维普资讯 http://www.cqvip.com 学术・建设园地 电力建设 ｌ专版 有关三相电压电流谐波测量仪问题的研究 口孙伟 摘要：笔者就电力参数测量仪表的系统硬件电路设计、软件设计及电力电量参数的计算等三个问题进行了 探讨。 关键词：电力系统：谐波污染：硬件电路；软件：电量参数 电力系统中存在不同程度的谐波污染，对电网设备构成威 果送入ＬＰＣ２１ １４微控制器。计算各相电压电流的有效值２～３１ 胁和损害。谐波被认为是电网的一大公害，对电力系统谐波问 次谐波含有率以及其它参数，并完成数据存储，同时显示测量结 题的研究已被人们逐渐重视。为了提高电力系统的供电质量， 果，还可以通过ＲＳ２３２／４８５接口方式与上位ＰＣ机进行数据通 确保系统安全运行，需要对系统中的谐波污染进行控制。因为 信。 电力系统谐波干扰具有一定的随机性，干扰出现的时间短，发 人航接ｎ屯路 生条件特殊，所以需要采用实时在线谐波监测系统对系统的谐 （ＬＥＤ矗ｌ乐．Ｋｃ，输八 波情况进行较长期监视，摸清谐波污染情况，以便采取相应的 措施进行控制。 煳智能电力参数综合测量仪表是利用最新的微电子技术，应 ｓ ｓｙＡ ＲＭＬＰＣ２ １１。 用先进的软件研发技术，根据国际智能化仪表的发展要求和国 内市场的情况，可以直接代替原有的指针式仪表，适用于电力 电网、自动化控制中对电流、电压、功率、频率、功率因数等电参 引 ｌｌ 量的测量和显示。 图１仪表的原理框图 目前针对国内的电力市场的高速增长，数字式安装表的需 蒜掇稿母 求将呈上升趋势。 由于计算处理工作量大且需要实时完成各种响应，所以微 辩瑶电喀 ］ 目前存在的电力参数测量仪表多为采用专用芯片、单片机 控制器须具有较强的计算能力：考虑电网可能的停电情况，要求 或者ＤＳＰ为核心的测量系统。采用单片机的系统运算速度较 仪表具有比较大的非易失性存贮器 要完成仪表工作参数的显 慢，不适合做ＦＦＴ运算，往往达不到实时测量的要求，因而不 示和设置，因此要求仪表具有很强的人机交互能力，尤其是直观 能进行谐波的测量：而大多数专用芯片不具备测量谐波的功能 方便的显示：另外，通信也是仪表设计的重要部分。仪表的设计 且移植性差，不利于扩展和升级，而ＤＳＰ、ＡＲＭ以其独特的结 采用了Ｐｈｉｌｉｐｓ公司推出的一款基于ＡＲＭ７ＴＤＭ１２Ｓ内核的控 构、日益提高的性能价格比和快速实现各种数字信号处理算法 制器ＬＰＣ２１１４，它片内有１２８ＫＢＦｌａｓｈ程序存储器，６４ＫＢ静态 的突出优点在电力参数测量中得到应用。 ＲＡＭ，具有ＬＳＰ和ｌＡＰ功能：片内含有硬件１２Ｃ、ＳＰ Ｌ、ＵＡＲＴ接 本电力参数综合测量仪表的开发，采用了高精度ＡＤＣ与 口，满足了仪表的设计。此外Ｆｌａｓｈ存储器可以通过ＪＴ＿ＡＧ接口 ＡＲＭ结合的模式，利用ＡＲＭ片内丰富的硬件资源和高速处 进行程序仿真调试、程序下载，利于仪表的升级。Ａ／Ｄ转换采用 理能力，设计出接口丰富，响应快速，精度比较高的电力参数综 了ＡＤｌ公司生产的ＡＤ７３３６０。ＡＤ７３３６０具有６个模拟量输入 合测量仪表。 萎一通道，每个通道可以输出长度为１６位的数字量。这６个通道可 同时采样， 并且无须ＣＰＵ干预，从而有效地减少了由于采样时 １系统硬件电路设计 间。 不同而产生的相位误差。各个通道的采样速率可以方便地 近几年，随着ＡＲＭ技术的不断成熟，在国外，带ＡＲＭ核 利用控制字在８ｋＨｚ、１６ｋＨｚ、３２ｋＨｚ和６４ｋＨｚ中进行设定。每个 的芯片的应用已越来越广。其原因主要是其特有的优势：ＡＲＭ 通道可以允许从直流到４ｋＨｚ的模拟信号通过。由于各个通道 核的开放性、ＡＲＭ芯片高的性价比、高可靠性、极低的功耗和 都有内置的反混迭滤波器，所以对其输入端反混迭滤波器的要 应用系统软件良好的可移植性，嵌入式操作系统的易植入性。 但在国内的应用尚处于起步，下面就是基于ＡＲＭ芯片的电力 求大为降低，而仅需要简单的一阶ＲＣ滤波器即可，保证了采样 前后电压电流之间的相位保持一致，非常适用于工业电表的模 参数测量仪表的设计。 拟量采样。系统对于Ａ／Ｄ接口采用了ＣＰＬＤ扩张外部总线来适 仪表的原理框图如图１所示。仪表主要包括电源电路部 应六线工业标准同步串行接口的要求。系统实时时钟电路采用 分、复位电路部分、系统时钟部分、采集调理电路部分、数据存 ＰＣＦ８５６３，它是低功耗的ＣＭＯＳ实时时钟／日历芯片， 储电路、实时时钟电路、通讯接口电路人机接口电路以及 ＰＣＦ８５６３的多种报警功能、定时器功能、时钟输出功能以及中 ＬＰＣ２１１４微控制器等部分组成图中，被测模拟量（－－￣Ｂ交流电 断输出功能，能完成各种复杂的定时功能，可以为ＭＣＵ提供看 压／电流）信号经过电压／电流互感器隔离变换并由输入电路 门狗功能。 