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

電能質量監(jiān)測簡介

電能質量監(jiān)測的目的

電能質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。電能質量監(jiān)測的目的包括：①實時更新測量和采集各種電能質量指標，以保證對電力系統運行工況的觀察、記錄和動態(tài)分析。②針對各種質量指標的特征，分層檢測電能質量問題，完成識別、提取和分析多種擾動信息，并擁有事故診斷能力，為制定改善電能質量的具體措施提供依據。③詳細了解電網安全、穩(wěn)定、優(yōu)質運行的技術經濟條件，綜合評價電能質量各項指標，優(yōu)化整個系統的監(jiān)測體系。④檢測和數據采集各種電能質量問題。⑤監(jiān)測電網的可靠性程序。⑥不斷提高電網的可靠性。⑦掌握電能質量問題產生的條件，以便于采取相關措施使可能造成的損失減到最小。⑧發(fā)現新的電能質量問題。

電能質量檢測的方法

對于不同的電能質量問題，其電能質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備到現場進行測試，測試后根據測定結果提出測量和分析報告。對普通干擾源的檢測，依據干擾的大小、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，全面了解并掌握電網的電能質量水平或干擾源的特性，根據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，依據電能質量監(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備有一定要求，尤其是當電網中檢測點較多、檢測信息需遠傳時，需建立一個檢測網絡系統。根據電能質量標準的規(guī)定和要求，連續(xù)檢測的檢測內容包括：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備（電弧爐、換流設備、電容器組濾波器等）接入電網前后對電網電能質量水平產生的影響，以決定其能否正式接入電網運行，對產生各種干擾的設備，若產生的干擾超出標準，則不允許該設備接入電網運行。

電能質量監(jiān)測裝置結構組成

電能質量監(jiān)測裝置的結構組成如圖1所示，它是一個包含數據采集和數據分析的功能系統。該裝置硬件結構簡單，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，經過去混疊濾波器以濾去信號的高頻成份，再通過信號調理電路，使信號電壓值滿足AD芯片的轉換要求；DSP控制AD采樣頻率，得到滿足要求的一組數字量，并利用離散算法獲得電能質量的各個參數；MSP430單片機讀取計算結果，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量監(jiān)測裝置的關鍵功能部分，本文將主要闡述信號采集模塊的設計。

圖1 電能質量監(jiān)測裝置結構組成圖

信號采集模塊設計

電壓、電流傳感器電路

根據實際應用需求，本裝置用于220V/380V，30A單相交流電電網的監(jiān)測，因此，本設計選用PT41D001型號的電壓互感器，其參數如下：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。

本設計選用CT53C902型號的電流互感器，其參數如下：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，由于該裝置應用于最大電流為30A的系統，電流互感器的輸出電流大約為0~10mA，考慮到后級信號調理電路要求，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。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，系統在進行信號處理之前，應采用低通濾波器來抑制大于的信號頻率。本設計采用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的工作頻率的關系為1:100。MAX291可由內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，需要經過由運算放大器組成的電壓信號調理電路轉變?yōu)閱螛O性信號后，才能夠送入AD芯片并轉換為數字量。雙極性信號轉變?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，經過參數整定后的電壓信號調理電路如圖5所示。

圖5 電壓信號調理電路圖

TLV2541轉換電路

根據系統工作要求，本設計的AD芯片選用TLV2541，TLV2541是一種高性能微型12位低功耗CMOS模數轉換器，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、串行時鐘SCLK和串行數據輸出SDO，提供了能與大多數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

信號采集模塊電源電路

在本設計中，MAX291濾波器和運算放大器都使用±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，其應用電路簡單，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電壓轉換芯片ICL7660提供，ICL7660電源電路如圖8所示，ICL7660只需要外接兩個電容，就能夠將+1.5V~+10V范圍內的正電壓轉換為-10V~-1.5V的負電壓。

圖7 LM1117-5電源電路圖

圖8 ICL7660電源電路圖

DSP信號處理模塊設計

DSP信號處理模塊用于與AD芯片進行通信，控制AD采樣頻率，并對所得到的數據進行運算處理，再把運算結果通過HPI接口傳送給MSP430單片機。根據系統要求，DSP信號處理模塊選用TMS320VC5410A處理器。

