（电气工程专业论文）新型电能质量装置的数据处理模块和算法的研究与实现.pdf

中文摘要 中文摘要 摘要：现代电力系统中非线性元件的大量应用导致电能质量的问题日益突出，加 之电力市场化进程的逐步加速，使得近年来供电双方对电能质量问题倍加关注， 而随着科技的飞速发展，电力系统部门也赋予电能质量监测新的内涵，对电能质 量监测的要求也逐步提高。 本文首先分析了国内外在电能质量监测领域的研究方向以及电能质量监测装 置发展趋势，并深入分析了国家提出的各项电能质量监测的指标以及指标的意义， 接着提出了d s p + c p u 汁a i 洲的新型电能质量监测装置的设计方案，并对d s p 和 c p l d 部分的设计做了深入的研究，其次，对电能质量各项指标的算法进行了一定 的研究。 论文设讨基于t i 公司生产的数字信号处理器芯片1 m s 3 2 0 c 6 7 1 3 为主c p u ， x l i n x 生产的x c 9 5 1 4 4 x l 型号的c p l d 为辅助控制器件，利用了d s p 强大的运算能 力，并采用c p l d 完成大部分外设器件的逻辑控制，从而最大限度地发挥了d s p 强大的运算能力，这样就为后续的研究工作创造了实践平台。针对电能质量监测 指标的国家标准，实现了新型电能质量监测装置的算法和软件编程。各项电能质 量指标和算法的研究主要包括：供电电压偏差、三相电压不平衡度、谐波计算、 电压闪变等。基于谐波计算的各项电能质量指标的计算采用传统的f f t 算法，文 章采用了复序列的f f t 算法，提高了计算速度，减少了运算量；电压闪变的计算 方面利用i e c 推荐的闪变框图实现了i e c 闪变的数字测量方法；对于间谐波的测 量，文章利用了b u r g 法在模型识别方面的优势，提出了采用b u r g 法分析a r 模型 的方法来分析和测量间谐波。最后在d s p + c p l d 的平台基础上实现了相关软件的 设计。 关键词：电能质量监测；数字信号处理器；可编程逻辑控制器；谐波；闪变 a b s t r a c t a b s t r a c t a b s t r a c t ：p o w e rq u a l i t yp r o bl e mi sb e c o m i n gm o r es e r i o u sb e c a u s eal a r g en u m b e r o fn o n - l i n e a rc o r r 印n e r i sa r eu s e di nm o d e r np o w e rs y s t e m s a tt h es a m et i m e ，t h e p r o c e s so fe l e c t r i cp o w e rm a r k e t i n gi ss p e e d i n gu pr a p i dl y s ob o t ht h ep o w e r - s 唧p l y s i d ea n dt h ep o w e r - d e l m n ds i d ea r ef o c u s i n go np o w e rq u a l i t yp r o b l e m s a n da st h e r a p i dd e v e l o p m e n to f s c i e m ea n dt e c h n o l o g y , n e wc o n t e r 哇sa n dl l e wr e q u e s t sa r ca d d e d i np o w e rq u a l i t ym o n i t o r i n g i nt h ep a p e r , w e6 r s t l yd i s c u s st h er 删m s e a m ha r e ao fp o w e rq u a l i t ym o n i t o r i n g a n dt h ed e v e l o p i n gt r e n d so f p o w e r q u a l i t ym o n i t o r i n gd e v i c e sa th o m ea n da b r o a d t h e r e s e a r c ho np o w e r q u a l i t ys p e c i f i c m i o na n da r i t h m e t i ci sa l s os t u d i e di nt