基于DSP技术的电能质量在线监测仪

唐良瑞

祁

兵

龚钢军

（华北电力大学信息工程系，北京１０２２０６）

摘

要

随着社会的发展，电能质量问题越来越受到社会的关注，而电能质量问题取决于供电方和用电方，为了切实维

护电力部门和用户的合法利益，提高电网的电能质量水平，必须加强电网电能质量的监测和管理。论文介绍了基于

ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２ＤＳＰ芯片开发的电能质量在线监测仪，重点讨论了各模块电路的工作原理，以及实现方法。

关键词

电能质量

信号调理

在线监测

数字信号处理文献标识码Ａ

中图分类号ＴＭ７６４

文章编号１００２－８３３１－（２００６）１３－０１０９－０３

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Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｓｏｃｉｅｔｙ，ｐｏｗｅｒｑｕａｌｉｔｙｉｓｐａｉｄｍｏｒｅａｎｄｍｏｒｅａｔｔｅｎｔｉｏｎ．Ｐｏｗｅｒｑｕａｌｉｔｙｄｅｐｅｎｄｓｏｎｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｄｅｐａｒｔｍｅｎｔｓａｎｄｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙｕｓｅｒｓ．Ｔｏｓｔｉｃｋｕｐｆｏｒｔｈｅｌｅｇａｌｉｎｔｅｒｅｓｔｓｏｆｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙｄｅｐａｒｔｍｅｎｔｓａｎｄｕｓｅｒｓｉｎｄｅｅｄａｎｄｔｏｒａｉｓｅｔｈｅｐｏｗｅｒｑｕａｌｉｔｙｏｆｐｏｗｅｒｇｒｉｄ，ｔｈｅｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎａｎｄｍａｎａｇｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅｐｏｗｅｒｑｕａｌｉｔｙｍｕｓｔｂｅｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｅｄ．Ｉｔｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｏｎ－ｌｉｎｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇａｎａｌｙｚｅｒｏｆｐｏｗｅｒｑｕａｌｉｔｙｔｈａｔｈａｓｂｅｅｎｄｅｖｅｌｏｐｅｄｂａｓｅｄｏｎＴＭＳ３２０Ｆ２８１２ＤＳＰｃｈｉｐ，ｄｉｓｃｕｓｓｅｄｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｅａｃｈｍｏｄｕｌａｒｃｉｒｃｕｉｔｈａｓｂｅｅｎｄｉｓｃｕｓｓｅｄｅｍｐｈａｔｉｃａｌｌｙａｓｗｅｌｌａｓｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｏｗｅｒｑｕａｌｉｔｙ，ｓｉｇｎａｌｒｅｇｕｌａｔｏｒ，ｏｎ－ｌｉｎｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ，ｄｉｇｉｔａｌｓｉｇｎａｌｐｒｏｃｅｓｓｏｒ

１引言

伴随着现代社会的飞速发展，电能的需求量在不断增加，

台。其中，基于数字信号处理芯片开发的电能质量在线监测仪，由于其抗干扰能力强、精度高、功能强大、耗电低、体积小、免维护等特点，成为电能质量在线监测的首选设备。本文设计的电能质量在线监测仪，采用高性能ＤＳＰ处理技术，高速实时采集指定线路的三相电流和电压模拟信号，在Ａ／Ｄ转换后输入到

同时电能质量问题也越来越引起供电方和用电方的关注［１］。电能质量的问题，取决于供电和用电方，要提高电网的电能质量水平，实现电能的质和量的统一，必须由电力部门和接入电网的广大电力用户来共同维护，因此为了切实维护电力部门和用户的合法利益，保证电网的安全运行，净化电气环境，必须加强电力系统电网电能质量的监测和管理。

电能由于其本身的特殊性，不能存储，必须在生产时就马上消耗掉。即使电能质量不能满足要求，也不能循环利用或进行修复。电能质量与一般产品质量不同，对于不同的供（或用）电点在不同的供（或用）电时刻，电能质量指标往往是不同的，在时间和空间上均是动态变化的［２］。因此，电能质量指标宜用概率统计结果来衡量，需要长期连续监测，获取实时数据来统计分析，否则可能片面化。连续监测是通过对电力系统的公共连接点的电能质量参数进行全日程的监测分析，根据电能质量的国家标准连续记录和存储电力系统电网的电能质量数据信息。

