基于DSP谐波检测系统的硬件设计

摘要：本文基于dsp微处理器技术所具备的强大的数据处理和运算能力以及电力系统中对谐波检测的要求来设计改善硬件系统，有效地抑制谐波，提高对电能质量的监测。

关键词：DSP；谐波检测系统；硬件设计

中图分类号：TP273.5 文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2011) 19-0000-01

Hardware Design Based on DSP Harmonic Detection System

Ran Xiaoxu

(School of Electrical Engineering,Northwest University for Nationalities,Lanzhou730030,China)

Abstract:Based on DSP microprocessor technology with powerful data processing and computing power,and power system requirements for harmonic detection system designed to improve the hardware to effectively suppress harmonics and improve power quality monitoring.

Keywords:DSP;Harmonic detection system;Hardware design

DSP（digital signal processor）是一种独特的微处理器，是以数字信号来处理大量信息的器件。20世纪60年代以来，随着计算机和信息技术的飞速发展，数字信号处理技术应运而生并得到迅速的发展。DSP微处理器技术的优势在于强大的数据处理和运算能力。而在电力系统中，电网的一大公害就是谐波，且随着科学的飞速发展，大量非线性负载涌现到电网中，像电力电子调频、可控硅整流装置等设备，电能质量每况愈下，这方面的问题越来越突出，并当谐波超出一定程度就会产生诸多危害，比如：电机产生噪音和不健康机械振动，电力系统保护装置产生误动等等。对解决谐波问题具有指导作用的就是加强对电力系统中的谐波检测来抑制谐波。因此，将DSP上述强大的优势引入谐波检测系统硬件和软件的设计中意义重大：基于DSP的谐波检测系统将会提高测量精度，增强控制的准确定等。本文就减轻谐波危害，运用DSP技术进行谐波检测系统的硬件设计进行了说明。

一、电力系统中的谐波危害

而在电力系统中，随着科学的飞速发展，大量非线性负载涌现到电网中，像电力电子调频、可控硅整流装置等设备，它们的冲击及不平衡性造成电网无功损耗被动增加，波形畸变，以致于电能质量逐渐恶化，影响电网安全、有效运行。毫无疑问，要提高供电质量，保证电力系统安全有效地运行，首先需要解决的就是谐波检测问题。目前趋于成熟的谐波测量方法还是常用的基于FFT理论法――即采用快速傅里叶变换分析非正弦连续周期函数。此法优点在于计算方便，精度高；缺点就是采样需要一定的时间而使实时性较差，且要进行两次变换而使计算量较大。随着FFT的广泛使用，在人们对其性能进行改善的过程中，超大规模的集成电路系统的性能也在不断被改善，给前者的应用提供了方便，尤其DSP微处理器。DSP强大的数据处理和运算能力给谐波检测应用系统的改善灌注了新生的力量。

二、基于DSP谐波检测系统的硬件设计

DSP也就是微处理器技术，基于DSP的应用系统的设计过程是一个对系统不断完善的过程，这就包括硬件和软件的修改及完善。在此，我们仅探讨基于DSP谐波检测系统的硬件设计方面的内容。硬件是应用系统所有实体部件和设备的统称，在软件的配合下，共同完成系统输入、处理、存储和输出等4个操作步骤。根据各部件不同功能还可进行分类。我们的DSP硬件电路应由微控制器、采样电路（电流电压互感器）、复位电路、键盘、液晶显示器、执行机构等几部分组成，通过电流信号采样，把采集到的数据传至DSP分析数据，获得当时谐波情况，再由波控制器判断是否使用滤波器。

硬件设计过程包括：首先，需要根据应用系统的模型确定设计硬件的功能，对DSP谐波检测系统的硬件而言就是要检测电力系统的谐波干扰；其次，对硬件进行逻辑设计；最后，就是物理实现过程。具体设计过程需要注意如下细节：

（一）微控制器

采用最佳的应用于测控系统的DSP芯片，片内应集中锁相环电路，将频率较低的外部时钟整合为内部频率较高的工作时钟；此外他要还含有许多片内存储器及编程用的I/O引脚及A/D转换器，而无需附加外部A/D芯片。

（二）采样电路

因为DSP芯片AD采样有最大电压信号输送限制，所以，要配备电流、电压互感器，将电流和电压信号在送至AD口之前进行调理，并且为防止AD口被烧坏，必要时加设一个限幅电路。

（三）过零检测电路

过零检测电路也叫方波发生电路，在谐波分析同步采样过程中发挥着重要的作用。具体过程是过零检测电路把电压信号转变成相同频率的方波信号，然后DSP捕获方波上沿，跟踪电网频率，实现同步采样。

（四）键盘和显示器

键盘和显示器硬件设备对人机对话必不可少。对键盘可采用小键盘，以及对键盘实行中断扫描模式――当有按键闭合时会向DSP发送中断请求，然后DSP在中断服务程序中处理。显示器则可采用简单的液晶显示器，降低硬件设计成本以及调试难度。

（五）执行单元

执行单元继电器的供电电压要远高于DSP供电电源和IO输出口的电压，为了防止高电压进入DSP，造成DSP的损坏，需要对继电器输出的控制信号进行隔离，并在继电器的开关侧安装阻容，减小开关开启和闭合时的冲击。

对电力系统中的谐波进行精确、快速的测定可有效确保谐波处于良好的控制管理下，保证电网正常运行。文章通过分析谐波的来源及危害，说明了监测电力系统谐波意义重大。通过改进硬件同步采样线路，实现对电信号实时采样，减轻FFT运算本身频谱泄漏给结果带来的负面影响，实时监控谐波，大大减少了电力系统中的谐波危害。

参考文献：

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[4]方重秋.电力系统谐波的产生,危害及其抑制[J].文教资料,2006,15

[作者简介]冉晓旭（1987.9-），男，土家族，甘肃兰州，西北民族大学电气工程学院，2008级电子信息工程专业。