h ep a p e r t h e nw ep u tf o r w a r dad e s i g no fn e wp o w e rq u a l i t ym o n i t o ru s i n gd s p + c p l d c a r m , w es p e c i a l l yd os o m ed e p t hr e s e a r c ho nd sp p a r ta n dc p l dp a r ta n da l s ot h ea r i t h m e t i c o f e v e r yp o w e rq u a l i t ys p e c i f i c a t i o n t h es y s t e md e s i g nb a s e do nd s p - t m s 3 2 0 c 6 713p r o d u c e db yt i ，a st h em a i nc p u ， a n dc p l d - x c 9 5 1 4 4 x lp r o d u c e db yx l i n x ，弱t h et m i nl o g i c a lc o n t r o ld e v i c e , t o m a x i m i z et h ep o w e r f u lc o m p u t i n gc a p a b i l i t i e so fd s ea l lo ft h e s ec r e a t e dag d 0 d p r a c t i c a lp l a t f o r mf o rt h es t u d yf o l l o w i n g - u p w ep e r f o r m e dt h ea r i t h m e t i ca n dt h e s o t t w a r ed e s i g no ft h en e wp o w e rq u a l i t ym o n i t o rb a s e do nn a t i o m ls t a n d a r d s ，w h i c h i n c l u d ev o l t a g ed e v i a t i o n , v o l t a g eu 曲a l a i l c e h a r m o n i c sa u a l y s i sa n dv o l t a g ef l i c k e ra n d s oo n t h e s ei n d i c a t o r sb a s e do fh a r m o n i c sa r ec a l c u l a t e db yt r a d i t i o n a lf f ta l g o r i t h m , af f to fs e q u e n c eo fc o m p l e xn u m b e r s ，w h i c hc a nr e d u c et h ec o m p u t a t i o n a l c o m p l e x i t y t h ev o l t a g ef l i c k e ri sm e a s u r e db yi e cm o d e lu s i n gdi g i t a lf i l t e rm e t h o d s t h er m a s u r e m e mo fi n t e r - h a r m o n i c si sb yb u r gm e t h o db a s e do na rm o d e l fi n a l l y , w ea c h i e v et h es o f t w a r ed e s i g no nt h ep l a t f o r mo f d s p + c p l d k e y w o r d s ：p o w e r q u a l i t ym o n i t o r , d s p ；c p l d ；h a r m o n i c s ；f l i c k e r 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者橼香绁 签字日期：7 年月哕日 导师签名：锄彤 签字日期哆年多月订日 l 致谢 本论文是在我的导师和敬涵教授的悉心指导下完成的，在我的整个研究生阶 段，无论是专业知识学习、课题研究、论文写作，还是个人生活方面，和老师都 给予了我极大的关怀和帮助。