为了满足电能质量的监测需求，有关电能质量在线监测设备的研制开发一直都在进行中，在国内外采取了许多先进的软、硬件技术以及数学仿真方法，涌现了许多研究成果和相应的产品。目前电能质量研究分析的方法主要有：时域仿真方法﹑频域分析方法和基于变换方法；电能质量监测设备有基于数字信号处理芯片、单片机芯片嵌入式芯片等硬件开发的，也有基于各种编程语言等软件开发的，但需要工业计算机的运行平

基金项目：国家自然科学基金资助项目（编号：６０４０２００４）

ＤＳＰ芯片中对数据进行实时分析处理，计算电网的各种电力参

数，分析电网的电力质量信息，并将监测数据就地存储或通过通信接口进行通信传输。ＤＳＰ芯片选择ＴＩ公司最新推出的３２位定点ＤＳＰ芯片ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２。

２基于ＤＳＰ技术的电能质量在线监测仪２．１ＤＳＰ芯片的选择

选择ＤＳＰ芯片，必须在电能质量在线监测仪的实际监测需求的前提下，结合ＤＳＰ芯片的运算速度、计算精度、片上存编译器和实时操作系统、片上可编储器的大小、Ｉ／Ｏ接口性能、程时钟等指标，综合考虑。本文电能质量在线监测仪的ＤＳＰ芯片选用ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２定点ＤＳＰ芯片。ＴＭＳ３２０Ｃ２８ｘ系列是ＴＩ公司最新推出的ＤＳＰ芯片，是目前国际市场上最先进、功能最强大的３２位定点ＤＳＰ芯片。它既具有数字信号处理能力，又具有强大的事件管理能力和嵌入式控制能力，特别适用于大批量数据处理的测控场合，如工业自动化控制和电力电子技术应用等。

ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２定点ＤＳＰ芯片的主要性能指标如下［３］：

（１）执行速度最快的定点芯片，达到１５０ＭＩＰＳ，并且单周期

作者简介：唐良瑞（１９６６－），男，博士，副教授，研究方向为电力系统通信、无线通信、图像处理等。祁兵（１９６５－），硕士，副教授，研究方向多媒体通

信、无线通信、电力系统通信等。龚钢军（１９７４－），男，硕士，助教，研究方向为电力系统通信，无线通信等。

计算机工程与应用２００６．１３１０９

３２＊３２ｂｉｔＭＡＣ，为复杂控制算法的实现提供了良好的条件；

（２）片内整合了Ｆｌａｓｈ存储器、高精度模拟外围设备以及

许多其他控制和通信模块；

（３）它的内核对Ｃ／Ｃ＋＋是最有效的，并且具有独特的“虚拟浮点”编程能力；

（４）提供了丰富的“乘累加”指令，其指令系统中，具有基２快速傅立叶变换（ＦＦＴ）的位反转索引寻址功能，可以方便地用于电力数据的采集和处理。

ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２ＤＳＰ芯片完全能满足系统的执行要求，并

且无论从硬件设计还是软件的编写，该芯片都比较容易实现，从而缩短开发时间，因此，选用ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２芯片开发电能质量在线监测仪。

２．２硬件结构框图

基于ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２ＤＳＰ芯片开发的电能质量监测仪具有

主要功能有：

（１）可测量三相电力系统的电能质量信息；

（２）设备自检功能，能够报告运行状态和故障信息，在线升级应用程序；

（３）有大容量的非易失性数据存储空间，数据存储时间长；（４）通过键盘设置参数，通过液晶显示屏显示数据；（５）具有ＲＳ－２３２串口和以太网通信接口；（６）多路数字量和开关量的输出和输入。

电能质量监测仪具有性能可靠、测量精度高的特点。硬件电路主要由信号调理模块、数据分析处理模块和通信模块等组成，其硬件结构如图１所示。

２．２．１信号调理电路

电能质量在线监测仪需要首先解决的问题是现场电气参

量的采集，电气参量采集的精度直接决定整个设备的测量精度，因此，必须从源头减小采集误差。

电能质量在线监测仪输入信号取自现场电压互感器和电流互感器，额定值为线电压１００Ｖ、

电流５Ａ，但是，这种高电压和大电流信号不能由计算机直接处理，需要把高电压和大电流信号转换成适合计算机处理的低电压和小电流信号。另外，除了信号幅值变换，还要有隔离和滤波，消除各种电磁干扰产生的高次谐波。因此，需要设计一个信号调理电路，其中对信号进行变换的电压、

