以及其他的片上外設(shè)；具有1條程序空間總線和3條數(shù)據(jù)空間總線；它允許同時(shí)存取程序指令和數(shù)據(jù)，兩個(gè)讀操作和一個(gè)寫(xiě)操作也能在單周期內(nèi)執(zhí)行，極大地提高了DSP的運(yùn)行速度。數(shù)據(jù)能在程序空間和數(shù)據(jù)空間之間進(jìn)行傳輸，這種并行方式使得DSP在一個(gè)周期內(nèi)能夠執(zhí)行一系列的邏輯、算術(shù)和位操作指令。而且，TMS320VC5410A還擁有管理中斷、重復(fù)操作和函數(shù)調(diào)等功能的控制機(jī)制。本文中，TMS320VC5410A的片上外設(shè)用到了多通道緩沖串口（McBSP）和主機(jī)接口（HPI-8），McBSP用于AD采樣控制，HPI用于與MSP430的通信控制。

McBSP提供了與一些串行設(shè)備的全雙工、雙向的通信，如串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器等，McBSP由一個(gè)數(shù)據(jù)通道和一個(gè)控制通道組成，它們通過(guò)7個(gè)引腳與外部器件相連接。數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)發(fā)送引腳DX和接收引腳DR與連接到McBSP的器件進(jìn)行通信；控制信息以時(shí)鐘和幀同步信號(hào)的形式通過(guò)CLKX、CLKR、FSX和FSR來(lái)傳送。C5410A可以通過(guò)16位寬的控制寄存器與McBSP通信。本文中，緩沖串口McBSP用來(lái)與AD芯片TLV2541通信，采集AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)值，接口連接如圖6所示，CLKX/R引腳與TLV2541的SCLK引腳相連接，為AD提供時(shí)鐘；FSX/R引腳與TLV2541的 引腳相連接，由幀同步信號(hào)來(lái)控制采樣頻率；DR引腳與TLV2541的SDO引腳相連接，接收串行數(shù)據(jù)。最后串行數(shù)據(jù)讀入寄存器，CPU通過(guò)指令從寄存器取出數(shù)據(jù)，存入自定數(shù)組。

主機(jī)是接口的控制者，通過(guò)專(zhuān)用的地址、數(shù)據(jù)寄存器和HPI控制寄存器與HPI通信。增強(qiáng)型主機(jī)接口HIP-8的功能是使主處理器可以訪問(wèn)C5410A的片內(nèi)存儲(chǔ)器。本文選用MSP430單片機(jī)作為主機(jī)，通過(guò)HPI-8接口訪問(wèn)DSP內(nèi)存，讀取DSP運(yùn)算后的結(jié)果。DSP與MSP430單片機(jī)的通信握手通過(guò)HPI中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)。

TMS320VC5410A處理器的供電分為I/O的3.3V供電和給內(nèi)核的1.5V~1.6V供電。本設(shè)計(jì)采用TPS767D301電源芯片供電，它是TI公司專(zhuān)門(mén)為DSP系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電源芯片，具有雙路輸出、低壓降、穩(wěn)壓的特點(diǎn)；它能提供兩路電壓輸出，即固定的3.3V電壓和1.2V~5.5V的可調(diào)電壓；電源芯片的輸入電壓范圍為-0.3V~13.5V。

MSP430單片機(jī)控制模塊設(shè)計(jì)

MSP430單片機(jī)控制模塊是整個(gè)監(jiān)測(cè)裝置的主機(jī)，用于與DSP通信，讀取DSP的運(yùn)算結(jié)果，并把結(jié)果在液晶屏上顯示出來(lái)，其外圍配有實(shí)時(shí)實(shí)鐘、外部EEPROM和USB接口等功能器件。

MSP430系列單片機(jī)是一種超低功耗的16位工業(yè)級(jí)混合信號(hào)微處理器，它是德州儀器公司推出的。當(dāng)實(shí)時(shí)時(shí)鐘處于工作狀態(tài)時(shí)，該系列單片機(jī)待機(jī)耗流量可低至0.8µA。根據(jù)系統(tǒng)工作要求，本文選用MSP430F2471單片機(jī)作為主機(jī)，該單片機(jī)具有如下特點(diǎn)：1.8V~3.6V工作電壓、片內(nèi)帶有閃存、處理速度16MIP以及掉電復(fù)位；擁有6×8個(gè)I/O口、32KB片內(nèi)FLASH存儲(chǔ)器和4KB片內(nèi)RAM、一個(gè)16位Timer_A、一個(gè)16位Timer_B，四個(gè)通用串口USCI。這些片上資源極大地方便了單片機(jī)控制模塊的設(shè)計(jì)。下面簡(jiǎn)要介紹液晶顯示、按鍵輸入和MSP430單片機(jī)控制模塊的電源電路設(shè)計(jì)。

①液晶顯示。本設(shè)計(jì)選用OCM12864-9圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊，該模塊采用3.3V供電，內(nèi)部集成了液晶驅(qū)動(dòng)芯片ST7920P，采用3根時(shí)序控制線和8位并行數(shù)據(jù)就能顯示128×64點(diǎn)陣的圖形和字符；它提供20個(gè)引腳與外部器件相連。

②按鍵輸入。通常，單片機(jī)的按鍵輸入有中斷式和掃描式兩種。由于MSP430F2471單片機(jī)具有強(qiáng)大的I/O資源，P1、P2口均是帶有中斷功能的I/O，因此，本文采用中斷式按鍵設(shè)計(jì)，即使用I/O口的中斷功能實(shí)現(xiàn)按鍵識(shí)別，只在有按鍵輸入時(shí)，CPU才會(huì)響應(yīng)中斷并執(zhí)行程序，CPU資源消耗少。

③MSP430單片機(jī)控制模塊的電源電路。在單片機(jī)控制模塊中，MSP430單片機(jī)、實(shí)時(shí)實(shí)鐘以及EEPROM都采用3.3V電源供電；而在DSP信號(hào)處理模塊中，TPS767D301電源提供3.3V電壓，并且最大電流為1A，足夠支持DSP信號(hào)處理模塊和MSP430單片機(jī)控制模塊的功耗，在此也由TPS767D301電源給MSP430單片機(jī)控制模塊供電。

結(jié)束語(yǔ)

目前，電能污染較嚴(yán)重，公用電網(wǎng)供電質(zhì)量日益惡化，嚴(yán)重地威脅著電力系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定運(yùn)行，因此必須提高電能質(zhì)量，確保用電設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行。實(shí)時(shí)在線電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)是保證電網(wǎng)安全運(yùn)行的重要措施，本文基于TMS320C5410A芯片設(shè)計(jì)了一款電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置。首先對(duì)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)進(jìn)行了概述，然后給出了電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)組成，最后對(duì)該裝置的各組成模塊設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)闡述。