她科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。特别 感谢和老师在我研究道路上遇到瓶颈的时候，为我的研究道路指出了方向，并且 提出了许多宝贵的建议和意见，和老师给我们提供的优越的实验室环境极大的促 成了项目工作的完成和论文的成稿。值此论文完成之际，衷心感谢两年来和老师 对我的关心和指导。 感谢杨少兵老师、倪平浩老师对我的指导和帮助。 感谢我的实验室毕业师兄徐鹤勇，欧灶军，焦娇，王军等对我的指导，感谢 实验室博士同学张浩、喻乐、田文奇、逯治华，硕士赵唯克、赵文、李墨雪、郭 显达、韩佳兵、杜芳等在课题过程中给予我的关心和巨大帮助。 另外也感谢我的全家人在我的研究生阶段对我的支持和关怀，他们的理解和 支持使我能够在学校专心的完成我的学业。 再次感谢所有给予我帮助的师长、同学、亲人和朋友们。 n l 引言 1 1研究背景 1 引言 电能具有清洁方便、经济实用、易于传输和控制等特点，而且电能可以很方 便地和其他能源相互转换，因此电能已经成为现代社会中应用最广泛的能源之一。 现如今，电能也已经作为电力部门的一种特殊商品呈现在广大的电力用户面 前，和其它商品一样，电能同样有质量优劣之分。而随着电力市场化程度的不断 加大，广大的电力用户对电能质量要求也越来越高【l 】。这就要求供电部门的电能质 量也随之提高。 近年来大量非线性负载的接入，使得本身就具有一定非线性特征的电网污染 日益严重，产生电能质量问题的主要原因有以下几个方面： ( 1 ) 大量电力电子器件及电力电子设备的应用。电力电子器件作为一种非线性负载， 极易造成电压( 流) 波形的畸变。 ( 2 ) 电网中的大量的非线性负荷，如变压器和电动机等旋转设备。它们在稳态运行 时不会产牛太大的畸变，但是扰动或者暂态时会产生大量的谐波。 ( 3 ) 冲击性负荷的投运。如电弧炼钢炉、轧钢机等。它的电压中含有大量的谐波和 间谐波成份，谐波分布的主要频率在0 5 h z - - 3 0 h z 之间，是产生电压波动和闪 变的主要原因。 由于上述原因对电网电能质量的污染给电网带来了严重的危害和影响，主要 表现在以下几个方面【1 1 2 】： ( 1 ) 对电力系统的危害，如线损增加，一次运行设备寿命降低，继电保护装置的误 动作等。 ( 2 ) 对电力用户的危害，如危害电力设备，影响用户生产的产品质量等。 ( 3 ) 对电信线路通信的干扰以及对其它相关行业的影响等。 针对电能质量日益恶化的现状，为了满足用户对电能质量的要求，首先要做 好的就是如何提高对电能质量的监测水平。进行电能质量监测的主要目的有以下 几点： ( 1 ) 分析电力系统性能，通过对电能质量的监测，了解电网的电能质量的水平和存 在的问题，从而对电网性能做出正确和全面的评估。可以向用户提供报告，以 便用户了解电能的性能情况。 ( 2 ) 有针对性的系统监测可以帮助确定电能质量问题的具体特征。对特定的电能质 北京交通大学硕士学位论文 量问题进行监测，可以方便找出问题的根源，给出解决问题的具体办法和措施。 ( 3 ) 通过对电能质量的实时监测，可进一步研究提高电网电能质量的方法，在此基 础上对电网进行优化，从而提高电能质量的相关指标。 1 2 国内外研究现状 电能质量问题对电网运行和运营关系重大，因此国内外对电能质量的监测相 当重视，美国、日本及欧洲等发达国家已经进行多年的研究，理论和应用成果显 著。早期的电能质量监测设备主要是模拟式的，即通过对模拟量的直接测量来得 到电能质量的各项指标，这种测量方法所需设备相对复杂，而且不易于计算和控 制。随着半导体工艺发展和计算机技术的日益成熟，传统的模拟式测量仪表已经 逐步被更加方便的数字式仪表所取代。从上世纪7 0 年代数字信号处理器( d s p ) 问世以来，由于它自身所具有的稳定性、可重复性以及可大规模集成等特点被广 泛应用到国民生活的各个技术领域，并很快地被应用到电能质量监测领域中去。 国外在电能质量监测设备的研发上大量采用先进的软、硬件技术，如上边提到的 d s p 技术，还有诸如基于p c 机的总线技术、虚拟器技术、基于互联网的数据发布 技术等，算法方面采用小波算法、神经网络和专家系统等作为检测和分析电能质 量的工具。其中比较有代表性的产品有美国f l u k e ( 福禄克) 公司的f 4 3 系列三相 电能质量分析仪。该系列仪器均为掌上手持式，体积小，精度高，功能完备，最 高可测5 1 次谐波，记录多达4 0 个瞬态事件等，r s 2 3 2 接口可方便接至上位机对 结果进行计算分析和处理。 