摘? 要: 介紹了基于PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)、DSP技術(shù)和交流同步采樣" title="同步采樣">同步采樣技術(shù)研制的FTU(饋電自動化終端單元)。重點探討了PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)及交流同步采樣技術(shù)在系統(tǒng)中的應(yīng)用及實現(xiàn)。

　　關(guān)鍵詞: 饋電自動化終端單元? 現(xiàn)場總線? 同步采樣

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　　電力系統(tǒng)由發(fā)電、輸電、變電、配電及用電等多個環(huán)節(jié)組成。配電環(huán)節(jié)以其不可取代的地位越來越受到人們的關(guān)注,如何利用現(xiàn)有的技術(shù)來提高配電自動化的水平已成為當(dāng)前設(shè)計人員所關(guān)注的重點。

　　PROFIBUS-DP" title="PROFIBUS-DP">PROFIBUS-DP是一種國際性的開放式現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn),專為自動控制系統(tǒng)和設(shè)備級分散I/O之間的通信而設(shè)計^[1]。它性能穩(wěn)定、傳輸速度高、價格低廉,具有非常好的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)的FTU(Feeder Terminal Unit，即饋電自動化終端單元)的通訊接口大多基于通用異步串口實現(xiàn),通訊協(xié)議多種多樣,因此存在著通訊速度慢、協(xié)議不規(guī)范、不開放等缺點,而現(xiàn)場總線正好可解決此問題。為此,基于PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)、交流同步采樣技術(shù)和DSP技術(shù)等,研制了一種雙回線多功能FTU。該FTU除了具有傳統(tǒng)的三遙功能外,還具有故障錄波、諧波分析" title="諧波分析">諧波分析、SOE(事件順序記錄)、電源品質(zhì)監(jiān)測等功能。所有檢測數(shù)據(jù)可通過由SPC3協(xié)議芯片實現(xiàn)的PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線接口傳送給主站,以滿足配電自動化系統(tǒng)的高集成度、智能化、網(wǎng)絡(luò)化和信息化的要求。

1 數(shù)據(jù)處理算法及同步采樣方法

1.1 FFT算法的選擇與實現(xiàn)

　　諧波分析的經(jīng)典方法是傅立葉分析方法?？焖俑盗⑷~變換(FFT)作為系統(tǒng)的核心算法,其速度直接影響著系統(tǒng)的速度。這里采用的是基二時間抽取(DIT)FFT算法。由于系統(tǒng)的采樣值是電壓和電流,都為實函數(shù),為提高運算速度,根據(jù)FFT的奇、偶、虛、實對稱特性,把兩個通道的采樣值組成一個復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)同時進行計算,從而同時得到兩個通道的各次諧波值^[2]。這樣不僅內(nèi)存空間節(jié)省了一半,而且速度又可提高近1倍。并且對三角函數(shù)進行了預(yù)先計算,求出了正弦函數(shù)在一個周波內(nèi)N個采樣點的值,并存儲在一個數(shù)組內(nèi),而余弦函數(shù)的值可由滯后四分之一周期的正弦函數(shù)值得到。這樣避免了每次對正弦函數(shù)和余弦函數(shù)的繁瑣計算,提高了速度。

1.2 同步采樣的實現(xiàn)

