電能是一種重要能源，被人們廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域，其應(yīng)用程度能反映一個(gè)國(guó)家或地區(qū)的綜合國(guó)力和發(fā)展水平。提高對(duì)電能質(zhì)量的要求是一個(gè)國(guó)家工業(yè)生產(chǎn)發(fā)達(dá)、科技水平提高的表現(xiàn)，是信息社會(huì)發(fā)展的必然結(jié)果，是增強(qiáng)用電效率、節(jié)能降損、改善電氣環(huán)境以及工業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展的技術(shù)保證。隨著電氣化程度的提高和負(fù)載類(lèi)型的增加，電能質(zhì)量問(wèn)題變得日趨突出和復(fù)雜，嚴(yán)重地威脅著電力系統(tǒng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，因此，為了保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行、提高對(duì)電能的綜合管理水平、為用戶(hù)提供優(yōu)質(zhì)的電能，必須對(duì)影響電能質(zhì)量的諸多因素進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)在線電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)成為保證電網(wǎng)安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要措施之一。本文基于TMS320C5410A芯片設(shè)計(jì)一款電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置。

電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)簡(jiǎn)介

電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)的目的

電能質(zhì)量檢測(cè)分為短時(shí)間的一次性檢測(cè)、短時(shí)間的定時(shí)或不定時(shí)的周期性檢測(cè)以及長(zhǎng)時(shí)間或較長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)檢測(cè)，其中，長(zhǎng)時(shí)間或較長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)檢測(cè)稱(chēng)為實(shí)時(shí)檢測(cè)或監(jiān)測(cè)。電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)的目的包括：①實(shí)時(shí)更新測(cè)量和采集各種電能質(zhì)量指標(biāo)，以保證對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行工況的觀察、記錄和動(dòng)態(tài)分析。②針對(duì)各種質(zhì)量指標(biāo)的特征，分層檢測(cè)電能質(zhì)量問(wèn)題，完成識(shí)別、提取和分析多種擾動(dòng)信息，并擁有事故診斷能力，為制定改善電能質(zhì)量的具體措施提供依據(jù)。③詳細(xì)了解電網(wǎng)安全、穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)運(yùn)行的技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件，綜合評(píng)價(jià)電能質(zhì)量各項(xiàng)指標(biāo)，優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)體系。④檢測(cè)和數(shù)據(jù)采集各種電能質(zhì)量問(wèn)題。⑤監(jiān)測(cè)電網(wǎng)的可靠性程序。⑥不斷提高電網(wǎng)的可靠性。⑦掌握電能質(zhì)量問(wèn)題產(chǎn)生的條件，以便于采取相關(guān)措施使可能造成的損失減到最小。⑧發(fā)現(xiàn)新的電能質(zhì)量問(wèn)題。

電能質(zhì)量檢測(cè)的方法

對(duì)于不同的電能質(zhì)量問(wèn)題，其電能質(zhì)量檢測(cè)方法和要求也不盡相同。按照對(duì)檢測(cè)對(duì)象是否進(jìn)行連續(xù)檢測(cè)，電能質(zhì)量檢測(cè)方法可劃分為定期或不定期檢測(cè)、連續(xù)檢測(cè)以及專(zhuān)項(xiàng)檢測(cè)三種方法。

①定期或不定期檢測(cè)。定期或不定期檢測(cè)通常采用專(zhuān)門(mén)儀器設(shè)備到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試后根據(jù)測(cè)定結(jié)果提出測(cè)量和分析報(bào)告。對(duì)普通干擾源的檢測(cè)，依據(jù)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(cè)方法進(jìn)行檢測(cè)，普查測(cè)試電網(wǎng)，全面了解并掌握電網(wǎng)的電能質(zhì)量水平或干擾源的特性，根據(jù)普查需要確定定期普查的檢測(cè)指標(biāo)和檢測(cè)點(diǎn)，對(duì)于一些特殊情況，依據(jù)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)的需要也可采用不定期檢測(cè)的方法。

②連續(xù)檢測(cè)。連續(xù)檢測(cè)也稱(chēng)在線檢測(cè)，連續(xù)檢測(cè)對(duì)所用的檢測(cè)設(shè)備有一定要求，尤其是當(dāng)電網(wǎng)中檢測(cè)點(diǎn)較多、檢測(cè)信息需遠(yuǎn)傳時(shí)，需建立一個(gè)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。根據(jù)電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定和要求，連續(xù)檢測(cè)的檢測(cè)內(nèi)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(zhì)量指標(biāo)（大型電弧爐引起的電壓波動(dòng)、大型電容器組的諧波電流、易受干擾的大型設(shè)備的諧波電流等）。