近几年，国内也加强了对电能质量监测设备的研制和开发，有部分高校已经 开发和研制出基于d s p 的电能质量监测装置。只是实际应用到工程中的还不是很 多，而且装置大都体积大，不便于携带使用，只适合固定安装供测量使用。因此， 目前国内市场上销售的基本都是代理的国外的产品，国内产品很少。总体来说目 前国内外广泛采用的电能质量监测装置大敛分为三类【5 】： ( 1 ) 电能质量远程监测，该类装置能够连续监测公共供电点的电压偏差、三相电压 不平衡度、电压谐波等电能质量指标，完成超限报警及数据录波功能；该类装 置具有完善的网络通信功能，能实现对供用电方的双向监督和电能质量故障分 析与预报。适用于公共供电点电能质量连续监测以及区域电能质量监测。 ( 2 ) 便携式多功能电能质量分析仪器，该类装置一般输入通道相对较多，可以有多 种工作方式备选，内存量大，有良好的软件平台，具备二次开发的功能。同时 有丰富的软件功能和操作界面，对电信线路通信的干扰以及对其它相关行业的 影响等。适用于专项测试，干扰源设备入电网前后的监测；科学研究测试等。 2 引言 ( 3 ) 手持式谐波分析仪，该类装置要求单相电压、电流输入，可测取2 5 0 次谐波、 有功和无功功率，具有波形存储、回放功能，有相应通信接口软件。适合于现 场定期定点检测，非线性电力设备的调试等。 1 3 研究意义 目前，国内电能质量各项指标的测量还都处于专门测量和定期或不定期检测 的阶段，没有形成对电能质量长期的连续不间断监测，在电能质量问题日益严重， 电网市场化日益成熟的今天，传统的电能质量的检测手段显然无法满足供用电双 方对电能质量的监测要求。传统的电能质量监测具有以下几点不足： ( 1 ) 不能实现或不能完全实现对电能质量的实时监测。 ( 2 ) 不能综合考虑五项电能质量指标。 ( 3 ) 孤立测量，不能满足网络化、系统化的需求。 ( 4 ) 采用模拟元件测量，精度达不到相关的要求。 因此，研制一种在线的电能质量监测装置，并且能够将装置的计算结果实时 上传到一卜位机以供后续分析，有效、连续地进行电能质量相关指标的监测，对于 保证电网运行的经济性和安全性具有重要意义，而且能够很好地满足现如今供用 电双方对电能质量的要求。 1 4 论文主要工作 本论文主要研究基于浮点型d s p ( t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 ) 的电能质量在线监测装置 d s p 数据处理模块的软硬件开发以及相关电能质量指标的算法研究。主要工作如 下： l 、总体结构设计，d s p 芯片选型，外围电路设计，c p l d 控制芯片选型，a d 模 块、通信模块的设计。 2 、根据国家电能质量标准分析电能质量的几个指标：电压偏差、三相电压不平衡 度、谐波含量、电压波动和闪变等，深入分析了各指标的计算方法和计算公式。 3 、通过对各指标的计算方法的研究，针对各个指标提出了各自相适应的算法，通 过仿真验证了算法的可行性。 4 、以d s p 芯片和c p l d 为依托完成了数据采集部分及其控制、数据存储部分的设 计以及通信部分c a n 总线控制芯片的控制逻辑及程序。 北京交通大学硕士学位论文 1 5本章小结 本章首先阐述了电能质量监测的背景以及电能质量监测对整个电力系统网络 以及国民生活的重要意义，介绍了国内外电能质量监测装置的现状和发展，分析 了电能质量装置的未来发展趋势和方向，最后重点介绍了本课题研制在线电能质 量监测系统中所承担的主要任务。 4 在线电能质量监测装置的硬件构粲 2 在线电能质量监测装置硬件构架 在线电能质量监测系统运行是否稳定，运行速度和精度是否能够满足现场测 量的需要，主要取决于所选取的硬件性能是否能够支持测量的需求。本系统采用 了d s p + c p l i h a r m 的硬件设计思路，本文主要负责设计d s p + c p l d 部分。 2 1硬件的整体构架思想d s p + c p l d + a r m 2 1 1相关领域概况 目前，国内外广泛应用的电能质量监测装置所采用的硬件结构大体可以分为 两类：一种是以工控机为基础的大型装置，这类分析仪表有较高的精确度，但是 由于体积较为庞大，所以只适合固定测量；一种是d s p + m p u 为核心，由一块电 路板完成数据采集、数据计算和数据存储以及上传到上位机等所有工作，优点是 装置一般体积较小，使用较为方便，缺点是由于自身电路板尺寸等限制，所以测 量精度没有第一种那么高，在国外f l u k e 公司也有便携式并且测量精度相对也很 高的电能质量监测装置( f 4 3 系列) ，但是相对造价较高。 