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基于DSP的电能质量闪变分析仪
摘要：本文将对 IEC推荐的电压波动闪变计算模型展开理论分析与研究，提出了基于 DSP的数字闪变分析仪的设计与实现；该闪变分析仪利用 TI公司的 TMS320F2812为主要平台，并以 ARM平台为显示终端搭建而成；经福禄克公司 Fluke 6100A电能功率标准源测试，结果满足闪变国家标准，为电压波动和闪变的测量提供了依据。 关键字：闪变；数字滤波器；DSP
0 引言
中国科学院等离子体物理研究所全超导非圆截面核聚变实验装置 EAST(Experimental Advanced Superconducting Tokamak)由 110KV变电所供电，其负荷对电网构成了极高容量的频繁冲击，可能破坏高压电网与电源系统的电磁兼容，造成电压波动，使一些仪器无法正常工作甚至损坏，闪变便是由电压波动引起的。
国际电热协会（UIE）和国际电工委员会(IEC)经过多年的研究，制定了国际统一的闪变定义和评价标准，提出了闪变仪的数学模型和设计规范。其闪变仪模型如图 1所示 。
本文将以此模型为基础，利用 TMS320F2812实现数字式闪变仪，并按照相关标准对闪变仪进行测试，测试结果表明，每经过 10分钟，闪变仪都能及时地对大量数据进行处理，并能迅速得到相应的短时闪变 值，具有很强的实时性，而且计算结果能满足精度要求。
1 闪变值计算的模型原理分析
IEC推荐的闪变仪按照框图可分为以下几个部分。
框 1是对信号进行调理，将市电电压调节到合适大小后输入，这部分不涉及算法。
框 2起模拟灯的作用，用平方检测方法从工频电压波动中解调出反映电压波动的调幅波。解调由截止频率为 35Hz的六阶巴特沃斯低通滤波器和截止频率为 0.05Hz的一阶高通滤波器完成。
六阶巴特沃斯低通滤波器的传递函数为
框 4包含一个平方器和时间常数为 300ms的低通滤波器，用来模拟灯 -眼-脑环节对灯光照度变化的暂态非线性响应和**效应。
框 5为闪变的统计分析，即根据框 4输出的 S(t)值进行在线统计分析。将 S(t)值分级并用积累概率函数 CPF的方法进行分析，在观察期内（ 10min），对上述信号进行统计，利用 5个规定值，计算得出短时闪变值，表达式如下
2 闪变分析仪的硬件结构闪变仪的硬件结构大致分为 3个部分。结构如图 2所示。
第一部分为前端信号调理及 AD采集电路，前端信号调理电路将输入的工频信号调整到-10V～+10V的范围，并经过 LM2902集成运放器提高输入阻抗后再输入AD。AD芯片采用 AD7656,AD7656为 6通道 16位、快速、低功耗、逐次逼近型ADC，输入范围可选择-10V～+10V或-5V～+5V。其内核采用 4.5V至 5.5 V单电源供电，最高采样率可达 250 kSPS。该器件内置低噪声、宽带宽采样保持放大器，可处理最高 8 MHz的输入频率，在本案中设置其采样率为400Hz，用 DSP的定时器模块定时触发 AD采样。
第二部分为 DSP相关电路，包括电源模块电路，复位电路，晶振电路，SCI模块，存储模块等。DSP与 AD的硬件连接如图 3所示。 AD7656内部含 2.5V参考电压同时也支持外部参考电压，复位时默认为外部参考，本案设计使用的是内部参考电压。当 H/SSEL=0且 REFEN=1时，内部2.5V参考电压启用，再将 RANGE引脚接低电平，AD的输入范围便为±4×VREF =±10V 。
DSP2812的定时器发出定时中断并由 GPIOA0引脚输出一个上升沿启动 AD转换，在转换期间 BUSY信号为高电平，转化完成后 BUSY变为低电平，所以可通过 BUSY向 2812发出下降沿外部中断请求，并在此中断请求处理函数中完成对数字信号的存储。
第三部分为实时显示部分，由 ARM模块实现，ARM核心采用三星公司 s3c2410芯片，外部扩展了 LCD触摸屏，用户可通过触摸屏控制闪变仪工作。
3 闪变分析仪的软件设计
下面介绍 DSP软件算法结构。在采样率为 400Hz时，若经 10分钟后才对数据（约 234k）进行处理，数据量很大，处理过程将很慢，严重影响实时性能。本文采用分时处理方法， AD采集 6s的数据后，马上对这 6s的数据进行处理，算出此 6s的瞬时闪变值并进行存储，当处理掉 100个 6s也即计算时间到达 10分钟时，将对这 10分钟内的瞬时闪变值进行统计分析，最终得到 5个特征值后代入公式得到短时闪变值。图4为程序流程图。其中ARM模块承担着开始 /结束控制信号的发送和最终结果的显示等终端功能的实现，用户可通过触摸屏发送开始/结束控制信号， DSP在收到信号后将开始/结束定时器工作，进而开始/结束 AD采样。
4 测试结果与分析
对闪变仪的测试采用 Fluke 6100A功率标准源校准电能表作为标准源， 6100A可通过用户设定的调制深度和频率对电压进行调幅来模拟闪变，其对闪变的测量方法由 IEC标准 IEC-61000-3-3所定义，是目前最准确、最全面、最灵活的电能功率标准源。仪器测试结果如下
表中使用了高频，中频和低频区域中的几个较有代表性的频率进行测量，闪变测试值较理论值 1的相对误差都在5%的上限要求之内，较好的满足了国标的精度要求。 闪变仪在低频区域的误差较大，包含下面几个方面的原因。 1 加权滤波函数在低频频段存在一定的误差 ，由此给低频段的滤波带来一定影响； 2 AD转化具有一定的量化误差；
3 采样频率越高，精度也将得到一定提高，但设计时也要考虑到运算量的大小；
4 在对瞬时闪变的统计分析中，将S(t)分为4000个等级，由此也引入了一定的量化误差。
5 结束语 本论文创新点：本文将 IEC推荐的闪变模型进行数字化设计，以 TMS320F2812为主要计算平台，并以ARM平台和触摸屏为输入、输出终端。
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