基于DSP的电网谐波检测系统的设计与实现

【摘要】随着我国经济与社会的快速发展，电力工业的日益壮大，电力系统谐波已经成为电力领域日益重要的研究课题。谐波检测是解决其他谐波相关问题的基础和重要依据，因此进行谐波检测的研究具有重要的理论和实践意义。本设计以基2-FFT算法为基础，在以DSP芯片（TMS320F28335）为核心的控制器上实现256点FFT运算。系统硬件部分主要由电源转换电路、信号转换与调理电路、DSP控制器模块与液晶显示组成，实现对电网谐波的测量与显示。

【关键词】电网谐波;基2-FFT;DSP

Abstract：With the rapid development of our economy and society and the fast growing of electric power industry，the harmonic of power system has become a research subject of electric field which is becoming more and more important in our life.Harmonic detection is the foundation and the important basis to solve the problem of harmonic related to others，so the research on harmonic detection is of great theoretical and practical significance.This design core algorithm is based on 2 FFT principle，using the DSP chip （TMS320F28335） as the controller to realize the 256 point FFT arithmetic.System hardware is mainly composed of power conversion circuit，signal transformation and conditioning circuit，DSP core controller and LCD，realize the power grid harmonic measurement and display.

Key Words：power grid harmonic;based on 2-FFT;DSP

引言

当今社会随着科学技术的突飞猛进，各行各业对高质量电力的需求不断增加。各式各样的电气设备投入到电网中，产生了大量对电器设备造成损害的谐波，因此对电网谐波的抑制刻不容缓。而对电网谐波的测量恰恰是谐波抑制的首要任务，是谐波抑制的前提和依据。

1.系统硬件设计

如图1所示，本系统的硬件以DSP芯片TMS320F28335作为核心控制器，辅以电源电路、信号调理电路及同步采样电路，能够实现对电网电压信号向0～3V采样信号的转换并且提供AD同步采样的触发信号。DSP芯片将采样到的信号进行FFT运算并显示在LCD上，能够直观地体现信号的频域信息（即电网的谐波信息）。

图1 系统硬件结构框图

1.1 信号调理电路

信号调理电路主要包含电压跟随器、加法电路电路和反相电路。如图2所示，信号调理电路先将220V交流电经变压器降压，使得signal_0的峰峰值在3V内（-1.5V～+1.5V），此信号进入电压跟随器后再与1.5V基准相加，使signal_1信号的电压范围在0～3V内。

图2 信号调理电路

1.2 抗混叠滤波电路

在将同步采样信号进行FFT运算时，为了防止频谱混叠，需要添加前置抗混叠滤波器即低通滤波器，滤除信号中的高频分量。由于本系统需要检测的是电网电压信号的前20次谐波分量，因此本系统在电网电压信号测量时只处理频率在1KHz以内的信号成分，而对于其它部分信号的滤除对本系统的运行并无影响。

图3 二阶巴特沃斯低通滤波器

理想的有源低通滤波电路的频率响应在通带范围内具有一定幅值和线性相移，而在阻带范围内其幅值应为零，但实际的滤波电路却难以达到理想的要求。如果要同时在幅频和相频两方面都满足要求就会显得更加困难，因此只能根据实际需要寻求最佳的特性。由于本系统中需要幅频响应在通带内具有尽可能平缓的幅度特性，鉴于此本系统选择二阶巴特沃斯低通滤波电路，如图3所示。

1.3 同步采样电路

由于电网信号的频率并不是固定不变的50Hz，而是在50Hz上下波动的，当使用DSP对电网信号进行处理与分析时，就会面临采样信号频率和输入信号频率如何同步的问题，即对输入信号的同步采样。如果假设电网电压信号的频率为50Hz固定不变，此时就可以通过采用DSP内置的定时器以采样周期固定不变方法对输入信号进行AD采样，但是当电网电压信号开始波动时，将采样的信号进行FFT运算处理时，就会不可避免的产生误差从而导致频谱的泄漏。因此本系统采用了锁相环锁相倍频电路来控制对信号的同步采样，具有实时性好、精确度高的优点。如图4电路，signal_out信号进入由CD4046与CD4520组成的锁相倍频电路，得到256倍于电网频率的方波信号，为DSP提供AD采样的中断触发信号。

图4 锁相倍频电路

2.系统软件设计

系统软件设计主要包括：DSP片上外设初始化、液晶的初始化、基2―FFT算法、按键控制与液晶的显示。具体工作方式为：当系统得电后，首先在进行DSP及液晶的初始化程序后等待按键K0动作，当按键K0按下后，开始对电网电压信号进行采样。之后若K1按下，则对采样的256点进行FFT运算并将计算后的频谱于液晶上显示，若K2按下则将一个周期的256个采样点组成的波形于液晶上显示。程序流程图如图5所示：

图5 程序流程图

3.系统调试

在系统设计时考虑到如若对信号进行实时采样并将结果显示，可能会出现观察者尚未完全看清本次采集的信息，液晶的画面就已切换。因此本系统采用按键控制每一次采样的开始。此外，为了能够更加清晰地观察电网的信号的时域与频域信息，本系统能够控制液晶显示画面的切换。本系统提供两种画面显示：（1）采样信号的时域波形如图6所示;（2）采样信号的频谱信息即电网电压信号的前20次谐波的频谱如图7所示。

图6 采样所得波形

在图7中可以观察到3次谐波的成分很高，约为基波的四分之一。从图中还可以发现电网电压信号中的奇次谐波含量较高，而偶次谐波的成分相对较少。高于7次的谐波即频率大于350Hz的信号几乎为零。

图7电网信号的20次谐波频谱

4.结语

本文介绍了一种基于DSP的电网谐波检测装置的实现，该装置能够简易直观地体现出电网中的谐波信息。但是该系统在谐波检测算法上还有待提高，若能把小波变换和加窗插值FFT算法合理结合，并用它来分析谐波参数，将有效地提高电网谐波检测的精度。

参考文献

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作者简介：

王迪（1990―），男，江苏徐州人，现就读于常熟理工学院电气与自动化工程学院测控技术与仪器专业。

通讯作者：李鑫（1983―），男，安徽亳州人，硕士，实验师，主要从事智能控制技术与现代检测技术等方面的教学与科研工作。