国内近年来新开发的电能质量监测相关装置一般都采用前者，即d s p + m p u 作为硬件核心的双c p u 构架来搭建硬件平台，实现电能质量监测的相关功能。 2 1 2d s p + m p u 结构介绍 在d s p + m p u 的硬件构架中每单个c p u 分工明确，c p u 之间通过双口r a m 或者现场总线来进行通讯【6 】6 。 在这个硬件的构架中，d s p 负责前端的数据采集、数据处理和分析，m p u 则 负责数据的存储、液晶显示以及和上位机的通讯等，双口r a m 或者现场总线负责 二者之间的通信和数据交换的功能。从而在现场设备和上位机之间建立了一条数 据通路，现场设备的实时数据通过数据采集装置转换为数字量，经过d s p 的分析 计算之后，结果通过双口r a m 或者现场总线传送给m p u ，然后将数据上传到上 位机以供进步的分析和处理。其结构图如图2 1 所示。 5 北京交通大学硕士学位论文 图2 1d s p + m p u 构架框图 f 螗2 1d s p + a r m s t r u c t u r ef i g u r e 2 1 3d s p - c c p l d + a r m 结构设计 根据上文中提及的情况，本装置也按照d s p + m p u 的大体思路设计了在线电 能质量监测装置的硬件构架，其中m p u 采用了嵌入式a r m 处理器。由于在传统 的d s p + m p u 结构中d s p 一般还要承担部分的控制任务，这样势必会影响d s p 在 数据计算时的速度。为了最大限度地解放d s p 用来数据计算，考虑加入了可控制 逻辑芯片c p l d 分担部分的d s p 的控制任务，从而可以最大限度地保证d s p 数据 计算的实时性要求。d s p 和a r m 之间的通信采用c a n 总线通信，通信效率较高。 c p l d 芯片用来控制a d 采样芯片的采样时序和c a n 总线控制芯片的控制时序等 控制工作。a r m 主要负责将数据打包存储，液晶显示以及将数据以固定的数据包 格式上传给上位机以供进一步的深层次的分析。 采用了上述d s p + 灿u + c p l d 的双c p u 外加控制芯片的结构，可以让c p u 各司其责，充分利用c p l d 的丰富的可编程逻辑管脚的特点来完成其对装置外围 芯片时序的控制，同时c p u 之间采用了c a n 总线保证了c p u 之间的通信畅通。 图2 - 2d s p + c p l d + a r m 构架框图 f i g 2 - 2d s p + c p l d + a r ms t r u c t u r ef i g u r e 图2 2 为采用d s p + a r m + c p l d 设计的在线电能质量监测装置的基本硬件构 架图，其中红色虚线框内的部分为本课题所主要负责的部分。本课题所主要负责 6 在线电能质量揽测装簧的硬件构架 装置构架中d s p 部分和c p l d 部分以及部分的c a n 总线的控制，以及配合负责 设计a r m 部分的同学做好两个c p u 之间的通信。 2 2d s p 选型及其功能 2 2 1d s p 介绍 数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r , d s p ) 是对信号和图像实时处理的 一类高性能的c p u 。所谓“实时( r e a l - t i m e ) 实现”，是指一个实际的系统能在 人们听觉、视觉或按任务要求所允许的时间范围内实现对输入信号进行处理进行 输出。 d s p 是一种具有特殊结构的微处理器。d s p 内部采用程序总线和数据总线分 开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的数字 信号处理指令，可以用来快速的实现各种数字信号处理算法。根据数字信号处理 的要求，d s p 一般具有如下的主要特点【8 】： ( 1 ) 在一个指令周期内，可完成一次乘法和一次加法： ( 2 ) 程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据； ( 3 ) 片内具有快速r a m ，通常可以通过独立的数据总线，在两块芯片中同时访问； ( 4 ) 具有低开销或无开销的循环及跳转的硬件支持； ( 5 ) 快速的中断处理和硬件i o 接口支持； ( 6 ) 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器； ( 7 ) 可以并行执行多个操作，支持流水线操作，取指、译码、取操作数和执行等操作 可以重叠执行。 