一种基于DSP的相量测量装置测量单元的实现

徐化东，井实

（电子科技大学自动化工程学院，四川 成都，611731）

0 引言

相量测量方面的研究应用被称为当前电力系统三项前沿课题之一[1]，是未来电力系统的主要技术之一[2]。相量测量装置(PMU)是利用高精度时钟触发对电网监测点的电压(电流)进行采样，并通过分析计算，将该监测点的频率、相角、幅值等信息提供给控制中心。PMU中测量单元直接影响装置测量的有效性和准确性，因此，设计高精度的测量单元对PMU的精确测量具有重要意义。

相量测量算法主要有过零检测法和离散傅里叶变换(DFT)法[3]。过零检测法[4]原理简单，易于实现，但是需要准确地判断零位，存在精度不高的缺点。离散傅里叶变换法可以准确地求出信号中的基波分量，且具有较好的滤波效果，因此，本文利用离散傅里叶变换法设计PMU测量单元。该单元以DSP芯片为主处理器，通过电流、电压互感器将电网二次侧的电信号直接引入，可以实现对线路电压、电流相量的实时测量，具有较高测量精度。

1 测量单元硬件电路设计

测量单元硬件电路包括电压、电流互感器，模拟带通滤波器，A/D转换电路，DSP芯片TMS320F2810最小系统。硬件结构如图1所示。

图1 单元硬件结构框图

1.1 电压、电流互感器

由于待测信号为强电信号，不适宜直接采集，必须用电压、电流互感器将强电信号变换为弱电信号。本文选用北京耀华公司的TAV14电压、电流互感器实现信号的变换。采用不同的接线方式，该互感器可以分别用作电压互感器和电流互感器，其具体接线如图2所示。

图2 TAV14互感器接线图

1.2 滤波器设计

PMU只测量基波信号，因此，滤波器设计为取中心频率f0= 5 0Hz，带宽 Δf= 1 0Hz的带通滤波器。本文在设计中考虑实时性的要求，滤波器选择为有源模拟带通滤波器。为保证较好的滤波效果并尽量使电路简单，单元选择二阶带通滤波器。本文根据文献[5]的设计方法设计了单元需要的滤波器。在设计单元中，选择无限增益多路负反馈有源二阶带通滤波电路形式。该电路运放为反相接法，由于放大器的开环增益无限大，反相输入端可视为虚地，输出端通过电容和电阻形成两条反馈支路。具有输出电压与输入电压的相位相反，使用元件少的优点。由于滤波后输出结果是反相的，在软件中必须要进行相位的反转。

本文在设计中要求通带中心频率处电压放大倍数Au=2，根据无限增益多路负反馈有源二阶带通滤波电路传递函数和二阶带通滤波器传递函数之间的关系，电路中各个参数为：C1=C2=C= 0. 2F，R1=39750Ω，R3=159100Ω，R2=1510Ω。实际电路幅频特性曲线如图3所示。

图3 实际电路幅频特性曲线

实际电路中由于使用电容、电阻与计算值存在误差，所以幅频曲线与理想状态有偏差，如图3所示，在频率为50Hz时幅频放大倍数为1.9，而在100Hz时幅频放大只有0.2，电路可以很好地通过基波信号，滤除谐波，所以滤波器满足设计要求。

1.3 单元数字电路设计

单元的数字电路包括A/D转换电路、DSP芯片TMS320F2810最小系统及电平转换模块。文本选用的A/D转换芯片是ADS8556。

ADS8556的输出为5V的TTL电平，而DSP芯片TMS320F2810的电平为3.3V，为实现2者之间的正确通信，必须要进行电平转换，本文选择的74ALVC164245芯片进行5V与3.3V双向电平转换。

2 测量单元软件设计

单元软件设计主要是在DSP中实现对GPS信号的分频，读取ADC转换结果，离散傅里叶变换，相位翻转，DFT修正算法，正序、负序、零序相量求解等数据处理过程，软件流程如图4所示。

图4 单元软件流程图

本文采用离散傅里叶变换法得到电压、电流基波幅值、相角。单元在设计中使用TMS320F2810自带的快速傅里叶变换(FFT)函数库进行离散傅里叶变换得到基波信号的幅值和相角。根据文献[6]的要求，单元在设计中采样率为s/6400 ，即每个周期采集128个点。使用DSP芯片自带的函数库，以下的关键代码就可以完成基波分量的计算：

for(i=0;i＜128;i++)

{

ipcb[i]=ipcb1[i]；

}

RFFT32_brev(ipcb,ipcb,N);

fft.split(&fft)；

Xr= (double)ipcb[2]；

Xi = (double)ipcb[3]；

Xr是基波分量的实部，Xi为基波分量的虚部。

由于采用的模拟带通滤波器是反相输出的，必须要进行相位翻转以得到实际的基波相位，对FFT的变换结果Xr和Xi进行反正切变换可得到基波相位而实际相角完成相位的反转。

由于电力系统的频率不可能始终为额定工频，因此无法保证采样频率为实际工作频率的整数倍，这时DFT变换就会出现频率泄漏。在单元中，为了消除或减小DFT计算误差，需要对DFT算法进行修正和改进，以提高测量的精度。

电力系统在正常运行时，三相是对称的。但在系统出现故障时，三相就出现不对称的现象。为分析电压、电流不对称时系统状况，提出正序、负序、零序的概念。任意的三相系统都可以分解出上述3个分量，只是对称系统中只有正序分量，负序和零序分量为零。本文采用对称分量法求解电压、电流相量的正序、负序和零序分量。

3 测试结果与分析

单元设计完成后，在实验室的电力系统综合自动化实验台上进行了测试。测试得到基波电压、电流幅值、相角结果较为精确，可以实现准确的频率跟踪。实验台并入国家电网后得到频率状态如图5所示。

图5 单元测试频率状态图

图为单元测试30min得到的数据在MATLAB中绘制而成，从图中可以看出，频率围绕50Hz以较小幅度上下波动，并且与实验台上频率显示数据

保持一致。因此，单元可以准确地反应线路中电压、电流的频率变化，实现线路相量的精确测量，满足PMU测量要求[8-9]。

4 结论

本文基于DSP设计了相量测量装置的测量单元，并对单元进行了测试。测试结果表明，本文设计单元可以实现线路电压、电流相量的实时测量。该单元测量精度较高，可以满足相量测量装置的测量要求，为电力系统稳定监控提供关键参考量。

[1]杨以涵，张东英，马骞，等.大电网安全防御体系的基础研究[J].电网技术，2004，28(9)：23-27.

[2]周孝信.面向21世纪的电力系统技术[J].电气时代，2000(2):6-8.

[3]张超.同步相量测量单元PMU的研究[D].南宁：广西大学，2007.

[4]周捷，陈尧，崔建中.母线电压同步相角测量算法研究及实现[J].继电器，2002，30(3)：13-16.

[5]骆新全，吴小泉，李行星.电子电路与系统实验[M].北京：中国广播电视出版社，2009：176-178.

[6]国家电力调度通信中心.电力系统实时动态监测系统技术规范[S].2004.

[7]王茂海，孙元章.基于DFT的电力系统相量及功率测量新算法[J].电力系统自动化，2005，29(2)：20-24.

[8]许树楷，谢小荣，辛耀中.基于同步相量测量技术的广域测量系统应用现状及发展前景[J].电网技术，2005，29(2)：44-49.

[9]张胜.同步相量测量标准化的有关问题讨论[J].电力系统自动化，2007，31(2)：91-93.