來源：微計算機信息，作者：王勤湧，羅家融，舒雙寶，李實

引言

中國科學院等離子體物理研究所全超導非圓截面核聚變實驗裝置 EAST（Experimental Advanced Superconducting Tokamak）由 110KV變電所供電，其負荷對電網(wǎng)構成了極高容量的頻繁沖擊，可能破壞高壓電網(wǎng)與電源系統(tǒng)的電磁兼容，造成電壓波動，使一些儀器無法正常工作甚至損壞，閃變便是由電壓波動引起的。

國際電熱協(xié)會（UIE）和國際電工委員會（IEC）經(jīng)過多年的研究，制定了國際統(tǒng)一的閃變定義和評價標準，提出了閃變儀的數(shù)學模型和設計規(guī)范。其閃變儀模型如圖 1所示。

本文將以此模型為基礎，利用 TMS320F2812實現(xiàn)數(shù)字式閃變儀，并按照相關標準對閃變儀進行測試，測試結果表明，每經(jīng)過 10分鐘，閃變儀都能及時地對大量數(shù)據(jù)進行處理，并能迅速得到相應的短時閃變 值，具有很強的實時性，而且計算結果能滿足精度要求。

1 閃變值計算的模型原理分析

IEC推薦的閃變儀按照框圖可分為以下幾個部分。

框 1是對信號進行調理，將市電電壓調節(jié)到合適大小后輸入，這部分不涉及算法。

框 2起模擬燈的作用，用平方檢測方法從工頻電壓波動中解調出反映電壓波動的調幅波。解調由截止頻率為 35Hz的六階巴特沃斯低通濾波器和截止頻率為 0.05Hz的一階高通濾波器完成。

六階巴特沃斯低通濾波器的傳遞函數(shù)為

框 4包含一個平方器和時間常數(shù)為 300ms的低通濾波器，用來模擬燈 -眼-腦環(huán)節(jié)對燈光照度變化的暫態(tài)非線性響應和記憶效應。

框 5為閃變的統(tǒng)計分析，即根據(jù)框 4輸出的 S（t）值進行在線統(tǒng)計分析。將 S（t）值分級并用積累概率函數(shù) CPF的方法進行分析，在觀察期內(nèi)（ 10min），對上述信號進行統(tǒng)計，利用 5個規(guī)定值，計算得出短時閃變值，表達式如下

2 閃變分析儀的硬件結構閃變儀的硬件結構大致分為 3個部分。結構如圖 2所示。

第一部分為前端信號調理及 AD采集電路，前端信號調理電路將輸入的工頻信號調整到-10V～+10V的范圍，并經(jīng)過 LM2902集成運放器提高輸入阻抗后再輸入AD。AD芯片采用 AD7656，AD7656為 6通道 16位、快速、低功耗、逐次逼近型ADC，輸入范圍可選擇-10V～+10V或-5V～+5V。其內(nèi)核采用 4.5V至 5.5 V單電源供電，最高采樣率可達 250 kSPS。該器件內(nèi)置低噪聲、寬帶寬采樣保持放大器，可處理最高 8 MHz的輸入頻率，在本案中設置其采樣率為400Hz，用 DSP的定時器模塊定時觸發(fā) AD采樣。

第二部分為 DSP相關電路，包括電源模塊電路，復位電路，晶振電路，SCI模塊，存儲模塊等。DSP與 AD的硬件連接如圖 3所示。

AD7656內(nèi)部含 2.5V參考電壓同時也支持外部參考電壓，復位時默認為外部參考，本案設計使用的是內(nèi)部參考電壓。當 H/SSEL=0且 REFEN=1時，內(nèi)部2.5V參考電壓啟用，再將 RANGE引腳接低電平，AD的輸入范圍便為±4×VREF =±10V 。

DSP2812的定時器發(fā)出定時中斷并由 GPIOA0引腳輸出一個上升沿啟動 AD轉換，在轉換期間 BUSY信號為高電平，轉化完成后 BUSY變?yōu)榈碗娖剑钥赏ㄟ^ BUSY向 2812發(fā)出下降沿外部中斷請求，并在此中斷請求處理函數(shù)中完成對數(shù)字信號的存儲。

第三部分為實時顯示部分，由 ARM模塊實現(xiàn)，ARM核心采用三星公司 s3c2410芯片，外部擴展了 LCD觸摸屏，用戶可通過觸摸屏控制閃變儀工作。

3 閃變分析儀的軟件設計

下面介紹 DSP軟件算法結構。在采樣率為 400Hz時，若經(jīng) 10分鐘后才對數(shù)據(jù)（約 234k）進行處理，數(shù)據(jù)量很大，處理過程將很慢，嚴重影響實時性能。本文采用分時處理方法， AD采集 6s的數(shù)據(jù)后，馬上對這 6s的數(shù)據(jù)進行處理，算出此 6s的瞬時閃變值并進行存儲，當處理掉 100個 6s也即計算時間到達 10分鐘時，將對這 10分鐘內(nèi)的瞬時閃變值進行統(tǒng)計分析，最終得到 5個特征值后代入公式得到短時閃變值。圖4為程序流程圖。其中ARM模塊承擔著開始 /結束控制信號的發(fā)送和最終結果的顯示等終端功能的實現(xiàn)，用戶可通過觸摸屏發(fā)送開始/結束控制信號， DSP在收到信號后將開始/結束定時器工作，進而開始/結束 AD采樣。

4 測試結果與分析

對閃變儀的測試采用 Fluke 6100A功率標準源校準電能表作為標準源， 6100A可通過用戶設定的調制深度和頻率對電壓進行調幅來模擬閃變，其對閃變的測量方法由 IEC標準 IEC-61000-3-3所定義，是目前最準確、最全面、最靈活的電能功率標準源。儀器測試結果如下

表中使用了高頻，中頻和低頻區(qū)域中的幾個較有代表性的頻率進行測量，閃變測試值較理論值 1的相對誤差都在5%的上限要求之內(nèi)，較好的滿足了國標的精度要求。 閃變儀在低頻區(qū)域的誤差較大，包含下面幾個方面的原因。

1 加權濾波函數(shù)在低頻頻段存在一定的誤差 ［6］，由此給低頻段的濾波帶來一定影響；

2 AD轉化具有一定的量化誤差；

3 采樣頻率越高，精度也將得到一定提高，但設計時也要考慮到運算量的大?。?/p>

4 在對瞬時閃變的統(tǒng)計分析中，將S（t）分為4000個等級，由此也引入了一定的量化誤差。

5 結束語

本論文創(chuàng)新點：本文將 IEC推薦的閃變模型進行數(shù)字化設計，以 TMS320F2812為主要計算平臺，并以ARM平臺和觸摸屏為輸入、輸出終端。其性能經(jīng)福祿克公司Fluke 6100A電能功率標準源測試，滿足閃變國家標準。為 EAST核聚變實驗裝置引起的電壓波動和閃變的測量提供了依據(jù)。

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