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基于TMS320F2812数字信号处理器实现电压闪变监测系

作者:lol菠菜 发布时间:2020-10-15 01:08 点击:

  随着电力市场商品化的发展,用户对电能质量的要求越来越重视。然而,随着各种冲击性负荷、非线性负荷的大量使用,造成了电网负荷的急剧变化。电网谐波、电压波动、闪变、压不平衡等问题时有发生,严重影响了电能质量,给电力系统的安全运行带来直接或潜在的危害。

  电压波动和闪变是衡量电能质量的重要指标。为了抑制和治理电压波动和闪变,电网已经投入了一定的补偿设备。这些设备的研制和整定均需要准确详细的闪变参数,以提供正确的治理决策,因此,对电压波动和闪变实时监测,即准确测量短时间闪变值Pst,长时间闪变值Plt是治理电压波动和闪变的基础。

  IEC 6100-4-15和GB 123262—2000给出了完整的闪变测试系统结构框图,以及有关反映人脑对频率选择特性的传递函数,根据该框图就可以设计符合IEC 标准的闪变测试系统。但是利用该标准计算电压闪变值过程繁琐,对硬件要求较高。文献[5]中提出了离散的瞬时闪变值计算方法,采用间接解调的方法计算闪变,提高了运算速度并且减小了系统对硬件处理器的要求,缺点是间接解调法存在频谱泄漏,在高频处幅值衰减,精度较差。

  本文采用离散的瞬时闪变值计算方法,利用FFT对采样后的离散数据进行变换,并针对FFT计算结果中引起的幅值衰减做修正处理,减少了因不同频率调幅波引起电压波动输出的瞬时闪变视感度S(t)的误差。采用上述改进方法,在DSP平台上实现的电压闪变监测系统具有测量精度高、速度快等特点。

  波动的电网电压可由一个稳定的工频电压作载波,叠加一个有规则或无规则的调幅波构成,调幅波可包含单个或多个频率分量。瞬时波动电压可以用一组复合振幅调制方程来表示:

  IEC 定义短时间闪变值Pst的算法如下:首先,对于随机变化负荷产生的电压波动,在足够长观测时间T(至少10min) 内对S( t) 进行等间隔采样;然后,将S(t)数据分级,并统计各级别数据分布概率,再由各级别数据分布概率得到累积概率分布函数(CPF);最后,根据CPF 作出闪变程度的统计*定,即计算Pst。可见,S( t) 直接反映了电压波动引起灯光闪烁对人视感度的影响,是计算Pst的关键。

  定义瞬时视感度S( t) 曲线上的离散点值为瞬时闪变值Pi,根据IEC 定义的Pst的计算方法,Pst的计算步骤可描述为:

  (1) 对连续电压信号u(t)采样,形成离散电压信号u(n),对u( n) 每半个周波计算一次电压均方根值,得到电压均方根值序列U(n),形成离散电压均方根值曲线) 对U(n) 以时间进行等间隔划分,得到划分内电压均方根值序列Ui(n),i = 1,2,…,N,N为观测时间T 内划分数的总数,且N = T /τ,对每个划分中的均方根值序列进行傅里叶分析(FFT),求出离散频谱序列Ufm,m = 1,2,…,M,M为频谱频率的上限,进而得到相应频率为fm的正弦波电压均方根值曲线的峰值,即频率为fm的电压波动值:

  成CPF。由瞬时闪变值Pi得出的CPF 反应了瞬时闪变值Pi超过一定限值的时间与观测时间T 的百分比。对于随机变化负荷的瞬时闪变值CPF 曲线 个规定值计算短时间闪变值Pst:

  对采样后计算得到的电压均方根值序列Ui(n)进行频谱分析时,由于FFT 存在频谱泄露和栅栏效应,从而导致频谱分析得到的闪变信号幅值产生较大的误差,影响Pst的计算精度。调幅系数ΔUn = 10%,不同频率fn的闪变信号经过FFT 运算后得到的计算值如表1 所示。可以看出,不同频率的闪变信号经过FFT 运算后幅值都产生衰减,而且随着频率的增加衰减更加严重。

  为了补偿FFT 计算结果造成的幅值衰减,根据间接解调法提出衰减因子定义如下:

  修正后的几个不同频率的调幅系数如表2 所示。可以看出,修正后的调幅系数非常接近给定值,大大减少电压闪变幅值的衰减。

  系统硬件设计是以TMS320F2812数字信号处理器为核心加上14 位双极性高分辨率的A/D转换器(MAX125) 和

  (EPM7128) 作为协处理器的基本架构组成。具体的硬件原理框架如图2 所示。经过信号放大、抗混叠滤波的电压信号输入到MAX125 进行模数转换,根据采样保持定理采样频率必须大于等于2 倍的信号频率才能保证信号处理的完整性,因此,在A/D 转换前要设置信号的采样频率。调理后的信号过零比较后,送DSP 进行频率捕捉,将捕捉到的频率用于初始化DSP 内部

  。当定时时间到来时,进入定时器中断子程序并打开A/D 采样,转换完成后MAX125 会产生一个硬件中断告诉DSP 读取数据。CPLD 作为协处理器,主要完成系统的组合逻辑、外设地址译码、数据输入输出缓冲锁存、TTL /CMOS 电平信号兼容匹配等工作。系统硬件架构框图

  该系统每半个工频采样128 点,然后送均方根模块进行计算,得到一个电压均方根值,在将所得的值暂存内部S

  ,连续采样2. 56 s,得到一组256 Byte的电压均方根值,送到FFT 计算模块进行FFT 变换,对变换后的结果进行修正,将修正后的结果保存在外部的Flash 中。连续变换一段时间后( 如10 min),根据式(4)计算出电压均方根值序列划分Ui(n) 对应的瞬时闪变值Pi,然后再根据式(5) ~ (7)依次计算短时间闪变值Pst和长时间闪变值Ph。

  系统软件编程需完成的任务是正确控制A/D采样并对采样结果进行FFT 变换,计算各频率对应的瞬时闪变值以及短时间闪变值和长时间闪变值,并把参数正确地显示在LCD 上,统计参数并保存数据。系统软件流程图如图3 所示。

  采用模块化的设计方法,给定各个模块的状态标志,当状态标志满足条件时,调用相应的模块进行数据处理,程序结构清晰,便于系统扩展。其中快速FFT 是系统程序设计的核心,该程序设计的好坏直接关系到整个系统的性能。本文使用了TI公司专门针对2 000系列DSP 而设计的FFT 库模块,该模块带有入口和出口参数,使用方便,具有很好的可移植性。整个程序在CCS2. 2 集成开发环境下完成,运用汇编和C 语言混合编程实现基于DSP 的电压闪变监测系统。3. 3 测试结果

  IEC 通过大量测试得到单位瞬时闪变值(P = 1)时正弦波动电压波动值ΔUn%。系统在测试时,对于不同频率的载波分别叠加标准的波动电压,作为闪变信号源。由于波动电压的波形、电压波动值和频率固定,计算得到的Pst为一定值0. 714。

  测试结果比较如表3 所示。可以看出,修正后得到的短时间闪变值Pst更接近计算值。可见,文中提出的方法具有很好的性能。

  本文提出了一种基于TMS320F2812 的电压闪变检测系统的解决方案。该系统实现了电压闪变信号的采集、FFT 运算处理、短时间闪变值和长时间闪变值的求取等。针对FFT 运算过程中产生的频谱泄露和幅值衰减采取了补偿措施,提高了系统检测的精度。实验结果表明该方法精度高,速度快,充分发挥了DSP 的数据处理功能,应用前景广泛。

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