其中t m s 3 2 0 系列d s p 包括定点、浮点以及多处理器等结构的d s p 。t m s 3 2 0 系列的体系结构也适用于实时信号处理【9 1 。t m s 3 2 0 系列d s p 不仅解决了传统的信 号处理问题，而且在特殊的复杂应用上也体现出了其性能的优越性。 定点型d s p s 在进行算术操作时，使用的是小数点位置固定的有符号数或无符 号数。浮点d s p s 在进行算术操作时使用的是带有指数的小数，小数点的位置随着 具体数据的不同进行浮动。定点器件在硬件结构上比浮点器件简单，具有价格低 和速度快的特点，因而应用的比较多；而浮点器件的优点是精度高，不需要进行 定标和考虑有限字长效应，但是其成本和功耗相对较高，适合于对数据动态范围 和精度要求高的特殊应用【l o 】。 2 2 2d s p 的选择 7 北京交通大学硕士学位论文 由于电能质量监测装置要求的精度以及作为一款现场测量仪表应能全面考虑 现场测量时特殊环境的影响，在综合考虑了上文中提到的t m s 3 2 0 系列d s p 的特 点，比较了浮点型d s p 在数据计算时相对定点型d s p 所具有的技术优势之后，本 在线电能质量监测装置最终选定使用浮点数字信号处理器t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 ( 以下简 称c 6 7 1 3 ) 。t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列d s p s 是美国1 1 公司于1 9 9 7 年发布的新一代数字 信号处理芯片，是t m s 3 2 0 d s p 家族的重要系列。包括定点系列和浮点系列两种， 其中定点系列是t m s 3 2 0 c 6 2 x x ，浮点系列是t m s 3 2 0 c 6 7 x x 二者互相兼容。本装 置中选用的t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 就是浮点系列中的一款。 t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列d s p 具有v e l o c i t l t m 结构，所以每个周期能够执行8 条 3 2 位指令。其内核c p u 有两个寄存器组成，具有8 个3 2 位字长的功能单元。相 比较其它系列的的d s p ，c 6 0 0 0 系列有以下特点【l i 】： ( 1 ) 具有8 个功能单元的高级v u w 体系结构的c p u ，包括2 个乘法器和6 个a l u ： 每个周期执行8 条指令，是其他d s p 系列性能的1 0 倍；允许设计者开发高效 率的r i s c 代码，从而加快开发速度。 ( 2 ) 指令打包：给定代码大小等效于8 条指令，可以串行或并行执行；减小代码大 小，程序取值时间和功耗。 ( 3 ) 所有指令的有条件执行：减小高代价条件的分支指令；增加搞持续性性能的并 行机制。 ( 4 ) 独立功能单元中的代码高效执行：工业标准级的高效c 编译器；用于快速开发 和增强并行性能的工业标准级的汇编优化器。 ( 5 ) 8 1 3 3 2 位数据支持，为各种应用提供高效存储器支持。 ( 6 ) 支持4 0 位的算术运算，能够为关键算术操作提供支持。 ( 7 ) 字段操作和指令获取、设置、清除及位计数，支持在控制和数据操作应用中的 常规操作。 ( 8 ) 硬件支持i e e e 标准的单精度( 3 2 位) 和双精度( 6 4 位) 指令( 仅适用于c 6 7 x ) ( 9 ) 3 2 x3 2 位的整数乘法，提供3 2 位或6 4 位的运算结果。 ( 1 0 ) 定点和浮点d s p 系列管脚兼容。 2 2 3t m s 3 2 0 c 6 7 l3 硬件资源 t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 是t l 新推出的高速浮点d s p ，工作主频2 0 0 m h z ，其单指令执 行周期仅5 n s ；具有强大的定点浮点运算能力，运算速度可达1 6 0 0 m i p s ( m i l l i o n i n s t r u c t i o n sp e rs e c o n d ) 12 0 0 m f l o p s ( m i l l i o nf l o a t i n g - p o i n to p e r a t i o n sp e rs e c o n d ) 。 