基于DSP的谐波控制器的设计

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当今电力系统中的电能质量问题越来越突出，一方面，大量敏感性负荷对电能质量的要求越来越高，而另一方面，越来越多的非线性负荷不断接入电网，使电力系统总体的电能质量状况不断恶化。
谐波是电能质量中很重要的一个方面，谐波的存在对电力系统产生的危害有以下几个方面：
1)可能使电力系统继电保护装置和自动装置产生误动或拒动；
2)使各种电气设备产生附加损耗和发热，使电机产生机械振动及噪声；
3)谐波电流在电网中流动增加损耗，影响电网及各种电气设备的经济运行；
4)谐波电流通过电磁感应、电容耦合以及电气传导等作用，对周围的通信系统产生干扰；
5)谐波使电网中广泛使用的各种测量仪表产生误差；
6)增加了电网中发生谐波谐振的可能，从而造成很高的过电流或过电压而引发事故的危险性。
随着谐波污染的日益严重和对电能质量要求的提高，对谐波抑制的要求也越来越高，如何根据现场的谐波污染状况进行滤波器的投切也变得更加重要。针对这种情况，研制了一种谐波控制器，它可以对现场的谐波和无功等进行监测，根据现场谐波状况对滤波器进行自动投切，达到抑制谐波、改善电能质量的目的。下面介绍基于DSP芯片TMS32LF2407的谐波控制器的硬、软件设计。
1 谐波控制器的硬件设计
谐波控制器的基本原理是实时对电流、电压进行采样，将采到的数据经过D5P进行数据分析后，得到现场谐波的状况，从而决策是否对滤波器进行投切。
美国TI公司生产的TMS32LF2407型DSP芯片是一款高性能16位定点DSP，该系列DSP控制器将实时信号处理能力和控制器外设功能集于一 身，特别适合于工业控制应用。其芯片供电电压为3.3V，降低了控制器的功耗。高达40M 1PS的执行速度(工作最高频率为40MEz)，片内有32K字的Flash程序存贮器，544字的DARAM和2K字的SARAM，可以外扩存贮器总共有：194K字空间，片内集成了看门狗(WDT)；提供多达16路模拟输入的10位A／D，最小转换时间为375ns；高达40个可单独编程或复用的通用输入/输出引脚。具有低成本、低功耗、高速运算能力和高性能处理能力的优点。因此，该DSP芯片可以满足作为此系统主控芯片的要求。
所研制的谐波控制器的硬件结构图如图1所示。

通过图1可知，此硬件电路主要包括采样电路、中央处理单元、复位电路、键盘和液晶显示功能、执行机构等几个部分。下面就硬件电路设汁中要特别注意的地方进行阐述：
1.1 采样电路
由于TMS32LF2407芯片的AD采样最大只能送入3.3V的电压信号，因此，在将电流、电压信号送到AD口之前要经过电流互感器和电压互感器进行调理，为了使引入的信号免受外界的干扰，互感器类型的选择和调理电路的抗千扰要特别地注意。此外，采样电路还应该要注意的一点是：由于TMS32LF2407的AD口很脆弱，也就是说AD口不能送入峰值超过3.3V的电压信号，否则AD口将被烧坏，因此，最好添加一个限幅电路。具体的调理电路如图2所示。

1.2 过零检测电路
为了使主芯片能够实现同步采样，进而提高数据处理的真实性，因此，在电路中应该加入过零检测电路。过零检测电路也就是方波发生电路，它对谐波分析同步采样起着很重要的作用。它将电压信号变为同频率的方波信号，DSP通过捕获方波的上升沿来跟踪电网频率，为保证同步采样提供了条件。具体的检测电路如图3所示。

1.3 执行单元
在执行单元中，继电器的供电电源是12V，而DSP的供电电源和IO口输出的高电平为3.3V，为防止高于3.3V的电压引入DSP，导致DSP的损坏，继电器控制信号的输出采用了光耦器件817进行隔离，继电器开关侧使用了阻容吸收电路来减小在开关开合时的冲击。具体电路如图4所示。

