（控制理论与控制工程专业论文）基于dsp的变电站电压和无功综合自动控制.pdf

摘要 摘要 自2 0 世纪8 0 年代初d s p 芯片诞生以来，d s p 芯片在短短的十 多年时间里得到了飞速的发展。随着d s p 芯片性能价格比和开发手 段的不断提高，ds p 芯片已在通信与信息系统、信号与信息处理、 自动控制、医疗、家电等许多领域得到广泛的应用。本文提出了一 种采用t i ( 德州仪器公司) 的t m s3 2 0 f 2 4 0 芯片为c p u 构成的系统对 变电站电压和无功进行自动控制的方案。 该系统以m a x125 对变电站副边母线进行三相无相位差采 样，得到电压、电流的瞬时值。用单片ds p 芯片作为整个系统的 c p u ，完成电压、无功有效值的计算，进而判断电压和无功是否 越限。如不越限，继续监控；如越限，则求解调控策略。此外， 作为整个系统c p u 的d s p 芯片( t m s32 0 f 2 4 0 ) 还承担控制接口 电路、与上位机通信的工作，以便输出控制策略进行实际调控和 把变电站当前的运行状况、所采取的控制策略上传给上位机，并 且可以接受上位机的指令，转而执行来自上位机的指令。 调控策略上，本系统综合升、降变压器分接头和投、切电容 器这两种调控手段，采用了计及多因数的模糊线性规划法来研究 基于d sp ( t m s32o f 2 40 ) 的变电站电压、无功的实时控制。用这种 方法，可以求得变电站电压、无功控制策略的最优解，实现较理 想的变电站电压和无功的自动控制。 关键词：电压无功控制， 变压器分接头， 模糊线性规划法，隶属函数 并联电容器 塑塑堕堕兰 垒墅竺 a b s t r a c t ba s e do nad s pc h i p ( t m s 3 2 0 f 2 4 0 ) ，as c h e m eu s i n g 1 n r e a c t l v e p o w e r v o l t a g ec o m p r e h e ns i v ec o n t r o li s p r o p os e do nt h i s p a p e r t a k i n gt m s 3 2 0 f 2 4 0a st h e s y s t e m sc p u ，as e r i e so f w o k s ，s u c h a sr e a c t i v e p o w e r v o l t a g ec o m pr e h e n s i v ec o n t r 0 1 ，d a t ap r o c e ss i n g ， i n t er f a c i n g ，a n dc o m m u n i c a t i o n s ，c a nb ea c c o m d l i s h e d t h ed e f i c i e n c yo ft r a d i t i o n a i f u z z ya i g o r i t h m su s i n g 1 nr e a c t l v ep o w e r v 0 1 t a g ec o n t r o lis a n a l y z e dh e r e h a v i n g h e w a y so tc a p a c l t o rs w i t c h i n ga n dl t c ( 1 0 a dt a pc h a n g e r ) c n a n g l n g ， a t u z z y l i n e a r pr o g r a m m i n gw h i c ht a k e s m u l t l 士a c t o r i n t oa c c o u n tf o r s o l v i n g t h er e a c t i v e p o w e r v o l t a g e c o n t r o l p r o b l e m is pr o p o s e d u s j n gt h i s m e t h o d ， t h eo p t i m a l a p p r o a c hi nr e a c t i v ep o w e r v o l t a g e c o n t r o la tad is t r i b u t i o ns u b s t a t i o nc a nb er e a c h e d k e ywo rds ： r e a c t i v e p o w e r v o l t a g ec o n t r o l ， f u z z y1 i n e a r pr o g r a m m i n g ，m e m b e r s h i pf u n c t i o n ，l o a d t a p c h a n g e r ， s h u n tc a p a c i t o r 中南大学硕 论史 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 随着计算机技术和网络通信技术的发展，电网调度自动化的 实现已成为可能。