基于DSP的电能质量检测装置的软件设计方法

三峡电力职业学院 徐金雄

基于DSP的电能质量检测装置的软件设计方法

三峡电力职业学院 徐金雄

为有效地测量电能质量，提出一种基于DSP（数字信号处理器）的电能质量在线检测装置的软件设计方法。该方法以芯片TMS320VC33为硬件基础，结合模块化设计理念，使得新设计结构简洁，实时性好。

电能质量实时检测；DSP；FFT算法

1.引言

微电子技术的发展使得各种电气自动装置广泛应用，极大的提高了社会生产力，而这些装置对于系统中电能质量的下降极为敏感，因此在生产实践活动中出现许多严重事故，造成许多巨大的损失。现在如何提高电能质量，确保用电设备安全稳定的运行，已成为国内外广泛关注的焦点之一。本文概述了电能质量问题的背景，较为全面的论述了电能质量问题的现象。重点放在了电能质量的测量上，从有关标准入手，分析了基于DSP新型电能质量监测装置的软件设计。

2.软件开发流程与设计原则

2.1 软件开发流程

DSP的开发工具包括代码产生工具和代码调试工具。代码产生工具对用户开发的高级语言或汇编语言源代码进行编译，生成可以在目标DSP上运行的可执行代码。代码调试工具根据调试者的命令观察DSP的状态，控制DSP代码的执行，进行结果显示，对用户的代码进行调试或性能测试。

TMS320C3X/C4X的C编译器是一个功能齐全的优化的编译器。它的主要功能是把标准的ANSIC语言程序转换成TMS320C3X/C4X能够识别执行的汇编语言代码。采用优化编译可以生成高效率的汇编代码，从而提高程序的运行速度，减少目标代码的长度，TMS320VC33软件开发过程如图1所示。

2.2 软件设计原则

本系统软件设计采用模块化设计方法，针对本系统要实现的是对电力系统数据实时采集、分析计算，并做到在线监测的目的，在软件设计上有以下原则：

实时性：电能质量监测装置要实现的是对电网数据实时采集分析计算，既要不间断的采集数据，还要在运行期间实现同步计算。

快速性：在硬件上要求采样和计算芯片的高速性，软件上要求算法的高效率，从而可以在每64点采样间隔的时间内完成各个电能质量参数的计算和数据存储，以能实现计算和采样的同步性。

可扩展性：对于软件系统来说，CCS的函数库十分完善，软件系统可通过对DSP程序的更新来达到算法的升级，例如在将来系统中可以引入小波变换的算法等进行数据分析，实现对瞬态电能质量的分析。

高效性：在设计能实现系统功能的软件时，采用模块化设计的方法，利于功能的调整，使程序简洁明了。

3.系统流程图介绍

3.1 DSP主程序流程图

DSP主程序框图如图2所示。开机后DSP进入引导程序开始系统初始化。首先，为了使串口能够配合ADS8364开始工作，要对其与DSP的串口进行设置。ADS83b4与DSP采用硬件相连，ADS8364的时钟信号CLK也由DSP控制产生。在系统启动后，ADS8364的/HOLDA、/HOLDB、/HOLDC管脚直接由锁相倍频电路的输出和DSP外部标记管脚XF共同控制。在数据转换结束时，ADS8364向DSP的/INTl管脚输入低电平申请中断，系统进入中断服务程序，将采样数据输入DSP芯片，DSP在接收采样数据结束后，对接收数据进行FFT运算和各种电能质量指标分析，在分析出现异常时进行相应的处理。

3.2 数据采集流程图

数据采集程序框图如图3所示。系统运行后，ADS8364的数据输出方式被确定为16位循环方式，其采样频率和过程由锁相倍频电路和DSP芯片共同控制。CD4046和CD4040组成锁相倍频电路，其中的CD4046对所要检测的交流信号进行锁相，然后进行128倍频，如果系统设置为64次/周期采样速率，则用分频器CD4040对此信号进行2分频后与DSP芯片共同控制ADS8364的/HOLDA，/HOLDB，/HOLDC管脚，这样就可以保证每周期均匀采样64点，避免了频谱的泄漏。ADS8364的/EOC信号连接到DSP的中断引脚/INT1上，在数据转换结束时，引脚/EOC变为低电平，触发/INT1中断，进入中断服务程序，由DSP控制ADS8364的/RD和/CS管脚，进行数据的读操作。在读取数据完6组数据后，由DSP的外部标记管脚XF向ADS8364发出复位信号，并关闭中断。至此，数据采集结束。