2 谐波控制器的软件设计
软件设计的核心就是对信号中的谐波分量进行分析，DSP在两个信号周期采样128个点，基于这些采样点进行快速付里叶变换(FFT)运算，从而分析得到信号中谐波的含量。谐波分量的分析精度取决于FFT的精度和同步采样。当采样频率是信号频率的整数倍时，即实现同步采样，采用矩形截断，并用FFT算法进行频谱分析，不会产生任何泄漏现象，可以精确重现信号频谱。如果能自动达到同步采样，对算法本身的要求就不需要太高，因为，同步采样后采用矩形窗进行FFT，矩形窗就意味着采样的数据可以直接作为FFT子函数的输入。过零检测电路就是为了实现同步采样，DSP捕获方波电路产生的方波上升沿，可以求出方波频率即信号频率。根据此频率可确定采样时间和两点间的采样间隔时间(两次AD转换之间的时间)，通过这个方法就叮以实现同步采样，获得精确的频谱。每次FFT运算前都会重新根据实际电网情况改变采样策略，在几个周期内对电网频率的变化迅速作出反应，这样提高测量的可靠性和实吋性。
交流电压u(t)及电流信号i(t)每个周期进行N次采样，测得的离散值为u(n)、i(n)，得到的离散化电压、电流有效值和有功功率计算公式为(N为采样点数)



根据P=UIcosθ可以求出功率因数，进而求得无功。根据FFT的结果可以得出各次谐波的含量，经计算可以得到总的谐波畸变率(THD)，为DSP控制继电器投切滤波器提供了依据。
图5为DSP进行数据分析的流程图。

3 抗干扰设计
干扰主要有传导型和辐射型两大类，前者表现为干扰电流和电压，后者表现为干扰电场和磁场。影响智能脱扣器的干扰源有用电设备的浪涌电流；对讲机、手机等产生的射频辐射；智能脱扣器内部的开关电源和斩波释放电路等。这些干扰源的存在导致程序死掉，将干扰信号引入电流电压，从而使数据分析结果与实际差距较大，引起继电器误投切。为了减少千扰的影响，需要在硬件和软件上采取相应措施。
3.1 硬件抗干扰
采取的措施有：
1)合理布线，使数字电路地和模拟电路地共点接为悬浮工作方式，即系统各回路的基准电位互相连接在一起而不与大地相连，这样系统有较强的抗干扰能力；
2)模拟电路地和数字电路地分开接地，最后再汇合到一点；斩波泄放电路在启动工作后，出现很高的瞬态干扰，把逻辑地(主机)和模拟地(A/D)分开后，这种干扰就降到很低；
3)线路板和元器件表面喷绝缘层，这不仅是防潮和绝缘的需要，而且对防电磁千扰也有很重要的作用；在机壳内涂金属屏蔽层，形成等电位屏蔽，对电磁干扰也有很大的屏蔽作用；
4)在稳压电源、隔离变压器后侧安装滤波线路，这个滤波线路能使火线与零线中的千扰电流得到衰减；

5)弱电和强电之间常常需要隔离，常用的隔离方式有光电隔离、变压器隔离、继电器隔离等；本系统中采用光耦器件817对DSP输出的弱电控制信号与继电器强电进行隔离，由于光电隔离保证了DSP与继电器间无电的直接联系，从而保证了信号的正常传递，保证了DSP的安全。
3.2 软件抗干扰
软件上抗干扰的方法有以下几种：
1)为了防止装置收到干扰进入“死机”状态，在程序中加入一些监控措施 利用看门狗(watchdog)对程序进行死锁检测，在必要的时候自动复位；在未使用的中断向量区、空白程序区设置软件陷阱，强迫程序跑飞以后能够回到正常轨道上来；在必要的地方写入冗余指令，以调整指令长度，防止程序混乱；
2)对采样信号进行数字滤波 首先对每一个采样点进行判别，让其与相邻值、前次值以及增值最大值进行比较，根据对称检测法、限幅检测法来判断是否为干扰信号；对最近采样的点进行FFT计算得到的数据与前几次的数据求平均值，舍去“异类”。
此外，在数据处理的算法上进行改进，也能大大提高系统的抗干扰能力，但是，这往往是以牺牲代码长度为代价的，至于如何取舍视实际项目要求而定。
3.3 其他措施
在本系统中，DSP芯片除了进行数据采集和分析以外，还要实现对键盘和液晶显示的控制，这样DSP的工作量十分繁重，设计稍不全面就会出现中断冲突现象，为调试带来很大的困难。为此，可以采取在系统中添加一块单片机51芯片，用于管理键盘和液晶显示。现在单片机51芯片的价格十分便宜，系统中引入5l芯片不会导致成本过高。由于在正常运行时候，DSP和单片机通过双口RAM进行数据交流，其他内部的程序都不会相互干扰，因此，给调试带来了极大的方便，同时，最大可能地降低了程序跑飞的可能性。
4 结语
无源滤波器是抑制谐波的重要手段，它被广泛应用于电网的谐波抑制中，目前无源滤波器主要靠手工进行投切，这样既浪费人力，又达不到理想的效果，不能满足电能质量日益提高的要求。根据谁污染谁治理的原则，谐波污染也要由用户自己消除，因此，研制一种能对谐波进行监测控制的装置既方便了用户，又有广阔的市场前景。