近年來(lái)，各行業(yè)以及家用電器、電鐵牽引中許多非線性負(fù)荷日漸增多，特別是一些大功率變流設(shè)備和電弧爐的大量應(yīng)用，導(dǎo)致電網(wǎng)中產(chǎn)生大量的高次諧波電流，進(jìn)而引起電壓波形發(fā)生較大的畸變。電能計(jì)量數(shù)據(jù)是發(fā)電企業(yè)、輸配電企業(yè)、電力用戶之間進(jìn)行電費(fèi)結(jié)算的依據(jù)，它的準(zhǔn)確與否直接影響到三者的利益以及交易的合理性。

在電力諧波分析計(jì)量表研發(fā)中，采用了DSP+的方案，再加上前端的信號(hào)采集模塊，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，模擬和數(shù)字信號(hào)并存。采用傳統(tǒng)的模擬或簡(jiǎn)單的數(shù)字示波器，已經(jīng)不能完全滿足項(xiàng)目需要，決定采用性價(jià)比高、操作簡(jiǎn)便的DS1000CD混合信號(hào)示波器，在電路調(diào)試過(guò)程中發(fā)揮了重要作用。

DS1000CD示波器的特點(diǎn)

DS1000系列數(shù)字示波器是普源精電(RIGOL)公司于2006年初推出的一款緊湊型,帶寬為25～100MHz，能夠同時(shí)進(jìn)行模擬及數(shù)字信號(hào)測(cè)試，內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常緊湊，其厚度只有154mm，非常便于攜帶和使用。

DS1000CD包含邏輯分析模塊，具備豐富的觸發(fā)功能和可調(diào)觸發(fā)靈敏度；用戶可用一臺(tái)示波器同時(shí)觀測(cè)模擬和數(shù)字信號(hào)，并可以在各種復(fù)雜信號(hào)中穩(wěn)定觸發(fā)；顯示器采用16位彩色TFT液晶顯示系統(tǒng)，使波形顯示更加清晰；DS1000CD存儲(chǔ)深度可達(dá)1M，正常模式也可達(dá)到512K。DS1000還有模擬顯示、數(shù)字、波形錄制、波形亮度調(diào)節(jié)、USB HOST功能，并支持U盤和USB接口打印機(jī)，滿足多方面的操作需求。DS1000CD的操作很簡(jiǎn)單，內(nèi)置的測(cè)量幫助系統(tǒng)可以對(duì)測(cè)試步驟進(jìn)行提示，從而指導(dǎo)測(cè)試工作的完成；方便的網(wǎng)格類型設(shè)置、亮度調(diào)節(jié)、波形亮度調(diào)節(jié)、可錄制1000幀波形信號(hào)及回放功能，大大提高了測(cè)量效率；DS1000CD還具有內(nèi)部的文件系統(tǒng)，可以對(duì)U盤文件進(jìn)行操作處理，包括新建、刪除等一些操作；同時(shí)還具備了中文輸入系統(tǒng)，使工程師和技術(shù)人員很方便地進(jìn)行操作。

電力諧波分析計(jì)量表的主要功能和結(jié)構(gòu)框圖

電力諧波分析計(jì)量表的主要功能是采集實(shí)時(shí)的電壓和電流波形數(shù)據(jù)，計(jì)算電功率并分析電壓電流中的各次諧波成分。諧波分析采用FFT算法，因計(jì)算量較大，單一的MCU已經(jīng)不能勝任。我們采用DSP＋MCU的雙核方案，DSP負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、功率計(jì)算和FFT分析，MCU負(fù)責(zé)電能累計(jì)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、顯示和通信等工作。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖所示。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

數(shù)據(jù)采樣及時(shí)序分析

我國(guó)電網(wǎng)額定頻率是50Hz，但實(shí)際上總是有些許的偏差。由于FFT本身的原因，如果系統(tǒng)不能很準(zhǔn)確地將采樣頻率和實(shí)際電網(wǎng)頻率進(jìn)行同步，則在FFT計(jì)算中會(huì)產(chǎn)生頻譜泄漏的問(wèn)題。所以在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)候，必須保證兩者的同步，我們采用了鎖相同步采樣脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。