电流互感器应该有足够的精度和带宽。基于ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２ＤＳＰ芯片开发的电能质量监测仪的信号调理电路由光电隔离器、霍尔效应的传感器、自动增益控制等电路组成，实现对电压和电流信号的精确采集，确保整体数据处理分析的精度。

２．２．２数据处理模块

数据处理模块主要由Ａ／Ｄ转换芯片、锁相同步芯片和

ＤＳＰ数字信号处理芯片组成。Ａ／Ｄ转换芯片根据采样频率和精

度来对信号进行模数转换，由于要求电能质量在线监测仪的测量谐波次数达到５０次，采样率为１２８００ｐｂｓ，因此为了保证Ａ／

Ｄ转换精度，减小测量误差，电能质量在线监测仪的Ａ／Ｄ的分

辨率至少应为１４位。由于ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２芯片内置的１２位Ａ／１１０

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Ｄ转换模块不能满足要求，外接一片１６位Ａ／Ｄ转换芯片

ＡＤＳ８３６４，以实现信号的模数转换。ＡＤＳ８３６４是具有６个可同步采样的数据通道的１６位并行Ａ／Ｄ转换芯片。ＡＤＳ８３６４与ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２ＤＳＰ芯片接口电路如图２所示。

图２

ＡＤＳ８３６４与ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２芯片接口电路

Ａ／ＤＳ８３６４芯片的Ａ／Ｄ转换由ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２芯片内部定

时器中断／ＩＮＴ０（低电平有效）来控制，中断周期被设置为每周

波采样２５６点。Ａ／Ｄ转换完成后，电路将触发中断信号／ＩＮＴ０给ＤＳＰ，ＤＳＰ读入实时数据到ＲＡＭ中，开始执行ＦＦＴ单元，计算电网的各种电力参数，分析电网的电力质量信息。系统软件主程序流程图分别见图３所示。

图３

主程序流程

２．３存储器扩展

在数据处理中，为保证实时监测数据的存储记忆以及断电

状态下供电可靠性指标的监测必须具有大容量掉电不丢失数据ＲＡＭ。虽然ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２芯片具有内置１２８Ｋ的Ｆｌａｓｈ，但还需外扩存储器，用来保存一些配置参数、

状态数据、分析数据和需要长期保留的数据。我们外扩了一个ＳＲＡＭ，选用的芯片是ＩＣ６１ＬＶ６４－１６［４］。

ＩＳ６１ＬＶ６４－１６芯片是６４Ｋ＊１６位的存储器，存储器占用的地址空间共有２５６Ｋ，因此片外存储器实际占用地址０ｘ０８００００～０ｘ０８ＦＦＦＦ。ＩＣ６１ＬＶ６４－１６与ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２接口电路如图４所示。

２．４通信模块

电能质量监测技术的发展趋势是在开发性能优异的在线

能有：

（１）符合ＥｔｈｅｒｎｅｔＩＩ与ＩＥＥＥ８０２．３标准；（２）全双工，收发可同时达到１０Ｍｂｐｓ的速率；（３）内置１６ＫＢ的ＳＲＡＭ，用于收发缓冲；

（４）支持８／１６位数据总线，８根中断线和１６根Ｉ／Ｏ地址；（５）支持ＵＴＰ、ＡＵＩ、ＢＮＣ自动检测。

按数据链路的不同，可以将ＲＴＬ８０１９ＡＳ内部划分为远程

电能质量监测仪的基础上，实现网络化的在线监测，采用实时在线监测，实时获得系统电能质量信息，提供给电力部门实时﹑精确的数据信息。因此，电能质量在线监测仪分析处理后的电能质量数据信息应通过网络传输给中心监测站，在电能质量监测和分析的基础上，实现电能质量的统一管理。

由于电力监测系统中，采用面向对象的一对一单元化监测模式，要求各个监测设备单元相互独立，单元的任意增加与缩减不影响整个系统的正常运行。监测设备单元具有免维护、抗干扰能力强、实时采集数据监测信号、高精度分析处理数据、通讯方式多样化的特点，能使上位中心监测站随意选择实时监测对象，并对任意的运行方式及不同的负荷工作周期进行实时监测。

