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摘 要 本文提出一种电能自动检测系统的设计，使用DSP为控制核心，实现对三相电压、三相电流的基本测量，利用DSP的信号处理能力，使用FFT求解电网基波与谐波及其功率值，并通过RS232串口将数据实时上传至计算机。本文研制的系统经过多次试验，能够对电网电能检测与监控，实测数据可以存储，便于进一步的分析处理，为电力系统安全运行提供长期数据支持。
关键词 电能；自动检测；DSP
中图分类号：TM734 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）24-0008-02
良好的电能是电力设备正常运行的保障。电力电子交流装置与非线性设备的大量使用会对电网电能造成不可避免的电压电流的畸变。直接导致的后果如同雷电波冲击与电容器投切产生谐振一样，使得继电器装置因谐波产生误操作造成大面积停电从而导致经济损失，也会直接对电气设备造成损坏。因此，保证良好的电能质量，改善电能质量对电网的安全运行与国民经济总体效益都有着重要的现实意义。此外，电能自动检测技术也是测试技术的发展的重要分支。
1 系统总体设计
1）系统实现功能。
本文使用DSP芯片完成对三相电压、电流及功率的测量与计算机之间的通信。具体实现功能如下。
①对电网的电压、电流波形实时采集。
②使用DSP中的FFT算法实现对波形的谐波分析，计算
功率。
③使用RS232串口，实时上传数据，并通过串口，检测平台能够对电能自动检测系统的测试状态进行控制。
2）系统总体方案设计。
本文设计的电能自动检测系统分为AD采集、DSP信号处理与数据上传三个部分。电网电压与电流分别通过电压互感器与电流互感器接在各自的信号调理电路中，DSP通过对ADC芯片的时序控制完成对电压、电流的采样。采集的电压电流信号经过信号处理好，通过RS232串口实时上传至计算机中。其总体方案设计框图如图1所示。本系统的主处理芯片采用TI公司的TMS320LF2407A。
图1 系统总体方案框图
2 电能参数测量与计算方法
1）频率及相位差的测量。
频率的测量可以通过FFT变换计算得到，即用2次信号的基波相位差与时间比得到。
对于信号，假定参考频率为，信号的实际频率为，对于某一基波而言有：
若设，则有：，即。而可以用两次测量初相位角与与时间差比值求出，
即。因考虑使用FFT变换存在一定误差，可以使用多次测量求平均的方法[3]。
使用过零法测量相位差。如图2所示，A相电压，A相电流，电流滞后于电压。当信号与零点比较器相比，当信号高于零点时，输出信号为高电平，当信号低于零点时信号被置于低电平。这样可以比较另个波形中相互出现信号上升沿或下降沿判断之间的时间差。假设沿边时间差为，而一个周期的总计数时间为n，这相位差为：
图2 过零检测法测量相位差
2）A/D信号采样时序分析与设计。
因为电力系统的电压与电流信号是工频信号在50Hz左右，考虑高次谐波会数倍于工频信号，根据奈奎斯采样定律选择采样率应高于1000Hz。因需要对三相电压，电流进行采样，因此采样通道为6。这里使用DSP内部ADC进行采样。DSP芯片TMS320LF2407A自带采样精度为10位，16通道，最大采样率为2MH中的ADC。可单独访问的16个结果寄存器（RESULT0～ RESULT15）用来存储转换结果[4]，采样/保持获取事件窗口有独立的预计标控制。
本系统中A/D的采样启动与停止采用中断方式触发，保证了各通道采样率的一致性。数据采集系统对于采集到的数据先进行FIFO缓存，然后进行分析计算。与一般的数据采集系统设计不同，本系统中DSP与A/D器件没有用硬件FIFO，而使用软件方法在数据区开辟6个512自己的存储区域，来完成对采集数据的缓存。
3）基于FFT的电力谐波计算。
电力系统的谐波计算是通过对周期畸变非正弦波信号进行快速傅立叶变换求解基波与各次谐波的幅值与相位。
因为电网中任意一相的电压电流信号都是周期信号，假设A相电压信号为：
其中，为A相基波，为A相第k次谐波，为初始相位角，它们与傅立叶变换系数，存在：
，，
设谐波最高次数为M，取傅立叶变换阶数为N，其关系为：。根据傅立叶变换得到傅立叶变换系数：
使用频率抽样法进行FFT运算，将N点按奇偶分解，，则N点DFT表示为：
由于与的周期只有N/2，根据旋转因子
有：
快速傅立叶变换（FFT）是数据处理的核心算法，其FFT算法流程如图3所示。系统初始化后定义FFT阶数N和级数M，并初始化寄存器变量循环标准，计算M级旋转因子，通过蝶形运算求解FFT。
图3 FFT算法程序流程图
3 总结
本文设计的电能自动检测系统实现对三相电压电流，谐波、基波功率的计算。使用DSP芯片TMS320LF2407A的内部ADC完成对电压电流波形采样，并通过DSP实现FFT运算基波与各次谐波的幅值与相位。
