謝長波 張領(lǐng)中 胡 超

（安徽理工大學電氣與信息工程學院，安徽 淮南232001）

0 引言

隨著大量電力電子設(shè)備的使用造成大量的非線性負荷和不對稱負荷接入電網(wǎng)，致使電能質(zhì)量不斷惡化，比如變頻電動機、礦井提升機、大量的異步電動機都是諧波的主要來源和電壓波動閃變的主要原因，由于以前對電能質(zhì)量重視程度不夠，好多礦井下的低壓或高壓補償都不是濾波器，會造成諧波一定程度的放大，并且由于礦井自身的電力系統(tǒng)特點，電纜長度一般很長，出線很多，容易產(chǎn)生諧振。煤礦作為一門特殊的行業(yè)，面臨的電能質(zhì)量問題日益嚴重，對電能質(zhì)量的要求特別嚴格。本文針對煤礦行業(yè)的特殊性，提出一種基于DSP的井下電能質(zhì)量在線監(jiān)測，本系統(tǒng)可以很好的實時遠程在線監(jiān)控，及時的對采集數(shù)據(jù)進行分析處理，可以為用戶提供有效的決策。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及功能

本系統(tǒng)采用數(shù)字信號處理器DSP和高精度數(shù)字采樣芯片AD并配合LCD顯示各通道波形和計算分析結(jié)果，采用大容量存儲設(shè)備記錄存儲采樣波形和分析結(jié)果，以單片DSP芯片為核心，建立起多種通信方式，其中利用帶有硬件協(xié)議棧的網(wǎng)絡(luò)控制芯片W5100實現(xiàn)大量數(shù)據(jù)高速遠程傳輸，使得軟件開發(fā)時間大大縮短，可靠性也得到提高，完成基于DSP的硬件電路設(shè)計及相關(guān)軟件設(shè)計。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括信號調(diào)理電路、AD轉(zhuǎn)換電路、DSP處理電路。本監(jiān)測設(shè)備具有小型化、便攜式、多功能的特點，可用于井下電能質(zhì)量的實時在線監(jiān)控。

圖1

數(shù)據(jù)采集部分在系統(tǒng)中占有比較重要的地位，數(shù)據(jù)采集的精度直接影響到后面的處理結(jié)果，它的合理設(shè)計能能提供預(yù)期的采樣速度，簡化電路，提高電路抗干擾性能。這部分主要包括電壓互感器、電流互感器和AD轉(zhuǎn)換芯片等。DSP數(shù)據(jù)采集與處理電路主要完成控制AD對信號的多路同步采集并進行電能質(zhì)量相關(guān)測量參數(shù)的運算，再將運算結(jié)果通過串口傳給RS485，RS485在傳給上位機，同時將采集的電壓電流的原始數(shù)據(jù)保存到SD卡中，通過獨立的以太網(wǎng)接口，實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)通訊和實時在線監(jiān)控。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 電壓和電流互感器

在實際測量中，必須對輸入的電壓和電流進行必要的處理，才能作為采樣單元的輸入，為了保證系統(tǒng)工作安全可靠，相電壓采樣采用電壓互感器，電流采樣采用電流互感器隔離變換，為了保證諧波測量的準確性，要求電壓和電流互感器在50Hz~2500Hz的頻率范圍內(nèi)具有一致的頻率響應(yīng)特性。為防止直流分量使互感器飽和，要使用抗直流分量的互感器。

電壓互感器采用霍苑公司的HTP205A互感器，它的最大輸入、輸出電流均為10mA，有0.1%級的精度，即變比為2mA：2mA，工作溫度在-35℃~+60℃。

電流互感器為霍遠公司的HCT206-AF互感器，它的最大輸入電流為20A，最大輸出電流為10mA，有0.1%級的精度，即變比為5A：2.5mA，工作溫度在-35℃~+60℃。電流互感器的使用方法和電壓互感器的使用方法相似。