而要实现电网调度自动化首先要实现的就是变 电站自动化控制。 在变电站自动化控制中，对电压和无功的综合调控是电力系统 保证电压质量和安全、经济运行的一个重要控制问题：满足电压 合格、无功基本平衡、尽量减少调节次数是变电站电压和无功综 合调节的基本要求。从7 0 年代以来已有不少的变电站电压和 无功调节装置开发研究和投放，取得了有效的成就。国外对此也 有大量的研究。但从装置的整体性能看，尚存在某些问题有待 研究：由于控制判据对电压越限因素的综合识别能力不充分而导 致自动调节判据缺陷，这样就会影响系统的调节性能，即影响电 压合格率和最优调节律。因此，应该寻求能满足在无功基本平衡 前提下，实现电压合格率和最小调节律的全局最优的控制策略。 1 2 国内外现状和发展概况 目前，较先进的变电站电压和无功的自动控制装置一般采用 以单片机做主c p u 、和单片数字信号处理器一起构成的主从式结 构控制系统。控制策略一般采用模糊控制算法。下面分别给 予简单介绍： 1 2 1 变电站电压和无功综合控制装置 l p o le c a t 测控系统 早在l99 4 年，美国的v a l m e ta u t o m a t i o n 公司就研制出一种名 为“p ole c a t ”的远程终端装置r t u ( re m o teter m in a lu n i t ) ，是集 数据采集、参数计算、远程通信、遥控及保护为一体的测控系统。 浚系统是由l6 位的微处理器n e c v 2 5 ( 主频为8 m h z ) 和单片数 中南大学顾匕论立 第一章绪论 字信号处理器芯片a d s p 2 l l1 ( 主频为4 8 m hz ) 构成的主从式基本结 构。作为c p u 的n e c v 25 负责整个系统工作的协调，向各个子系统 下达任务，与外界通信等工作。而a ds p 2 11 1 则根据cp u 的设定进行 定时采样、参数计算、谐波分析，最后将数据返回，交由c p u 处理。 2f j k b 一9 0 0 分散式电力监控保护器”1 1997 年，山东工业大学电力学院与山东淄博科汇电器公司合作 开发了f j k b 一9 0 0 分散式电力监控保护器。 其基本结构与美国的v a l m e tau t o m a t i o n 公司的p ole c a t 具有 异曲同工之处。此设备是以高性能工业控制芯片80 c188 e c 为主c p u ， 以a d s p 一2 l8 1 为协处理器的主从式结构的电力测量、控制、保护器 系统。协处理器a dsp 一2 l81 负责对a d 转换结果进行分析、计算和 处理，其分析结果存放在内部数据存储器中，主c p u 通过a d sp 一2 18l 的个16 位的内部直接存储器( id m a ) 接口定时读取这些结果，并对 它们做进一步处理，转化为适合工业要求的格式，以便于通过终端 设备输出结果。除此之外，主c p u 还负责开关量输入、输出和处理、 2 个r s 一232 通信口、1 个l on w o r ks 通信口和整个系统的管理与控 制及存储器接口等。 此设备与p o le c a t 的主要不同在于：它具有由串行a d 转换器 a ds7 8 09 与多路采样开关组成的独立的采样子系统。而po le c a t 是 由a dsp 2 1 11 内部的12 位a d c 采样模块来完成采样工作的。 可以看出：由于当时的dsp 数字信号处理器虽然具有很强的数 字信号处理能力，但是其接口、控制能力较差不便与外部终端数据 进行交换。故以微处理器为主c p u ，利用其较好的接口能力与外部 终端进行数据交换，及其较好的控制能力来管理整个系统的工作。 而用d s p 为协处理器，利用它的高速数据处理能力，使系统能实时 完成一些更为严格、精确的算法，提高系统的精确度和实时性。 1 2 2变电站电压和无功综合控制策略 引 关于变电站电压和无功自动控制有许多算法，如：分析法” 中南大学硕上论文第一章绪论 ，动态规划法”7 ，非线性规划法“，人工神经网络1 ， 专家系统“，遗传算法”，目前，国内用得较成熟的是模糊控制 算法( 九域图法) 。主要有固定电压和无功边界特性分割区的综合 控制策略、及改进后的固定电压和模糊无功边界特性分割区的综 合控制策略”1 。 传统的九域图模糊控制策略的缺点是不能做到全局最优。 1 3本文采用方案 1 3 1控制装置 经过分析知道：变电站电压和无功综合调控装置采用以单片机 为主c p u 、数字信号处理器为协处理器构成的主从式结构是由于 当时的d s p 芯片在接口、控制能力方面存在不足。随着技术的发 展，d s p 芯片产品在不断提高数据处理能力与速度的同时，其接 口、控制能力也大大加强，已可以取代主从式结构的单片微机系 统。在这里，选用的是t i 公司( 美国德州仪器公司) 于97 年推 出的t l i f s 32o f 2 4 0 芯片，它不但有高速的运算能力，还增加了面向 控制的功能模块。完全可以满足变电站电压、无功自动控制的需 要( t l s3 2 0 f 2 4 0 芯片将在第二章中详细介绍) 。用单片d s p 芯片 作为整个系统的c p u 来完成采样、数据处理、电压和无功的综合 调控、对外接口、通信等一系列工作。