作者简介
刘艺智（1989-），男，助理工程师，大学本科，国网宁夏电力公司检修公司，从事变电运维工作。
何文昭（1989-），女，助理工程师，大学本科，国网宁夏电力公司银川供电公司，从事变电检修工作。
关键词 电能；自动检测；DSP
中图分类号：TM734 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）24-0008-02
良好的电能是电力设备正常运行的保障。电力电子交流装置与非线性设备的大量使用会对电网电能造成不可避免的电压电流的畸变。直接导致的后果如同雷电波冲击与电容器投切产生谐振一样，使得继电器装置因谐波产生误操作造成大面积停电从而导致经济损失，也会直接对电气设备造成损坏。因此，保证良好的电能质量，改善电能质量对电网的安全运行与国民经济总体效益都有着重要的现实意义。此外，电能自动检测技术也是测试技术的发展的重要分支。
1 系统总体设计
1）系统实现功能。
本文使用DSP芯片完成对三相电压、电流及功率的测量与计算机之间的通信。具体实现功能如下。
①对电网的电压、电流波形实时采集。
②使用DSP中的FFT算法实现对波形的谐波分析，计算
功率。
③使用RS232串口，实时上传数据，并通过串口，检测平台能够对电能自动检测系统的测试状态进行控制。
2）系统总体方案设计。
本文设计的电能自动检测系统分为AD采集、DSP信号处理与数据上传三个部分。电网电压与电流分别通过电压互感器与电流互感器接在各自的信号调理电路中，DSP通过对ADC芯片的时序控制完成对电压、电流的采样。采集的电压电流信号经过信号处理好，通过RS232串口实时上传至计算机中。其总体方案设计框图如图1所示。本系统的主处理芯片采用TI公司的TMS320LF2407A。
图1 系统总体方案框图
2 电能参数测量与计算方法
1）频率及相位差的测量。
频率的测量可以通过FFT变换计算得到，即用2次信号的基波相位差与时间比得到。
对于信号，假定参考频率为，信号的实际频率为，对于某一基波而言有：
若设，则有：，即。而可以用两次测量初相位角与与时间差比值求出，
即。因考虑使用FFT变换存在一定误差，可以使用多次测量求平均的方法[3]。
使用过零法测量相位差。如图2所示，A相电压，A相电流，电流滞后于电压。当信号与零点比较器相比，当信号高于零点时，输出信号为高电平，当信号低于零点时信号被置于低电平。这样可以比较另个波形中相互出现信号上升沿或下降沿判断之间的时间差。假设沿边时间差为，而一个周期的总计数时间为n，这相位差为：
图2 过零检测法测量相位差
2）A/D信号采样时序分析与设计。
因为电力系统的电压与电流信号是工频信号在50Hz左右，考虑高次谐波会数倍于工频信号，根据奈奎斯采样定律选择采样率应高于1000Hz。因需要对三相电压，电流进行采样，因此采样通道为6。这里使用DSP内部ADC进行采样。DSP芯片TMS320LF2407A自带采样精度为10位，16通道，最大采样率为2MH中的ADC。可单独访问的16个结果寄存器（RESULT0～ RESULT15）用来存储转换结果[4]，采样/保持获取事件窗口有独立的预计标控制。
本系统中A/D的采样启动与停止采用中断方式触发，保证了各通道采样率的一致性。数据采集系统对于采集到的数据先进行FIFO缓存，然后进行分析计算。与一般的数据采集系统设计不同，本系统中DSP与A/D器件没有用硬件FIFO，而使用软件方法在数据区开辟6个512自己的存储区域，来完成对采集数据的缓存。
3）基于FFT的电力谐波计算。
电力系统的谐波计算是通过对周期畸变非正弦波信号进行快速傅立叶变换求解基波与各次谐波的幅值与相位。
因为电网中任意一相的电压电流信号都是周期信号，假设A相电压信号为：
其中，为A相基波，为A相第k次谐波，为初始相位角，它们与傅立叶变换系数，存在：
，，
设谐波最高次数为M，取傅立叶变换阶数为N，其关系为：。根据傅立叶变换得到傅立叶变换系数：
使用频率抽样法进行FFT运算，将N点按奇偶分解，，则N点DFT表示为：
由于与的周期只有N/2，根据旋转因子
有：
快速傅立叶变换（FFT）是数据处理的核心算法，其FFT算法流程如图3所示。系统初始化后定义FFT阶数N和级数M，并初始化寄存器变量循环标准，计算M级旋转因子，通过蝶形运算求解FFT。
图3 FFT算法程序流程图
3 总结
本文设计的电能自动检测系统实现对三相电压电流，谐波、基波功率的计算。使用DSP芯片TMS320LF2407A的内部ADC完成对电压电流波形采样，并通过DSP实现FFT运算基波与各次谐波的幅值与相位。
作者简介
刘艺智（1989-），男，助理工程师，大学本科，国网宁夏电力公司检修公司，从事变电运维工作。
何文昭（1989-），女，助理工程师，大学本科，国网宁夏电力公司银川供电公司，从事变电检修工作。