③專(zhuān)項(xiàng)檢測(cè)。專(zhuān)項(xiàng)檢測(cè)是指測(cè)量與比較各種干擾負(fù)荷或補(bǔ)償設(shè)備（電弧爐、換流設(shè)備、電容器組濾波器等）接入電網(wǎng)前后對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量水平產(chǎn)生的影響，以決定其能否正式接入電網(wǎng)運(yùn)行，對(duì)產(chǎn)生各種干擾的設(shè)備，若產(chǎn)生的干擾超出標(biāo)準(zhǔn)，則不允許該設(shè)備接入電網(wǎng)運(yùn)行。

電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置結(jié)構(gòu)組成

電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)組成如圖1所示，它是一個(gè)包含數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析的功能系統(tǒng)。該裝置硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，分為信號(hào)采集模塊、DSP信號(hào)處理模塊和MSP430單片機(jī)控制模塊，其工作原理是：傳感器采集模擬信號(hào)（電壓和電流）進(jìn)入系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)去混疊濾波器以濾去信號(hào)的高頻成份，再通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路，使信號(hào)電壓值滿(mǎn)足AD芯片的轉(zhuǎn)換要求；DSP控制AD采樣頻率，得到滿(mǎn)足要求的一組數(shù)字量，并利用離散算法獲得電能質(zhì)量的各個(gè)參數(shù)；MSP430單片機(jī)讀取計(jì)算結(jié)果，并顯示在液晶屏上，它可以與上位機(jī)進(jìn)行USB通信。信號(hào)采集模塊是電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置的關(guān)鍵功能部分，本文將主要闡述信號(hào)采集模塊的設(shè)計(jì)。

圖1 電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置結(jié)構(gòu)組成圖

信號(hào)采集模塊設(shè)計(jì)

電壓、電流傳感器電路

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，本裝置用于220V/380V，30A單相交流電電網(wǎng)的監(jiān)測(cè)，因此，本設(shè)計(jì)選用PT41D001型號(hào)的電壓互感器，其參數(shù)如下：線性誤差為0.08%，工頻相差為35’，負(fù)載條件為1MΩ，變比為200V/1V，頻率響應(yīng)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(hào)，負(fù)載需接高電阻，在電路上可以直接把互感器輸出接到后級(jí)運(yùn)算放大器上。對(duì)于220V系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)電路，電壓互感器的輸出電壓范圍為-1.5V~1.5V。

本設(shè)計(jì)選用CT53C902型號(hào)的電流互感器，其參數(shù)如下：線性誤差為0.08%，工頻相差為10’，負(fù)載條件為≤3V，變比為30A/10mA，頻率響應(yīng)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(hào)，負(fù)載需接電流采樣電阻，并且對(duì)輸出電壓有≤3V的要求，由于該裝置應(yīng)用于最大電流為30A的系統(tǒng)，電流互感器的輸出電流大約為0~10mA，考慮到后級(jí)信號(hào)調(diào)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(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，幅值范圍為-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(jù)抽樣定律，理論上，若采樣頻率大于信號(hào)最大頻率的2倍，即，則可避免頻率混疊效應(yīng)。實(shí)際上，信號(hào)譜并不是矩形截止的，而且采樣的時(shí)域有限，不可能采集無(wú)限長(zhǎng)時(shí)間的信號(hào)，因而存在高頻分量。因此，系統(tǒng)在進(jìn)行信號(hào)處理之前，應(yīng)采用低通濾波器來(lái)抑制大于的信號(hào)頻率。本設(shè)計(jì)采用MAX291濾波器來(lái)進(jìn)行濾波，MAX291濾波器電路如圖4所示。MAX291是一種開(kāi)關(guān)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(guān)系為1:100。MAX291可由內(nèi)部振蕩時(shí)鐘和外部輸入時(shí)鐘方式提供工作頻率，本文采用內(nèi)部振蕩時(shí)鐘方式，只需在CLK引腳對(duì)地間連一個(gè)外接電容即可。

圖4 MAX291濾波器電路圖

電壓信號(hào)調(diào)理電路

由電壓互感器和電流互感器變換出來(lái)的雙極性電壓信號(hào)，需要經(jīng)過(guò)由運(yùn)算放大器組成的電壓信號(hào)調(diào)理電路轉(zhuǎn)變?yōu)閱螛O性信號(hào)后，才能夠送入AD芯片并轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。雙極性信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閱螛O性信號(hào)實(shí)際是一個(gè)電位線性平移電路，主要由加法器和比例器組成，經(jīng)過(guò)參數(shù)整定后的電壓信號(hào)調(diào)理電路如圖5所示。

圖5 電壓信號(hào)調(diào)理電路圖