具有如下优点： 1 使系统的结构简练，降低系统软、硬件的设计开发开销。 用单片d s p 芯片代替主从式结构不但省去了对微处理器的开 发、设计、编程，还省去了主c p u 与协处理器d s p 之l 可的协 调、交换数据等复杂的工作，减少了工作量。 2 降低调试难度，缩短系统开发周期。 3减少了系统的功耗、成本。 1 3 2 控制策略 在变电站电压和无功的综合调控中，使用传统的九域图模糊 中南大学硕士论文第一章绪论 控制策略的缺点是不能做到全局最优。如当电压或无功越限时， 要把它调整至规定的范围内，方法有多种：调整分接头位置或投、 切补偿电容，都可达到目的。采用传统的九域图模糊控制法时， 其控制策略是不变的，落在哪个区域，就采取哪种调控策略。这 样就难以获得最优解。而采用模糊线性规划法可以综合考虑变电 站当前的运行方式、运行参数、分接头位置和各组电容器投、切 历史及低电压侧母线电压水平、负载情况等，对诸多因素进行综 合分析比较，在所有可能的调控策略中，选取最优的一个，实现 全局最优。所以，本文综合调整变压器分接头和投、切电容器这 两种调控手段，采用了计及多因素的模糊线性规划法，研究了基 于d sp ( t m s320f2 4 0 ) 的变电站电压、无功控制策略。用这种方法， 可以求得变电站电压、无功控制策略的最优解。 中南大学硕l 论文 第一章d s p 芯片介绍 第二章d s p 芯片介绍 在本章中，先概括地介绍数字信号处理器d s p 的特点，然后再具 体介绍t m s32o f 2 4 0 的内部结构组成和性能特点。 2 1 d s p 芯片的特点 t m s32 0 系列d s p 芯片有以下特点，正是由于这些特点，d s p 才从 其他单片机中脱颖而出，成为实时信号处理的理想选择： 哈佛结构 流水线操作 - 专用的硬件乘法器 特殊的d s p 指令 快速的指令周期 1 哈佛结构 哈佛结构是不同于冯诺曼( v o nn e u m a n ) 结构的并行体系结构， 其主要特点是将程序和数据存储在不同的存储空间中，即程序存储 器和数据存储器是相互独立的。每个存储器独立编址、独立访问。 由于与两个存储器相对应的是程序和数据两条总线，从而使数据的 吞吐率提高了一倍，而且取指令和取数据能完全重叠运行。而冯诺 曼结构则是将指令、数据存储在同一存储器中、统一编址，依靠指 令计数器提供的地址来区分是指令，还是数据。取指令和取数据访 问同一存储器，数据吞吐率低。 2流水线 与哈佛结构相关，dsp 芯片广泛采用流水线结构以减少指令执 行时间，从而增强了处理器的处理能力。t m s 3 2 0 系列处理器的流水 线深度从二级到四级不等。第一代t m s32o 处理器采用二级流水线， 第二代采用三级流水线，而第三代则采用四级流水线。也就是说，处 理器可以并行处理二到四条指令，每条指令处于流水线的不同阶 段。 中南人学颇上论文 第二章d s p 芯片介绍 jr _ _ nn + ln + 2n + 3 1 r1r1 i r r n lnn + ln + 2 jljl -j l 1r1-r n 一2n lnn + l j ljl -ljl 1r1r1rr n 一3n 一2n ln jl一llj l 图2 1四级流水线操作 如图2 1 所示，c 24x 的四级流水线具有四个独立的阶段：取指 令、指令译码、取操作数及指令执行。它们的执行能完全重叠，在 每个指令周期内，四个不同的指令处于激活状态。例如，在第n 个指 令周期时，第n 1 个指令正在译码，第n 一2 个指令则正在取操作数， 而第n 一3 个指令则正在执行。 3 专用的硬件乘法器 在一般形式的f i r 滤波器和f f t 变换中，乘法是其中的重要组 成部分。乘法速度越快，d s p 处理器的性能越高。在通用的微处理器 中，乘法指令是由一系列加法来实现的，故需要许多个指令周期来 完成。例如，执行一条字相乘，8 0 c 19 6 系列芯片要2 0 个状态周期( 如 16 m hz 的晶振，约要2 5 us ) 。相比之下，d s p 芯片的特征就是有一 个专有的硬件乘法器。在t m s3 20 系列中，由于具有专用的硬件乘法 器，乘法可在一条指令周内完成。如t m s3 2 0 f 24 0 的一条指令周期为 5 0ns 。由此可见，对于运算较复杂的算法，d s p 的速度比微处理器快 很多。 4 特殊的d s p 指令 d s p 的另一个特征是采用特殊的指令随着特殊指令的丰富、 完善，d s p 的运算时间将不断降低。 下面将对比说明特殊指令的好处。例如在实现f ir 的每个抽头 算法时： ( 1 )如用t m s32 0 cl0 芯片，不使用特殊指令，则要执行4 条指 令：用来将乘数装入乘法器( l t ) 、乘法指令( m p y ) 、将乘法结果加到 中南大学硕士论文 第二章d s p 芯片介绍 a c c 中( a p a c ) 和移动数据( d m o v ) 。如使用特殊指令l t d ，它可在一 个指令周期内完成l t 、d m o v 、a p a c 三条指令，从而使f i r 滤波器抽 头计算从4 条指令降为2 条指令。 ( 2 )如用t m s32 0 f 2 4 0 ，其中有2 条更特殊的指令：r p t 和m a c d 。 采用这2 条特殊指令，可进一步将每个抽头的运算从2 条降为1 条。 5 快速指令周期 哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、特殊的d s p 指令 再加上集成电路的优化设计可使d s p 芯片的指令周期在2 0 us 以下。 t m s32 0 系列处理器的指令周期已从第一代的2 00 us 降低到现在的 5 ns ( t m s32 0 c620 l 一20 0 ) 2 h 。 2 2t m s 3 2 0 f 2 4 0 t m s 3 20 f2 4 0 器件是基于t m s 3 2 0 c 2 x x 型的1 6 位定点数字信号处 理器。它把低成本、高性能处理能力的c 2 x l p 内核c p u 的增强型 t m s32o 体系结构与几种最适合控制应用的外围设备结合在一起。 2 2 1结构综述1 如图2 2 所示，t m s3 2o f 2 4 0 器件是由三个主要的功能单元组成 内核c p u 存储器与i o 接口 片内外设 中南大学顽七论文第二章d s p 芯片介绍 数字 r a m 程序 f l a s h a ( 1 泌广土l d ( 15 o ) l 程序，数据，l o 总 t m s c 2 x c p u 内核 l6 位 桶 式左 移 寄存 器 16 位t 寄存器 6 乘法器 32 位p 寄存器 左移移位器 ( 0 14 一6 ) 32 位al u 32 位累加器 左移移位器 8 个辅助寄存器 外 设 总 线 事件管理器 3 个定时器 9 个比较单元 12 个p w m 输出 死区控制逻辑 4 个输入捕获 s p i 串口 a d 转换器 图2 2t m s3 2 0 f 2 4 0 体系结构 2 2 2内核c p u 圳 t m s32 0f 2 4o 与所有的x 24 x 器件具有相同的c p u 内核。中央处 理单元c p u 包括16 位的定标移位器( sc a ling sh if te r ) ，l6 l6 位 并行乘法器，32 位中央算术逻辑单元( c a l u ) ，3 2 位累加器以及在累 加器和乘法器二者输出处的附加移位器( a d d itio n a ls h i f te r ) 。 t m s32 0f 2 40 提供了一个定标移位单元，它连接到数据总线的l6 位输入和c a l u 的3 2 位输出。它用于把来自存储器的1 6 位数据调 整至3 2 位c a l u 。这对于定标运算和逻辑运算的调整标志是必要的， 该移位器作为从程序或数据空间至c a l u 数据通路的一部分，并不需 要周期开销( cyc le o ve rh e a d ) 。 片上的硬件乘法器能实现16 l6 二进制补码乘法运算，输出32 位结果。与乘法器相连的有一个16 位暂时寄存器( t r e g ) 和一个3 2 中南大学硕卜论文 第二章d s p 芯片介绍 位乘积寄存器( p r e g ) ，t r e g 提供一个乘数，p r e g 接受每次乘的结果。 c a l u 是通用算术逻辑单元，它对取自数据存储器或来自立即 数指令的16 位字进行操作。除了常用的算术指令外，c a l u 还可完成 布尔运算，c a l u 的一个输入总由累加器提供，另一个输入可由p r e g 或定标移位器提供，而定标移位器的输入已由数据存储器或a c c 读 入。c a l u 在完成算术或逻辑运算后，结果大多存储在累加器中。 值得一提的是，器件提供了包含8 个辅助寄存器的寄存器文件。 辅助寄存器用于数据存储器的间接寻址或用于暂时的数据存储，这 些寄存器用3 位辅助寄存器指针( a r p ) 作为基准，a r p 可装入数值o 至7 ，分别指示a r0 至a r7 位当前辅助寄存器，辅助寄存器被连接到 辅助寄存器算术单元( a r a u ) 。ar a u 可以在数据存储单元被间接寻址 的同时自动索引当前辅助寄存器，可以按1 或a r 0 寄存器内容完 成索引，还可在按a r 0 寄存器内容完成索引的基础上进行反向进 位( b r o ) ，这种位反转变址可对基2 一f f t 程序中数据点进行重排 序，从而使基2 一f f t 的输入为反序，输出为正序，十分方便。 2 23存储器 t m s3 20 f 2 4o 片内包含有一个5 4 4 16 字的双口( d u a l a cce ss ) 随机存储器( d ar a m ) ，一个可用于程序存储器的16 k 字闪烁电可擦除 可编程只读存储器( e ep o r m ) 。其中片内的闪烁e ep o r m 模块在内部 能产生必要的电压，从而无需从外部提供编程或擦除电压。器件还 留有外部存储器接口，可在程序、数据空问分别寻址高达6 4 k 16 字范围的存储器或寄存器。当片内存储器被使能时，将占去这些片 外范围的一部分。在数据空间，使用全局存储器分配寄存器g r e g 可 把高32 k 字动态映射为局部或全局存储器，使l6 位地址总线可访问 4 个独立选择的共计22 4 k 字的空间。 