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基于DSP的电能质量数据采集系统设计
摘要：本文讨论了基于DSP的电能质量数据采集系统的功能，并详细介绍了该系统软硬件设计的具体实现。经过仿真试验证明，该系统稳定可靠，效果良好。
关键词：电能质量；数据采集；谐波；锁相环
1． 引言
随着国民经济地高速发展，电的使用也越来越广泛。但是,随着电网负荷地急剧加大，特别是由于冲击波,非线性负荷容量地不断增长,使得电网发生了电压波形畸变,电压波动与闪变和三相不平衡等多种电能质量问题。本文介绍的是一在线式电能质量数据采集装置,它具备6项国家电能质量标准监测能力，能够检测所有基本电力参数，可以实现测量的基本精度达0.2级，拥有丰富的数据传输，数据管理和图文报表功能，还可以根据用户需要扩展电能计量。
2． 系统的硬件设计
2．1 DSP核心处理模块
根据拟研制的电能质量数据采集装置的精度高的特点，系统选用浮点DSP芯片：TMS320C6711，它采用0.13微米的CMOS技术，内核电压为1.4V, I/O电压为3.3V, 具有高控制器的运算灵活性，同时其数字处理功能还接近阵列处理器；该处理器具有32个32位字长的通用寄存器以及8个非常独立的功能单元：4个浮点/定点ALU，2个定点ALU以及2个浮点/定点乘法器。
本项目的电能质量监测系统的DSP部分完成对12路被检测信号的模数转换、各项电能指标的分析技术、存储和上传，MCU部分完成对DSP数据的分析、存储和显示。DSP及其外围接口电路是整个DSP测量单元的核心部分，它由32位浮点DSP、振荡器+锁相倍频器 、电压监测及看门狗电路、片外程序FLASH、片外SDRAM、片外设置参数存储器FRAM等电路组成。
2．2 采样电路
此电路为硬件核心部分，采用同步采样方法。硬件同步的采样方式是一种预防式方法，主要采用锁相环电路来实现跟踪信号频率的变换，从而实时调整采样频率，实现同步采样。这种方法的优势是处理简单、直接、可靠，而且不占用系统资源。
2．2．1 过零比较和整形选相电路 电压信号先经过隔直滤波电路，然后进入过零比较器，得到一个与输入信号同频率的 TTL电平的方波信号后，再经过整形电路，得到一个上升沿陡峭、波形规则并且频率与输入电压信号相同的CMOS电平方波后，进入选相电路。
选相电路能自动选择电压的相别，在触发器和CPLD 可编程逻辑的控制选择下，按一定规律选择电压相别，并根据选中相别的电压产生过零信号提高给后续的PLL电路，以实现256倍的锁相倍频采样。
2．2．2 锁相倍频电路
由选相电路选中的信号PLL-IN直接进入锁相倍频电路，CPLD的编程逻辑编程控制倍频数，得到256倍频的硬件采样同步控制信号PLL-OUT。
本文以实现256倍频为例，在CPLD内实现两个十六进制计数器，从而得到输入信号PLL-IN频率的28倍输出直接输入到相位比较器的一个输入端BIN。BIN与来自压控振荡器的输出信号PLL-OUT相比较，比较结果产生的误差输出电压正比于两个信号的相位差，经过低通滤波器滤除高频分量后，得到一个平均值电压。这个平均值电压朝着减小压控振荡器输出频率和输入频率之差的方向变化，直至压控振荡器输出频率和输入信号频率获得一致。这时BIN和PLL-OUT两个信号的频率相同，两相位差保持恒定（即同步），也称做相位锁定。
2．2．3 ADC模/数转换电路
A/D转换电路采用芯片ADS8364，它是高速、低功耗，六通道完全独立的16位逐次逼近式模数转换器。主要用于测量基本电力参数和6项电能质量指标（电压偏差、频率偏差、不对称度、谐波、电压波动与闪动）与间谐波。
3． 系统的软件设计与分析
本系统中的软件采用C语言与汇编语言混合编程，其中主程序和一部分子程序用C语言编写，而一些运算量比较大的算法子程序使用汇编语言编写，这样可以提高软件的执行效率，最佳利用DSP芯片的软硬件资源。程序使用模块化设计，主要包括主循环模块、采集模块和数据显示模块。
3．1 主循环模块
主循环模块主要对电压波动与闪变、谐波与间谐波、电压短时变动、三相不平衡、电压与频率偏差、暂态振荡与暂态冲击及事件识别进行运算，并将计算结果存放在缓冲区内，当一个主循环检测完成后再将结果搬运至HPI 的数据交互区供MCU进行读取。在数据的运算和处理过程中，系统采用了多种计算方法以便更准确地检测各项参数。例如，采用数字滤波技术检测电压波动与闪变；采用小波变换来检测暂态振荡与暂态冲击；而为了精确检测间谐波，采用了多个周期的数据进行FFT计算，并在FFT计算前加汉宁窗以减少频谱的泄漏，在FFT计算完后又采用插值算法以消除栅栏效应。
3．2 采集模块
DSP在系统初始化以后，在中断服务子程序中将ADC转换后所得数据读入所分配的数据缓冲区，待总采样时间到后（例如1秒），利用数据就绪标志通知主循环模块可以提取数据使用与计算。程序流程图见图3。
3．3 数据显示模块
该模块对来自电网数据的处理结果进行统计分析和处理，得到诸如电网频率，电压（电流）基波有效值，各次谐波有效值，各次谐波相位，功率，阻抗，不平衡度，电压波动和闪变等。显示各种参数随时间变化的曲线，同时产生各种统计报告，对现场进行监控，实现异常或故障报警，故障数据的存储等。
4． 结语
本文的创新点在于采用浮点DSP作为电能质量监测的核心元件。目前，用于电能质量监测装置的DSP 多为定点DSP ，浮点DSP 相对定点DSP ，一方面精度相对要高、编程容易，能在短期内开发出高精度电能表；另一方面，动态范围大，提高了电能质量监测装置的鲁棒性。本系统经过现场运行表明，实时测量效果十分满意。
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