基于ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２ＤＳＰ芯片开发的电能质量在线监测仪具有ＲＳ２３２和以太网通信接口。ＲＳ２３２串口实现点对点的本地数据传输，通过一台笔记本电脑或ＰＣ机与监测仪相连，实现现场数据的监测分析，灵活方便。虽然可通过ＲＳ２３２串口组建电能质量在线监测系统，但由于串口本身的传输速率低，不能满足电能质量在线监测系统的数据通信需求，而目前大量变电站已经接入本地局域网，通过局域网通信可以确保数据传输的可靠性、实时性，因此，选用电能质量在线监测仪的以太网接口来组建以太网通信网络，实现电能质量的系统监测和管理。

ＤＭＡ通道和本地ＤＭＡ通道两个部分。本地ＤＭＡ完成控制器

与网线的数据交换，主处理器收发数据只需对远程ＤＭＡ操作。

ＤＳＰ网络接口的设计选用跳线接口模式，用ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２ＤＳＰ芯片的扩展Ｉ／Ｏ口代替跳线器对ＲＴＬ８０１９ＡＳ进行初始化

配置，同时需要在ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２与ＲＴＬ８０１９ＡＳ之间进行电平转换。

３结论

基于ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２ＤＳＰ芯片的电能质量在线监测仪是

结合满足电力部门监测需求，严格遵照电能质量国家标准开发的。监测仪通过对电网中的各等级变电站和特殊点的指定线路的在线监测，精确测量出电网的电力参数，分析电网的电能质量数据信息，并通过串口实现现场数据的监测分析、实时显示；通过以太网通信接口组建电能质量在线监测系统，使电力部门实时﹑精确地了解电网的电能质量状况，在电能质量监测和分析的基础上，实现电能质量的系统化管理。（收稿日期：２００５年９月）

２．４．１串口设计

ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２ＤＳＰ芯片具有一个ＳＣＩ（串行通信接口），只

需加上驱动电路部分。驱动电路主要完成将ＳＣＩ输出的０至

参考文献

１．孙毅，唐良瑞，龚钢军．电能质量在线监测系统的设计与实现［Ｊ］．继电器，２００４；（１７）：１５～１７

３．３Ｖ的电平转换成异步串口电平的工作。转换电平的工作有ＭＡＸ２０２芯片完成，但由于它是５Ｖ器件，因此它同ＤＳＰ芯片

之间的信号线必须有电平转换，我们选用的是７４ＬＳ２４５。串口电平转换接口如图５所示。

２．全国电压电流等级和频率标准技术委员会．电压电流频率和电能质量国家标准应用手册［Ｓ］．北京：中国电力出版社，２００１

２．４．２以太网接口设计

网络通讯模块的设计中采用ＤＳＰ芯片作为数据处理的主

３．ＴｅｘａｓＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓＩｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ．ＴＭＳ３２０Ｆ２８１０ａｎｄＴＭＳ３２０Ｆ２８１２３２－ｂｉｔｆｉｘｅｄ－ｐｏｉｎｔｆｌａｓｈＤＳＰｓ［Ｓ］．２００３

４．北京瑞泰创新科技有限责任公司．ＩＣＥＴＥＫ－Ｆ２８１２－Ａ型ＴＭＳ３２０Ｆ２８１０ＤＳＰ开发板使用说明书．２００３

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ＣＰＵ，它直接驱动以太网接口芯片ＲＴＬ８０１９ＡＳ。ＲＴＬ８０１９ＡＳ是

价格低由台湾Ｒｅａｌｔｅｋ公司生产的以太网控制器，其性能优良、廉，在市场上１０Ｍｂｐｓ网卡中占有相当的比例［５］。它的主要性

（上接９６页）２叶飞，傅海阳．呼叫中心的技术研究和方案实现［Ｊ］．电力系统通信，２００１；（６）：３７～４２

３ＪｅｆｆｒｅｙＲｉｃｈｔｅｒ．王书洪，刘光明译．Ｗｉｎｄｏｗｓ高级编程指南［Ｍ］．第三版，北京：清华大学出版社，１９９９：３４～３７

参考文献

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