器件支持6 4 k 16 位字的i o 地址范围，其中有两个主要的地址 段。 1 地址ooo0h f ef f h 可访问d s p 应用中常用的片外外围设备， 例如片外的模数转换器、键盘、显示器等。 2 地址f f 0 0 h f f f f h 映射到片内i 0 空间，用于片内外设，或保 中南大学硕卜论文第二章d s p 芯片介绍 留作为测试之用，用户不能使用。 对外部i o 端口和片内i o 寄存器都可用i n 和o u t 指令存取。 对外部并行i o 端口和对外部程序数据存储器的访问多路复用同 样的外部地址和数据总线。i s 变低电平将把这类访问和对外部程 序数据存储器的访问区分开来。数据线16 位宽，但如使用8 位的 外围设备，那么可以选择使用数据线的高8 位或低8 位，从而适应 特定的应用。 22 4片内外设 t m s3 2 0 f 24o 总线结构支持对丰富的片内外设的访问。两种类型 的总线接口用于片内外设，绝大多数的外设通过外设总线进行访问， 如双模拟一数字转换器( a d ) 、串行通信接口( s p i ) 、看门狗( w d ) 和 实时中断( r it ) 。对这些外设的每次访问需要多于一个的周期。而 事件管理器能直接与数据总线匹配，从而能得到全速的c p u 处理能 力。 其中a d 。会在以后的篇幅中介绍，在此只简单介绍w d 、s c i 、 s pt 。 串行通信接口( s c i ) 提供了通用全双工的异步接受发送( u a r t ) 通信模式，可与p c 机串口、打印机等标准器件通信，可采用r s 一2 3 2 c 协议。通过一个16 位波特率选择寄存器可获得超过650 0 0 种不同 的可编程波特率，例如系统时钟s ys c l k 是1o m hz ，波特率的范围 是：l9 07 到625 mb 口s 。 串行外设接口( sp i ) 是高速的同步串行i 0 口，用于同步数据通 信，支持125 种不同的波特率。例如系统时钟s y s c l k 是lo m h z ，波 特率的范围是：7 8 125k bps 到2 5 m b ps 。典型应用包括外部i o 或 外部扩展。 看门狗定时器( wd ) 是一个8 位增量计数器。在正常工作情况下， 程序对定时器进行周期性清零。如程序出错、飞出或死机，则定时 器溢出，产生复位信号。 事件管理器包括通用( g p ) 定时器、比较单元、捕获单元( c a p tu re ) 以及正交编码器脉冲电路( qe p ) 。 中南大学硕上论文 第三章系统介绍 第三章系统介绍 本章详细介绍系统硬件、软件结构的设计与功能。 3 1系统概述 系统包括以下几个部分 信号调理模块 同步信号捕捉模块 采样模块 外部存储器扩展 开关量输入输出模块 与上位机的通信 系统的硬件功能框图如图3 1 示 同步信 号捕捉 通信模块，固 量主篓l 哐寸州s f 3 2 0 f 2 4 。 l 叫采样模块r 叫” 理模块il 一l 数据存储单元扩 展模块( 3 2 k 字) 开关量输入模块l 开关量输出模块 变压器分接头升、降控制变压器分接头升、降 和电容器投、切信息和电容器的投、切 图3 1系统的硬件功能框图 信号调理模块把变电站二次侧的电压、电流信号变换为一5 v + 5 v 的交流电压信号，经抗混叠滤波后，然后输出到采样模块。同 步信号捕捉模块动态跟踪电网频率，定时刷新采样模块的采样间隔 中南大学硕士论文第三章系统介绍 值。采样模块按采样间隔值定时对信号调理模块的输出进行每秒 l2 8 点的采样。d s p 对采样值进行数据处理、计算，得到变电站二 次侧的实时电压和无功的值，然后判断电压和无功是否越限，如不 越限，则继续监控：如越限，则运用模糊线性规划的决策方法，获 得最优的调控策略，并把调控策略输出到控制电路以控制变压器分 接头的升、降和补偿电容器的投、切，达到电压和无功自动调控的 目的。同时与上位机进行通信，把变电站的运行情况和采取的调控 策略传给上位机，并且接受来自上位机的指令，以在必要时转而执 行上级调度下达的调控命令。 系统的软件结构流程图如图3 2 示，系统上电后，先进行初始 化，包括实时中断单元( r t i ) 、定时器t 。、t 。、捕捉单元、采样芯 片编程初始化及给一些数据单元赋初值( 如电压、无功的边界值) 等。然后，进入等待状态，如1 秒定时已到( 采样时间到) ，则进 入r t i 中断服务子程序( 如图3 3 ) ，完成2 回路的l2 8 点采样及电 压和无功的计算，并判断电压、无功是否越限。如不越限，则向上 位机传输变电站的运行参数：如越限，则求解调控策略，输出控制 量进行电压和无功的调控并把所采取的调控策略传输给上位机。然 后，进入延时程序，经延时后，重复循环上述过程。 中南大学颂士论文第三章系统介绍 图3 2 系统主程序框圈 中南大学硕七论文 第三章系统介绍 上 自动关中断 上 读捕捉单元值即f lf o 堆 栈值计算电网周期t 以采样周期( t 128 ) 初始化定时器t 2 上 进行两回路u 、i 实时采样 上 实时电压、无功的计算 上 i l 开中断 上 返回主程序 图3 3 r t i1s 定时中断服务程序图 4 中南大学硕论文 第三章系统介绍 3 2信号调理模块 信号调理模块的功能是将输入信号分两步进行信号调理，使其 成为采样芯片m a x l25 所能接受的输入信号。 