TMS320VC5410A處理器是一種改進哈佛架構的定點數字信號處理器，擁有并行的算術邏輯、專用硬件邏輯單元、片上存儲器以及其他的片上外設；具有1條程序空間總線和3條數據空間總線；它允許同時存取程序指令和數據，兩個讀操作和一個寫操作也能在單周期內執(zhí)行，極大地提高了DSP的運行速度。數據能在程序空間和數據空間之間進行傳輸，這種并行方式使得DSP在一個周期內能夠執(zhí)行一系列的邏輯、算術和位操作指令。而且，TMS320VC5410A還擁有管理中斷、重復操作和函數調等功能的控制機制。本文中，TMS320VC5410A的片上外設用到了多通道緩沖串口（McBSP）和主機接口（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備的全雙工、雙向的通信，如串行模數轉換器等，McBSP由一個數據通道和一個控制通道組成，它們通過7個引腳與外部器件相連接。數據通過數據發(fā)送引腳DX和接收引腳DR與連接到McBSP的器件進行通信；控制信息以時鐘和幀同步信號的形式通過CLKX、CLKR、FSX和FSR來傳送。C5410A可以通過16位寬的控制寄存器與McBSP通信。本文中，緩沖串口McBSP用來與AD芯片TLV2541通信，采集AD轉換后的數值，接口連接如圖6所示，CLKX/R引腳與TLV2541的SCLK引腳相連接，為AD提供時鐘；FSX/R引腳與TLV2541的 引腳相連接，由幀同步信號來控制采樣頻率；DR引腳與TLV2541的SDO引腳相連接，接收串行數據。最后串行數據讀入寄存器，CPU通過指令從寄存器取出數據，存入自定數組。

主機是接口的控制者，通過專用的地址、數據寄存器和HPI控制寄存器與HPI通信。增強型主機接口HIP-8的功能是使主處理器可以訪問C5410A的片內存儲器。本文選用MSP430單片機作為主機，通過HPI-8接口訪問DSP內存，讀取DSP運算后的結果。DSP與MSP430單片機的通信握手通過HPI中斷來實現。

TMS320VC5410A處理器的供電分為I/O的3.3V供電和給內核的1.5V~1.6V供電。本設計采用TPS767D301電源芯片供電，它是TI公司專門為DSP系統設計的電源芯片，具有雙路輸出、低壓降、穩(wěn)壓的特點；它能提供兩路電壓輸出，即固定的3.3V電壓和1.2V~5.5V的可調電壓；電源芯片的輸入電壓范圍為-0.3V~13.5V。

MSP430單片機控制模塊設計

MSP430單片機控制模塊是整個監(jiān)測裝置的主機，用于與DSP通信，讀取DSP的運算結果，并把結果在液晶屏上顯示出來，其外圍配有實時實鐘、外部EEPROM和USB接口等功能器件。

MSP430系列單片機是一種超低功耗的16位工業(yè)級混合信號微處理器，它是德州儀器公司推出的。當實時時鐘處于工作狀態(tài)時，該系列單片機待機耗流量可低至0.8µA。根據系統工作要求，本文選用MSP430F2471單片機作為主機，該單片機具有如下特點：1.8V~3.6V工作電壓、片內帶有閃存、處理速度16MIP以及掉電復位；擁有6×8個I/O口、32KB片內FLASH存儲器和4KB片內RAM、一個16位Timer_A、一個16位Timer_B，四個通用串口USCI。這些片上資源極大地方便了單片機控制模塊的設計。下面簡要介紹液晶顯示、按鍵輸入和MSP430單片機控制模塊的電源電路設計。

①液晶顯示。本設計選用OCM12864-9圖形點陣液晶顯示模塊，該模塊采用3.3V供電，內部集成了液晶驅動芯片ST7920P，采用3根時序控制線和8位并行數據就能顯示128×64點陣的圖形和字符；它提供20個引腳與外部器件相連。

②按鍵輸入。通常，單片機的按鍵輸入有中斷式和掃描式兩種。由于MSP430F2471單片機具有強大的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計，即使用I/O口的中斷功能實現按鍵識別，只在有按鍵輸入時，CPU才會響應中斷并執(zhí)行程序，CPU資源消耗少。

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

結束語

目前，電能污染較嚴重，公用電網供電質量日益惡化，嚴重地威脅著電力系統的安全和穩(wěn)定運行，因此必須提高電能質量，確保用電設備安全穩(wěn)定運行。實時在線電能質量監(jiān)測是保證電網安全運行的重要措施，本文基于TMS320C5410A芯片設計了一款電能質量監(jiān)測裝置。首先對電能質量監(jiān)測進行了概述，然后給出了電能質量監(jiān)測裝置的結構組成，最后對該裝置的各組成模塊設計進行了詳細闡述。