2.2 AD采樣芯片的選擇

在電量采集過程中，由于存在諧波等干擾因素，因此如何準確、快速的采集電力系統(tǒng)中的各個模擬量一直是電力系統(tǒng)研究中的熱點。電力系統(tǒng)中經(jīng)常需要測量多路電壓及電流信號，當電網(wǎng)頻率變化時，必須采用同步技術(shù)才能保證采樣計算的精度。本文采用美國AD公司的AD73360型AD變換器及美國TI公司推出的2000系列DSP TMS320F2812很好地實現(xiàn)了高速同步采樣，并且實現(xiàn)電力參數(shù)在時域的計算。AD73360使用六線工業(yè)標準同步串行接口與CPU接口，由于接口信號線的數(shù)目只有6條，所以這樣不僅節(jié)約了印制板的面積，而且也有效的減小了電磁干擾，從而使得系統(tǒng)運行更加穩(wěn)定。TMS320LF2407支持6線工業(yè)標準同步串行接口，所以AD73360與DSP經(jīng)過及其簡潔的連接后即可實現(xiàn)高速同步交流采樣，另外，由于AD73360具有6個同時采樣的的模擬量輸入通道，所以特別適合于三相制電力運行參數(shù)測控類應(yīng)用系統(tǒng)。

2.3 DSP數(shù)據(jù)采集與處理電路

DSP主要作為計算各項電能質(zhì)量參數(shù)的平臺，采用TMS320F2812作為主芯片，它是美國TI公司推出的頂點32位DSP芯片，主頻最高可達150MHz，處理性能可達150MIPS，每條指令周期6.67ns，能和好地滿足實時性需求。在DSP中主要完成電信號的采集、各個監(jiān)測量的計算。

三相電壓、三相電流分別經(jīng)過電壓、電流互感器變換，在經(jīng)過電阻取樣和電容濾波變換為適合采集的交流信號，然后以差分方式輸入AD轉(zhuǎn)換芯片AD73360內(nèi)進行采樣轉(zhuǎn)換，最后AD通過DSP的McBSP接口將采樣數(shù)據(jù)送給DSP做相關(guān)數(shù)字信號處理。AD73660與F2812的硬件接口電路如圖所示。

圖2

圖3

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

DSP是整個系統(tǒng)的核心，系統(tǒng)的功能都是由這個核心部分來完成的。整個系統(tǒng)的軟件主要由以下幾個部分構(gòu)成：系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、液晶顯示、參數(shù)遠程傳輸?shù)?。所需要完成的任?wù)是正確的控制AD采樣并對采樣結(jié)果進行傅里葉變換，計算電網(wǎng)參數(shù)，把參數(shù)正確地顯示在LCD上，統(tǒng)計參數(shù)并保存整點數(shù)據(jù)，實現(xiàn)與上位機的正常通訊。

系統(tǒng)程序流程圖如圖3所示，本系統(tǒng)是基于DSP的井下電能質(zhì)量在線監(jiān)控，其主要監(jiān)測的指標有：三相電壓、三相電流不平衡度、各次諧波電壓、電壓波動及閃變等。同時系統(tǒng)有LCD及鍵盤的人機交互界面，SD卡的數(shù)據(jù)存儲等功能。

4 總結(jié)

本文設(shè)計立足于煤礦井下電能質(zhì)量的特殊性，以DSP為整個系統(tǒng)的核心，研制出了一套功能完備的井下電能質(zhì)量實時在線監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計方案穩(wěn)定可靠，系統(tǒng)性能穩(wěn)定。而且具有很好的人機交互界面，提供了以太網(wǎng)接口，可供用戶實時讀取監(jiān)測數(shù)據(jù)，同時，用戶可以很方便的通過以太網(wǎng)接口對監(jiān)測時的閥值等信息進行設(shè)定，很好的滿足了現(xiàn)代電能監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、實時性的要求。

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