图1 TMS320VC33软件开发过程

图2 主程序流程图

图3 数据采集流程图

图4 数据处理流程图

图5 FFT数据倒位序流程图

图6 按时间抽选的基-2FFI算法流程

3.3 数据处理流程图

数据处理部分主要对数据采集部分所得到的离散信号进行处理，运用各种算法实现电能质量指标以及其它电气量的计算与分析。即进行时域的电压扰动、频率偏差、三相不平衡度，以及功率、电流等计算；而离散化信号经过FFT运算可实现其频域内的基波和各次谐波分量的数值计算。

采样数据处理如图4所示。时域的离散值计算主要实现三相电压、电流的有效值计算，即对64点采样值进行均方根值计算。对于计算能力很强的DSP来讲，其占用的处理时间很短，很容易实现。

在频域的计算中，主要是进行FFT运算，该算法与传统的DFT算法比较起来，大大减少了运算的次数，并可以由DSP完成。FFT算法有按时间抽选的基-2FFT算法(DIT)和按频率抽选的基-2FFT算法(DFT)，在此采用按时间抽选的基-2FFT算法(DIT)来计算，并使其输入为倒位序、输出为自然顺序。这样FFT程序包括变址(倒位序)和L级递推计算( N = 2L，L为正整数)两大部分。

FFT变址(倒位序)流程图如图5所示。由图5可知，在进行倒位序变址处理时，设A(I)表示存放原自然顺序输入数据的内存单元，A(J)表示存放倒位序数的内存单元，I，J=0.，1，2，…，N-1(N=64)。按倒位序规律，当I=J时，不用变址；当IJ时，就不需要变址，否则变址两次等于不变址。

在实现倒位序转换后，按时间抽选的基-2FFT算法流程图如图6所示。从图中可知，FFT整个L级递推过程由三个嵌套循环构成。外层的一个循环控制L( L = l og2N= l og64 = 6)级的顺序运算；内层的两个循环控制同一级(M相同)各碟形的运算，其中最内一层循环控制同一种(即 Wr中的r相同)碟形运算，而中间一层

N循环控制不同种碟形结的运算。I，IP是一个碟形结两个结点。

针对电能质量监测系统的特殊要求，采用以上软件设计，结合系统的硬件连接，可以实现对电能质量各项指标的实时采集和分析。并通过判据整定，记录超差数值，为电力系统的运行状况的改善提供科学依据。由于DSP的软件编程有其本身的特点，在算法实现的过程中还注意了以下几点：仔细研究DSP器件内部结构并灵活使用其指令系统，充分发挥了芯片的性能；尽可能使用并行指令、寄存器，用内部存储器代替外部存储器；应用单指令和块重复结构，避免循环花费附加的时间；计算时尽量避免指令系统本身没有提供的运算，在必须进行迭代运算时，注意迭代次数与计算精度的关系。

4.结论

本文在分析了电能质量的基本理论后，通过具体了解国内外现有监测仪器的结构、性能，选用了具有计算处理能力强、运算速度快等优点的DSP芯片，确定了电能质量监测系统的实施解决方案，重点进行系统软件的优化设计。针对系统所要完成的功能，进行了主程序及实现各部分功能的子程序设计。首先考虑系统程序应该作到功能完善，尽量简洁，以减少运行时间。其次为了既能实时采样，还能实时分析，应用了中断技术，尽量减少DSP主程序运行的时间开销。

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[2]任震.小波分析及其在电力系统中的应用[M].北京:中国电力出版社,2003:23-35.

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徐金雄（1984—），湖北黄梅人，三峡电力职业学院助理讲师，研究方向：电力系统自动化。