把从高压电压互感器和从高压电流互感器二次侧取得的有效值 为0 1o o v 的交流电压和o 5 a 的交流电流分别经电压互感器和电 流互感器变为峰值为一4 5 v + 4 5 v 的交流电压信号。这是因为 m a x l25 的输入量程是在一5 v + 5 之间，留有0 5 v 的裕量。对于0 l0 0 v 的交流输入电压是采用s p t 2 0 4 a 的电流型电压互感器，它有 线性度好、小巧轻便、能直接焊在印刷电路板上等特点。 如图3 4 所示输入电压经过限流电阻r ，使流过初级的额定电 流为2 m a ，次级会产生一个相同的电流。通过运算放大器h a o p 0 7 的作用，和调节反馈电阻的值得到所要求的电压输出值。为了使输 出电压更精确，反馈电阻采用2 2 k 的电阻串联一个5 0 0n 的可调电 阻r ：进行微调，以达到所要求的精度。为了补偿相位差，需采用 补偿电容c ，因为电容不能微调，所以通过调节补偿电阻r 。来达到 所需的补偿精度。而可调电阻r ；是用于运放h ao p 0 7 的调零。 l i a v v g s p t 2 + 1 2 v 台麓叫二= 卜 积卜 船 0 。0 2 刳阳_ 1 2 v 州_ 。1 “ 水二竺 椎 4 r 图3 4电压输入调理电路 一 中南大学硕= l 论文 第三章系统介绍 而对0 5 a 的交流电流信号的调理采用电流互感器s c t2 5 4 a k ， 它与s p t 2 0 4 a 电压互感器的用法相似，参见图3 5 ，不同之处是其 输入额定电流为5 a ，次边产生一个2 5 m a 的电流。所以s c t 25 4 a k 的原边无需一个限流电阻。 l l a c v g t y l s c t 2 5 4 a k + 1 5 v 昌巍二二卜- 埘 2 - 2 k 0 ，5 k 言1r 4 l0 2 k r 5 2 0 k 上个 c 3 i o 0 1 u f l 辩 l s g n d n 玎 o p o i o p i n c i ：l g n + 5 互 2 m a x 2 9 3 5 c 5 鬯 图3 5电流输入调理电路 采用m a x 2 93 ”进行抗混叠滤波，是为了滤掉10 0 0 h z 以上的高 频信号，以便于对2 2 0 次的谐波做ff t 运算、进行谐波分析时保 证谐波分析的精确性。m a x 2 93 是八阶( 八个极点) 椭圆型开关电容 低通b u t te r w o r t h 滤波器，它的拐角频率的范围是：o 1 h z 2 5 h z ， 时钟频率f 。与拐角频率f 。之比为100 ：1 。它具有内部振荡器，可 通过外接不同值的振荡电容来产生不同大小的时钟频率，从而得到 不同的拐角频率，产生不同的滤波效果。图中c 即为产生时钟频率 的外接电容，由于所需拐角频率f 。为10 0 0 h z ，则时钟频率f 。为 lo o k h z 。使用内部振荡器，通过外接振荡电容c ，使形成的振荡 器频率f 。的等于时钟频率f 。，根据产品手册”“可以确定外接电 容c 。的值。 札oo 丑1 h 0 6 8铲舱一寸 砚f追丌蘸 m u，_rjli 中南大学硕 。论文第三章系统介绍 陋) 吒。= 蒜函圳。( 眦) 所以= 东矗褊一桫 3 1 0 0 i 船亿) 1 3 3同步信号捕捉模块 由于电网频率是一个变化量，当采样速率与电网周波不同步时 就会发生信号波形的非周期截断，使得频谱产生泄漏误差”“。“泄 漏”两字形象地说明了时间函数经周期采样截断后，由于截断宽度 不为电网周波的整数倍，被截断的电网信号始端和终端是不连续 的。而造成原来限制在某一频率范围内的能量扩展到该频率范围以 外，使得频谱产生失真现象，频谱失真会带来附加的直流分量和幅 值较高的谐波分量。特别是基波分量的泄漏会使相邻的谐波分量产 生很大的误差，所以为了精确性，减少泄漏误差是必不可少的。 交流电量的测量主要有同步采样与准同步采样两种方法。准同 步采样”的采样周期不要求与采样信号同步，不需要同步环节，但 它需要通过增加采样周期个数与每周期的采样点数并采用迭代运 算的方法来消除同步误差，计算量远大于同步采样。同步采样法是 指采样时阃间隔t 与被测交流信号周期t 及一个周期内采样点数 n 之问满足关系式t ：n t 。同步采样法又被称作等间隔整周期采 样或等周期均匀次采样，它需要保证采样截断区间正好等与被测信 号周期的整数倍。同步采样是目前用得最多的采样方法。 同步采样的实现有两种方法：硬件同步采样法，软件同步采 样法。 硬件同步采样法在采样计算法发展的初期被普遍采用。这种方 法采用锁相环来构成频率跟踪电路实现同步等间隔采样。如d p l l ， 它是基于倍频器的同步采样脉冲发生装置，能自动跟踪脉冲基频同 步采样，并产生新的与信号基频同步的脉冲，从而消除泄漏误差的 根源。但其硬件结构较复杂。 软件同步采样法”以其硬件结构简单而被广泛采用，这种方法 中南大学硕t 论文 第三章系统介绍 是先测出被测信号的周期t ，用该周期值t 除以一周期内的采样点 数n ，得到采样间隔t ，并确定定时器的计数值，用定时中断方式 来实现同步采样。