调理后，送入Ａ／Ｄ转换器做同步采样保持并转换，Ａ／Ｄ转换结 ４结束语 上下功夫，尽可能做到设计合理、施工精细、测试准确。■ 应引起电力有关部门的重视要 量 ，并且从设计上、施、 行 ７－ 上、测量验收 ： （、… 作者单位：。。一…茂名市粤能电力股份有限公司）’ ………… ’‘ ～ ７５ 广东科技２００８ ０１ 总第１７９期 维普资讯 http://www.cqvip.com 专版 Ｉ 系统要每隔１ｍｉｎ保存运算结果，运算结果包括时间（年、 月、日、小时、分钟、秒），各种电力参数等。每隔一个月对保存数 据进行刷新，经过计算需要３Ｍ以上的存储空间。所以数据存 储电路采用ＳＳＦ１ １Ｏ１，它为４Ｍｂ＿ｔ的串行闪速存储器 （ＦｌａｓｈＭｅｍｏｒｙ），串行口符合ＳＰＩ协议。 系统人机接口电路采用两片ＺＬＧ７２９０接口键盘及ＬＥＤ驱 ３电力电量参数的计算 在通常情况下，该装置以每周期２５６点采样，通过傅立叶 变换，可以得到２～３１次谐波分量的实部、虚部及模值，然后利 用下列公式计算各电气量： （１）电压、电流相量的计算 动器。ＺＬＧ７２９０是一种ＩＣ接口键盘及ＬＥＤ驱动管理器件。能 够直接驱动８位共阴式数码管（或６４只独立的ＬＥＤ），同时还可 击 ＼／ ｌｉ＝ １ｙ／ 以扫描管理多达６４只按键。其中有８只按键还可以作为功能 键使用，就像电脑键盘上的Ｃｔｒｌ、Ｓｈｉｆｔ、ＡＩｔ键一样。另外 式中：ｉ表示相别（ＡＢＣ），ｎ表示谐波次数。 （２）功率及功率因数的计算 ＺＬＧ７２９０Ｂ内部还设置有连击计数器，能够使某键按下后不松 手而连续有效。本系统的复位电路使用了专用微处理器的电源 监控芯片ＭＡ×７Ｏ８Ｓ，提高系统的可靠性。 ２软件设计 整个系统的设计可以分为３个层次：最底层为硬件驱动，第 ２层为用户应用程序层 最高１层为操作系统层，是整个系统的 管理核心。 系统软件设计采用模块化设计思想，利用嵌入式实时操作 系统内核对所有任务进行统一调度和管理，根据优先级高低进 行任务切换。根据系统所要实现的功能，将整个系统划分为几 个并行存在的任务：键盘扫描和ＬＣＤ显示任务、数据通信任务、 数据运算统计（测量计算任务）、存贮记录任务等。数据采集部分 在定时中断程序中执行。 在实际系统中，每个任务分别实现某一特定的功能，每个 任务依靠自己的标识来识别，由系统的内核来进行任务调度。 本实时监控程序对任务切换的策略即具有优先级调度算法，又 具有时间片轮巡调度算法。 优先级抢先调度指的是一个优先级较低的任务正在执行 中，另一个优先级高的任务进入就绪状态，则马上进行处理器 抢先，执行高优先级任务。直到高优先级任务释放处理器（完成、 挂起、阻塞…）才继续执行低优先级任务。 实时任务中，高优先级任务结束后不是返回到低优先级任 务执行原有程序，而是返回到任务调度程序入口系统程序流程 图如图２所示。 图２程序流程图 ７６ 广东科技２００８Ｏ１ 总第１７９期 ｝ ｖａ１ ， ，ａ ，ｃｏｓ巾 １” ＝＝÷ ，ａ， ｓｉｎ巾 Ｐ＝∑Ｐ Ｑ＝∑Ｑ ｃ。ｓ巾 Ｐｉ ｃ。ｓ巾 （３）谐波及总谐波畸变（ＴＨＤ） 电力系统中，通常用某次谐波幅值相对基波幅值的百分数 来反映该谐波的含量。 ． ｛Ｄ ｝％＝ｌＩｈ－）ｎ×１００％ 式中：Ｄ 、Ｄ 分别为基波和ｎ次谐波幅值。在获得了多种电 气量的实时值的基础上，可以使该装置具有以下主要功能：通过 对电网中的电压、电流回路的交流采样，经过处理后实现对电 网中的三相电流、三相电压、频率、有功功率、无功功率、视在功 率、有功电能、无功电能、实在功能、功率因素、谐波含有率、三 相不平衡度等的高精度测量和显示，同时通过通讯接Ｄ输出各 种测量参数。 ４结束语 笔者对三相电压电流谐波测量仪进行了介绍，它能够完成 电网谐波的实时监测和长时间的统计记录，并具有多种通信方 式上传数据。文中以ＬＰＣ２１ Ｏｘ微处理器为核心处理单元，对仪 表的工作原理和嵌入式软件设计做了深入的分析研究，设计了 小型的任务调度程序，并应用于电网分析仪系统中。电力参数 测量由于采用了ＡＲＭ作为系统核心，硬件结构得到简化，功耗 相对较低，性能稳定，采用高精度的Ａ／Ｄ进行同步采样并对功 率进行了补偿，通过多次试验表明，所测量的各种电力参数精 度高，速度快，实时性好，而且利于软件升级，移植性好，可以广 泛应用于各种测量电力参数的场合。一 （作者单位：广东电网公司江门鹤山供电局）