　　由于FFT是一種對非周期信號在周期延拓后進行的變換,所以采樣點必須均勻分布在一個信號周期內(nèi),而且正交樣品函數(shù)的周期應(yīng)和信號的周期嚴(yán)格一致,即應(yīng)當(dāng)實現(xiàn)嚴(yán)格的同步采樣。否則會引起信號的頻譜泄漏,帶來很大的測量誤差,特別是對高頻分量,計算出來的值可信度極低。這一點從表1的仿真數(shù)據(jù)中可清楚地看出。傳統(tǒng)的的同步采樣方法主要分為硬件同步和軟件同步兩大類。硬件同步方法是用鎖相環(huán)實時跟蹤信號基波頻率的變化,實時調(diào)整采樣頻率,實現(xiàn)同步采樣的。它是一種預(yù)防式方法,硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜,當(dāng)信號有較大的畸變或者有強噪聲時,誤差較大,可靠性不高。軟件同步方法是一種補償式方法,主要采用準(zhǔn)同步采樣、尋找過零點、加窗插值等步驟對原始采樣數(shù)據(jù)進行重新采樣或修正^[3]。這種技術(shù)雖然在很大程度上能消除頻譜泄漏等非同步誤差的影響,但需要存儲容量大,計算復(fù)雜費時,難以滿足實時系統(tǒng)的要求;而且當(dāng)信號有較大的畸變或者有強噪聲時,尋找過零點亦存在誤差問題。為此本文采用一種變采樣率同步采樣方法。原理如下:

　　當(dāng)信號頻率與樣品函數(shù)的頻率有偏差時,信號與樣品函數(shù)的相位就會不斷改變,如圖1所示。圖中,實線為信號波形(基波),虛線為樣品函數(shù)波形。設(shè)相鄰的兩個相位差分別是φ₁和φ₂,則

??????

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式中,ΔT為采樣周期修正量,T_K+1為下一個采樣周期。若采樣點取為N個,則信號的周期T=N×T_K+1,于是可計算出信號的頻率為:

??　f=1/(N×T_K+1)

　　同步采樣流程如圖2所示。

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　　表1為該方法的仿真數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)表明這種方法可以在一到兩次修正后快速地跟蹤信號的頻率變化,達到同步采樣的目的。此種方法的優(yōu)點是硬件結(jié)構(gòu)簡單,不需要復(fù)雜的鎖相或測頻電路;同時計算簡單快速,存儲容量小;而且因為FFT具有濾波特性,在信號有較大的畸變或者強噪聲時,可以克服尋找過零點時的誤差問題。這種方法的缺點是每次補償需要兩個周期,且只有存在偏差時才能進行修正,有一定的滯后,當(dāng)頻率變化較大或者變化頻繁時,會造成一定的誤差。但在實際的電網(wǎng)中,電網(wǎng)容量一般較大,頻率變化緩慢,若被測電源系統(tǒng)頻率變化率為每秒0.125Hz,即每秒0.25%,則每兩周期的變化只有0.0025/25=0.0001。從仿真數(shù)據(jù)第10行中可看出,基波的計算誤差小于0.01%,二次諧波計算誤差為0.12%,所以此種同步測量方法完全可以滿足實際要求。

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1.3 采樣次數(shù)的確定

　　在實際電力系統(tǒng)中,信號測量一般取1～19次諧波分量^[4]。19次以上的諧波含量非常小,沒有實際應(yīng)用意義。從信號的保真度來看,采樣周期必須滿足香農(nóng)采樣定理,即采樣角頻率ω_s≥2ω_max(ω_max是被采樣信號的最高角頻率),才能避免出現(xiàn)頻譜混疊現(xiàn)象。另外,因采用基2-FFT算法,所以采樣次數(shù)必須是2的冪次,這里選擇每周期采樣64次。當(dāng)信號的頻率為50Hz時,采樣頻率應(yīng)為50Hz×64=3200Hz。因系統(tǒng)是兩回線系統(tǒng),A/D變換分兩組交替進行,所以系統(tǒng)的采樣中斷頻率應(yīng)為6400Hz。當(dāng)信號頻率偏離50Hz時,采樣頻率跟蹤其變化,以保證64次采樣正好在一個信號周期內(nèi)。

2 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　該裝置硬件主要由CPU、開關(guān)量輸入輸出通道、頻率量輸入通道" title="輸入通道">輸入通道、模擬量輸入通道、PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線通訊接口、實時時鐘、電源等部分組成,結(jié)構(gòu)框圖見圖3。