在一般的单片机中，由于定时器的时钟周期t 。 较大而造成由定时器给出的采样间隔与理论值必将存在截断误差， 该误差累计n 点后必将引起周期误差，一般可以采用双速率采样法 来减少误差，但不能完全消除误差，并增加了编程的复杂性。如时 钟为l6 m 的8 0 c 1 9 6 k c ，其1 d - 1us ，如被采样信号的基频为5 0h z ，即 t = 2o ms ，对其进行l28 点采样，则理论上t = l5 6 25 u s ，而由于t 。 的限制，实际的t = l5 6us ，则截断误差为o 25us ，累计128 点后， 误差将达到32us ，由此将造成泄漏误差，影响计算结果。t m s 3 2 0 f 2 4 0 的cp u 时钟周期可达到5 0 ns ，其定时器t 。的时钟可采用c p u 内部 时钟，即5 0ns ，所以实际的t = 50 3l2 5 = l5 6 2 5us ，其定时器t ： 计数值为3 l25 ，即t ：计数3l25 次后产生一次中断，因为无截断误 差所以消除了泄漏误差。 同步信号捕捉单元是通过整形电路将工频电压信号进行整形， 使在原工频信号过零点时刻，整形信号出现正脉冲，再利用 t m s32 0f 2 4 0 的捕捉单元来捕捉正脉冲，即捕捉时刻为电压向上过零 点的时刻，将相邻两个向上过零点的时刻相减，即可得到电网电压 实际周期，从而达到动态跟踪电力网的频率变化、定时刷新采样模 块中的采样间隔值的目的。这使得不论电力网频率如何波动，12 8 点采样都能在一个整周期内完成，从而减少了泄漏误差，确保了参 数计算的精确性，使系统采样与被采对象达到了同步。 中南大学硕 。论文 第三章系统介绍 u 4 1 a 4 5 2 8 d g n d 图3 6同步信号捕捉单元硬件电路图 如图3 6 示：把调理后的回路1 的a 相交流电压信号( 4 5 v + 4 5 v ) 经过光耦t il 1 l7 进行光电隔离，并使正弦波的上半波变为 近似的矩形波，在经过低功耗的电压比较器l m 3 3 9 来锐化其上升和 下降沿，锐化后的矩形波经施密特触发器4 0 l0 6 来反相、锐化，并 送入双单稳多谐振荡器4 52 8 ，4 5 2 8 输出为向上过零脉冲，送入d s p 的捕捉口c ap 1 。 t ms32o f 2 4 0 的事件管理器。”1 中有4 个捕捉单元。捕捉单元提 供对不同事件或跳变的捕捉功能。当捕捉信号输入脚 c a p x ( x ：1 ，2 ，3 ，4 ) 出现所选的跳变时，通用定时器2 计数器值或通 用定时器3 计数器值被捕捉并存储在两级f i f o 堆栈内，具体工作 如下： 1 ) 一次捕获时，捕捉单元就将所选通用定时器的计数值写 入空栈的顶层寄存器。与此同时，相应的状态位被置成( 0 1 ) 。 如果在另一次捕获前对( f if o ) 堆栈进行读访问，则状态位被 复位为( o o ) 。 2 ) 第二次捕获时，( 此一次捕获计数器值被读出前发生另一次捕 中南大学硕士论文 第三章系统介绍 获) 捕捉单元就将新捕获到的计数值写入空栈的底层寄存器。 与此同时，相应的状态位被置成( 10 ) 。如果在另一次捕获前 对( f if 0 ) 堆栈进行读访问，位于项层寄存器中的计数器值就 被读出，并且相应的状态位被置成( 0 1 ) 。 3 )如果捕获发生时在f if o 中已有两个捕获到的计数器值，则位 于堆栈顶层寄存器中的计数器值将被丢弃，而堆栈低层寄存器 的计数器值被弹入到顶层寄存器，新捕获的计数器值将被写入 底层寄存器，并且状态位置成( 1 1 ) ，表明已丢弃了一个或多 个旧的捕获器值。 这样，采样中所需的工频信号周期就可以通过捕捉单元捕获经 整形后的工频信号的向上过零脉冲出现的时间( 即两级f if o 的计 数值) 相减而获得。 3 4采样单元 由于t m s 32 0 f 2 40 内部集成的双十位a d 转换模块精度不够，而 且不能做到三相无相位差采样，所以使用片外的a d 芯片来进行采 样，为电压、无功的计算提供原始数据。 3 4 1 采样原理 要在d sp 内对时域连续信号进行数据分析、计算，必须先把连 续信号通过采样变成离散信号。 由均匀采样定理知：如果一个时域连续信号x ( t ) 的傅立叶变换 x ( f ) 的带宽是有限的，使得当频率大于信号的最高频率f 时， x ( f ) = o ，则时域连续信号x ( t ) 就可以用等间隔分布在时间轴上的瞬 时采样值所确定，此时采样频率f 、必须不小于信号最高频率f 的 两倍，即：f 、2 f 2 f 的数值就是每秒内采样的最少数目，这个数 目称为奈奎斯特率”。如果采样间隔大于l 2f ，那么频谱的周期 就会小于连续时间信号最高频率的两倍，相邻的频谱就会重合，发 生频谱混叠，导致频谱失真。为了防止混叠现象的发生，在采样芯 片m a xl25 前加上一个低通滤波器，滤波器的截止频率设置在采样 频率的35 到45 。”l 左右，这样可以确保被采时在半采样频率或高 中南大学颁 论文 第三章系统介绍 于半采样频率处不致再出现较大的频率分量，滤波后再对采样信号 进行离散傅立叶变换，所得的频谱就不会产生混叠。