DSP與LabWindows／CVI的電力故障監(jiān)測錄波器設(shè)計(jì)

摘要：針對現(xiàn)有電網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測錄波系統(tǒng)的缺陷，設(shè)計(jì)出一種結(jié)合DSP與Labwindows／CVI軟件的故障錄波器。分析了FFT精確快速分析諧波的能力及其在DSP上的實(shí)現(xiàn)方法。介紹了硬件結(jié)構(gòu)原理，給出硬件設(shè)計(jì)框圖和LabWindows／CVI控制的軟件流程，并研制出故障錄波器。所測結(jié)果可通過LabWindows／CVI軟件在電腦上實(shí)時(shí)顯示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了DSP運(yùn)用FFT分析算法的快速性和準(zhǔn)確性，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，有較好的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：電力故障監(jiān)測錄波；TMS320F28335；LabWindows／CVI；AD7656；FFT；C8051F005

引言
故障錄波器是提高電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要自動(dòng)裝置，當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障或振蕩時(shí)，能自動(dòng)記錄故障點(diǎn)前后一定時(shí)間內(nèi)各種電氣量的變化。參考文獻(xiàn)設(shè)計(jì)的故障錄波器采用虛擬軟件與數(shù)據(jù)采集卡相結(jié)合的方法，其缺點(diǎn)是必須依靠計(jì)算機(jī)來進(jìn)行計(jì)算分析，設(shè)備移動(dòng)不方便，
而且數(shù)據(jù)采集卡的價(jià)格也比較高，使得產(chǎn)品應(yīng)用有一定的局限性。參考文獻(xiàn)設(shè)計(jì)的是一種基于DSP和A／D轉(zhuǎn)換器件相結(jié)合的故障錄波器，所用的A／D轉(zhuǎn)換器件不能同步轉(zhuǎn)換6路信號，所測結(jié)果之間有一定的延遲。針對以上缺點(diǎn)，現(xiàn)采用DSP和AD7656相結(jié)合的方法，通過外接LCD顯示波形和數(shù)據(jù)，使其可以作為手持設(shè)備使用，也可連接電腦通過LabWindows／CVI軟件在電腦上實(shí)時(shí)顯示，所用的AD7656具有的6路同步采樣特性克服了測量結(jié)果之間有延遲的缺點(diǎn)，提高了測量精度。

1 運(yùn)行原理及相關(guān)算法
綜合了此前所提出的各種性能指標(biāo)，故障錄波器采用硬件與軟件相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法，高速數(shù)據(jù)采集裝置以DSP-TMS320F28335為核心，利用TBC-LXH雙環(huán)系列閉環(huán)霍爾電流傳感器和CHV-25P霍爾電壓傳感器對信號進(jìn)行采集，并采用高性能的AD7656完成對信號的A／D轉(zhuǎn)換，利用LCD進(jìn)行波形顯示并利用LabWindows／CVI軟件進(jìn)行控制。本裝置加LCD主要是考慮到可以在沒有電腦的情況下顯示電壓電流波形，方便操作。

此裝置由3部分組成：檢測部分、計(jì)算部分、上位機(jī)控制部分。系統(tǒng)框圖如圖1所示。系統(tǒng)運(yùn)行情況如下：首先電網(wǎng)的各項(xiàng)電壓電流通過濾波器濾去高頻干擾和低頻漂移信號，之后由檢測部分的電壓電流傳感器對電網(wǎng)三相電壓、電流等基本參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，所測的6路模擬量傳遞給AD7656；TMS320F28335控制AD7656將6路模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，DSP利用FFT算法對電壓電流的數(shù)字量進(jìn)行分析，提取出基波和各次諧波分量，并算出有功功率、無功功率和THD值，再傳遞給C8051F005單片機(jī)和終端計(jì)算機(jī)；外接于單片機(jī)的鍵盤控制LCD顯示波形，計(jì)算機(jī)利用LabWindows／CVI軟件進(jìn)行波形數(shù)據(jù)的顯示、存儲和打印等。
本諧波分析方法采用快速傅立葉變換(FFT)。其在DSP的實(shí)現(xiàn)方法利用創(chuàng)建FFT的庫函數(shù)進(jìn)行運(yùn)算，具體的實(shí)現(xiàn)方法在軟件部分詳細(xì)介紹。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
本裝置核心采用TMS320F28335和AD7656器件，采集來的信號經(jīng)過DSP運(yùn)算能通過RS-485串口與計(jì)算機(jī)通信。
2．1 TMS320F28335及外圍電路
2．1．1 復(fù)位電路設(shè)計(jì)
TMS320F28335的復(fù)位電路采用上電復(fù)位電路，由電源器件給出復(fù)位信號。一旦電源上電，系統(tǒng)便處于復(fù)位狀態(tài)，當(dāng)XRS為低電平時(shí)，DSP復(fù)位。為使DSP初始化正確，應(yīng)保證XRS為低電平并至少保持3個(gè)CLKOUT周期。同時(shí)，上電后，該系統(tǒng)的晶體振蕩器一般需要100～200 ms的穩(wěn)定期。所選的電源器件TPS73HD301一但加電，其輸出電壓緊隨輸入電壓，當(dāng)輸出電壓達(dá)到啟動(dòng)RESET的最小電壓時(shí)(溫度為25℃時(shí)，其電壓為1．5 V)，引腳RESET輸出低電平，并且至少保持200 ms，從而滿足復(fù)位要求。
2．1．2 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)
向DSP提供時(shí)鐘一般有2種方法：一種是利用DSP內(nèi)部所提供的晶體振蕩器電路，即在DSP的X1和X2引腳之間連接-晶體來啟動(dòng)內(nèi)部振蕩器；另一種方法是將外部時(shí)鐘源直接輸入X2／CLKIN引腳，X1懸空，采用已封裝晶體振蕩器。鑒于從資源利用和電路設(shè)計(jì)的簡單性考慮，該最小應(yīng)用系統(tǒng)的時(shí)鐘電路采用TMS320F28335內(nèi)部晶體振蕩器，具體電路如圖2所示。外部晶振的工作頻率為30 MHz，TMS320F28335內(nèi)部具有一個(gè)可編程的鎖相環(huán)，用戶可根據(jù)所需系統(tǒng)時(shí)鐘頻率對其編程設(shè)置。

2．1．3 供電電路設(shè)計(jì)
DSP的供電要求為其內(nèi)核和I／O分別進(jìn)行供電，現(xiàn)采用電源器件TPS73HD301為DSP供電，內(nèi)核供電電壓為1．9 V，I／O口供電電壓為3．3 V。