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　　現(xiàn)場總線通信接口由SIEMENS公司的ASIC協(xié)議芯片SPC3來實現(xiàn)。SPC3集成了PROFIBUS-DP的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的完整協(xié)議,能自動監(jiān)測波特率,上電后自動維護PROFIBUS-DP的從站狀態(tài)機。片內(nèi)還集成一個保護監(jiān)視定時器。如果微處理器有故障,則禁止PROFIBUS-DP通信,因而不至于危及外圍設(shè)備。SPC3還有一個公共的中斷輸出,可通過讀取中斷寄存器來判斷中斷源的性質(zhì)。中斷源包括:NEW-SSA-DATA、NEW-PRM-DATA、NEW-CFG-DATA、NEW-GC-COMMAND、DX-OUT等。UART負責(zé)將并行數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)流或?qū)⒋袛?shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)流。

　　由于對各種電參數(shù)的測量和諧波分析不僅需要對交流信號進行高速采樣,而且還需要進行大量的實時計算,對CPU的運算速度要求非常高,普通的單片機難以勝任,因此本單元的CPU采用DSP。本次設(shè)計采用的DSP是美國TI公司的TMS320F206。

三相電源系統(tǒng)每回線需要3路電壓通道和3路電流通道,兩回線共需12路交流通道。本裝置共配置了16路模擬量輸入通道,剩下的4路作為直流通道,可作為溫度、壓力等信號的測量通道。為了測量相角及功率因數(shù),必須同時采樣每一回線的6路信號,所以選用兩片DALLAS公司的MAX125 A/D轉(zhuǎn)換器來完成此項工作。

　　在電壓和電流通道輸入端采用了小型PT或CT互感器進行隔離和信號變換,可直接接入220/380V低壓信號或100V/5A標(biāo)準(zhǔn)互感器信號來測量高壓或大電流系統(tǒng)。既可用3相4線Y型接法,也可用3相3線V形接法。在模擬量輸入通道前端還配置了二階有源低通濾波器,以消除高次諧波和噪聲信號,減輕諧波分析時出現(xiàn)的頻譜混疊現(xiàn)象。

3 軟件設(shè)計

　　本裝置功能要求復(fù)雜,因而軟件系統(tǒng)采用了模塊化、由頂向下逐步細化的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。編程語言主要采用TI公司提供的優(yōu)化C語言,個別地方采用C2XX匯編語言,提高了軟件編程效率和程序的可讀性。

　　軟件主要包括主程序、SPC3通訊中斷服務(wù)程序" title="中斷服務(wù)程序">中斷服務(wù)程序、定時器中斷服務(wù)程序、A/D變換完成中斷服務(wù)程序等幾個部分。主程序完成硬件初始化、硬件自檢、中斷任務(wù)初始化、諧波分析、電參量計算、越限報警等功能;SPC3通訊中斷服務(wù)程序完成與上位機的通訊;定時器中斷服務(wù)程序完成各軟件定時器的定時、毫秒時鐘的維護等;A/D變換完成中斷服務(wù)程序完成數(shù)據(jù)的采集、采集通道的切換等。圖4為SPC3通訊中斷服務(wù)程序軟件流程圖。

　　本文主要從開發(fā)的角度探討了同步采樣技術(shù)及PROFIBUS-DP技術(shù)在配電自動化終端的應(yīng)用,介紹了配電自動化終端的軟硬件實現(xiàn)。經(jīng)實驗檢驗,現(xiàn)場總線接口運行穩(wěn)定可靠;系統(tǒng)采用的同步采樣技術(shù)計算快速準(zhǔn)確、簡單實用,完全滿足工程應(yīng)用的要求。但限于使用的是定點DSP,運算速度相對較慢,所以系統(tǒng)的計算精度和實時性還有待提高。

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參考文獻

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3 王 賓.電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)的同步處理與裝置設(shè)計.電力系統(tǒng)自動化， 2002；26(11)

4 輸變電常用標(biāo)準(zhǔn)匯編通用基礎(chǔ)篇.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2001