在系統(tǒng)測(cè)試過(guò)程中，需要了解采樣脈沖和電壓電流波形的同步性，考慮到傳統(tǒng)兩通道示波器已經(jīng)很難兼顧這些信號(hào)。DS1000CD示波器具備同時(shí)采集16路DAC輸入的數(shù)字信號(hào)和兩路輸出的模擬信號(hào)，這給數(shù)字模擬混合信號(hào)的測(cè)量和調(diào)試帶來(lái)了極大的方便。我們選用DS1000CD的兩個(gè)模擬通道監(jiān)測(cè)電壓和電流信號(hào)，并用其數(shù)字通道監(jiān)視同步采樣脈沖發(fā)生模塊的工作。DS1000CD的存儲(chǔ)深度達(dá)到1MB采樣點(diǎn)(單通道)，512KB采樣點(diǎn)(雙通道)，深存儲(chǔ)帶來(lái)的信號(hào)采集和分析的便利，突破了以往低端示波器的性能指標(biāo)。正是由于DS1000CD具有如此大的存儲(chǔ)深度，所以能夠完整地記錄整個(gè)周期的波形以及采集數(shù)據(jù)，這對(duì)于進(jìn)行DSP的FFT計(jì)算結(jié)果評(píng)估起到了決定性的作用。

諧波及功率計(jì)算時(shí)間分析

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中要求功率和諧波計(jì)算能在一個(gè)周期內(nèi)完成，也就意味著電網(wǎng)頻率為50Hz時(shí)必須在20ms內(nèi)完成所有的計(jì)算。由于DSP需要從ADC模塊中讀取數(shù)據(jù)，并把計(jì)算結(jié)果發(fā)送給主控MCU，所以數(shù)值計(jì)算時(shí)間特別是FFT計(jì)算所用的時(shí)間必須進(jìn)行估計(jì)。通過(guò)DS1000CD示波器的數(shù)字通道，可以通過(guò)監(jiān)示DSP和MCU及ADC的通信，了解DSP工作的詳細(xì)過(guò)程，并通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的觀察和記錄，得到DSP計(jì)算功率和諧波的時(shí)間，并通過(guò)程序優(yōu)化，使該時(shí)間值保持在一定的安全范圍內(nèi)。

數(shù)據(jù)通信波形分析

由于系統(tǒng)具有IR(紅外線)和RS485通信接口，通信功能調(diào)試過(guò)程中，主要采用完整數(shù)據(jù)幀記錄然后進(jìn)行分析的方法，加快了開(kāi)發(fā)速度。比如在IR通信測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)通信有時(shí)很不穩(wěn)定，開(kāi)始一直沒(méi)有找出原因。后來(lái)采用硬件波形記錄，通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，是附近的紅外干擾源引起了通信的不穩(wěn)定，排除了程序自身錯(cuò)誤的可能。

結(jié)束語(yǔ)

在對(duì)科研要求越來(lái)越高的高校里，隨之而來(lái)的是對(duì)科研輔助設(shè)備的要求。示波器作為高校實(shí)驗(yàn)室的一種基礎(chǔ)設(shè)備，在科研中起著舉足輕重的作用，從模擬示波器到數(shù)字示波器，從普通數(shù)字示波器，到功能強(qiáng)大的數(shù)字示波器。從RIGOL公司的DS5000到現(xiàn)在的DS1000，其很多功能都具有明顯的優(yōu)勢(shì)，大大提高了科研的效率和效果。在我們這個(gè)科研項(xiàng)目的進(jìn)行過(guò)程中，DS1000示波器的帶寬、采樣率以及存儲(chǔ)深度使我們能夠得到更加的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，其多種觸發(fā)功能提高了實(shí)驗(yàn)室的工作效率，其自動(dòng)測(cè)量功能、強(qiáng)大的軟件功能在我們對(duì)其使用的過(guò)程中起了重要的作用。