系统要对2 2 0 次谐波进行分析( 论文中不再叙述) ，即需对1o o hz 1o o o h z 的 频域进行谐波分析。所以，采样频率可以根据以下几个因素来确定： 1 )由于要对2 2 0 次谐波进行分析，采样频率至少为2 0 0 0 h z ， 这样才能防止频谱混叠，且采样频率越高，可还原性越好， 谐波分析越精确，但同时也增加了程序的复杂性和d s p 的运 算量。 2 )系统谐波分析的算法采用基一2 的快速傅立叶变换f f t ，此 算法要求整周期的采样点数应为2 的整数次幂。 3 )采样芯片m a x l25 是高速a d c ，每个通道的转换时间仅为2us 。 综合考虑频谱失真、d s p 、m a x l2 5 的速度及工作量等因素，确 定采样频率为6 4 0 0 hz ( 整周期的采样点数为l2 8 = 27 ) 。这样，经过调 理电路模块后，原交流电压( 有效值为o 1 0 0 v ) 和电流( 有效值 为0 5 a ) 均已被调理为峰值为一4 5 v + 4 5 v 电压信号，此时就 可以由三片 f a x l2 5 进行采样了。 3 4 2高速14 位a d c ( m a x l2 5 ) m a x l25 ”是m a x im 公司新推出的带同步跟踪保持( t h ) 的高 速、多通道14 位数据采集系统( d a s ) ，器件内含一个转换时间为3 us 的模数转换器( a d c ) 、一组可对4 路输入信号进行同步采样的跟踪 保持器( t h ) ，每个t h 放大器前还设置了一个2 选l 转换开关， 因此总共可有8 路输入信号，m a x l25 的并行接口数据访问和总线释 放的定时特性与d s p 的特性兼容，其转换结果可由d s p 直接读取而 不需要另加等待状态。 m a x l25 具有8 种转换模式及一个节电模式。用户可在2 组多路 开关之间选择同时采样的4 路输入通道。利用双向并行口可编程为 一次采样陔组的一路、二路、三路、或四路。若是单路转换，a d 转换结束后，中断信号in t 就变低，指示转换已完成。若是多路转 换，则在晟后一路a d 转换结束后，int 才变低。在连续读时，c s 要保持低电平。通过双向引脚a 。a 。可向m a x l 2 5 输入数据，选择芯 中南大学硕士论文 第三章系统介绍 片工作模式，表3 1 列出了各模式的编程指令数据。a d c 一旦编程 就能在指定的模式下连续工作，直到重新编程或失电为止。器件上 电后，其默认工作模式为多路开关处于a 组、单通道转换。m a x l2 5 工作时需外接1o m h z 的时钟频率，在此利用d s p 的c l k o u t 引脚提 供1o m h z 时钟，m a x l25 的c o n v s t 引脚上的上升脉冲沿启动采样。 t h 放大器将输入电压保持，同时片内的时序发生器控制指定的通 道按顺序进行转换，在最后的通道转换结束前，其余的c o n v s t 脉 冲被忽略。转换结果存储在片内的14 4 r a m 中，中断信号i n t 总是 在最后的一次转换结束后再变成有效。因此在i n t 到来时可以连续 对r d 引脚旌加读脉冲来一次读取r a m 中的结果。 表3 1m a x l25 工作模式1 a3a 2a 1a o 转换时间 ，二 o00o3us o00l6 us oolo9 us o0l112 us 0l003 us 模式 a 组多路开关，单路转换 上电默认 一一 n 、。l 一 1 _ a 组多路开关，双路转换 a 组多路开关，三路转换 a 组多路开关，四路转换 b 组多路开关，单路转换 o1 o16 usb 组多路开关，双路转换 ol1 09 usb 组多路开关，三路转换 o111l2 usb 组多路开关，四路转换 lxxx 一节电模式 3 4 3m a x l2 5 与d s p 的硬件接口 在此系统中，为了保证三相工频信号之间的正确相位关系和有 功功率、无功功率计算的准确性，必须同时采样三相电压和电流h ”， 因而要求同时采样两个回路，故在电路中使用了三片m a x l2 5 ，且都 工作在a 组多路开关、4 路采样。其控制信号接线图如图3 7 示： 1 ) 片选信号c s ：为了同时采样这l2 路数据，三片m a x l25 的片 选信号c s 是同一信号，即地址线a 。a 。经7 4 l s l3 9 ( u8 a ) 中南大学硕士论文 第三章系统介绍 译码所得输出y 。( 引脚7 ) 。 2 ) 启动信号c o n v s t ：为了实现12 个通道无相位差采样，所以 这三片m a x l2 5 的启动信号c o n v s t 也是一致的，即a tz 、a - 。、 a a 。经两级7 4 l s l3 9 译码所得输出y ，( 引脚9 ) 。 3 ) 中断信号胛：只有等三片m a x l 25 的采样转换完成后，再通 知t m s32 0f 2 4 0 来读取结果。中断信号低电平有效，所以这三 片a x l25 的以或门的关系与t m s 32 0 f 2 4 0 的x i n t ：相连，当 所有的a d 转换完成后，再读取结果。 4 ) 读信号面：为了避免数据线冲突，所以三片m a x l 25 的读取 信号要分开。在读取数据时，要依次读取