c 6 7 1 3 片内外设资源非常丰富，图2 3 是c 6 7 1 3 的内部结构示意图，其片内集 8 在线电能质量监测装簧的硬件构架 成了一个3 2 位外部存储器接口e m i f ( e x t e r n a lm e m o r yi n t e r f a c e ) 9 1 ，通过e m i f ， 可以外扩8 位、1 6 位、3 2 位并行存储器，内部的1 6 个独立的扩展的直接存储器 访问通道e d m a ( e n l x a n c e dd i 他瞻m e l n o 耻觚e s s ) 很大提高了存储器访问的效 率，e d m a 面向实时信号处理，可以在c p u 后台高效地完成存储空间中数据的转移， 具有高效的传输速率，c 6 2 1 x 和6 7 1 x 的数据传输率可高达1 2 0 0 m b s 。两个 m c a s p ( m u l t i c h a n n e la u d i os e r i a lp o r t ) ；两个m c b s p ( m u l t i c h a n n e lb u f f e r e ds e r i a lp o r t ) ， 可以模拟几乎所有形式的串行接口；两个1 2 c 总线接口；两个3 2 位的通用定时器； l6 通道通用i o 口g p i o ( g e n e r a l - p u r p o s ei n p u t o u t p u t ) ；一个l6 位的主机接口 h p l ( h o s t - p o r ti n t e r f a c e ) 【1 2 】【l3 】。这样的硬件资源对于在线电能质量监测系统来说是 足够的。 图2 - 3c 6 7 1 3 内部结构图 f i g 2 3c 6 7 13i n t e r n a ls t r u c t u r e c 6 7 1 3 的数据通路包括【9 l ： ( 1 ) 两组3 2 个通用寄存器组a 和b ，每组1 6 个。 ( 2 ) 八个功能单元( l 1 、1 2 、s 1 、s 2 、m i 、m 2 、d i 、d 2 ) 。 ( 3 ) 两个数据读取通路( l d l 和l d 2 ) ，并且每侧有两个3 2 位读取总线。 ( 4 ) 两个数据存储通路( s t i 和s t 2 ) ，并且每侧有两个3 2 位读取总线。 9 北京交通大学硕士学位论文 ( 5 ) 两个寄存器组交叉通路( 1 x 和2 x ) 。 ( 6 ) 两个数据寻址通路( d a l 和d a 2 ) 。 1 o 3 2 l 毫8 o 从2 l - d 23 2 l $ 8 图2 - 4t m s 3 2 0 c 6 7 1 3c p u 数据通路 f i g 2 4t m s 3 2 0 c 6 7 1 3c p ud a t ap a t h s 2 2 4t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 软件资源 c 6 7 1 3 属于c 6 0 0 0 系列c p u ，c 6 0 0 0 系列c p u 包括下列单元【1o 】： ( 1 ) 程序取指单元。 ( 2 ) 指令分配单元和指令译码单元。 ( 3 ) 双数据通道，每一个通道有4 个功能单元。 ( 4 ) 3 2 个3 2 位寄存器( c 6 4 系列为6 4 个) 。 l o 在线电能质量监测装置的硬件构架 ( 5 ) 控制寄存器和控制逻辑。 ( 6 ) 测试、仿真和中断逻辑。 另外c 6 0 0 0 流水线操作具有若干特点，使之提供高性能、低成本，并且编程 简单，增加了流水线，消除了传统结构在程序取指、数据存储和乘法操作的瓶颈； 流水线控制通过流水线封锁得到简化：在每一个周期内可以分配8 条并行指令； 在同一流水线节拍，并行指令同时执行。这样的流水线操作指令的方式非常适合 用于数字信号处理，为数据处理节省了宝贵的时间，尤其适合于数字滤波环节和 f f t 计算等复杂计算，为开发电能质量在线装置的算法提供了便利。 2 3c p l d 选用及其功能 2 3 1c p l d 的选用 由于d s p 擅长于数字信号处理，擅长于计算而不擅长于控制，根据上文中已 述的思想，为了充分解放d s p ( c 6 7 1 3 ) 的计算能力，而考虑采用c p l d 承担在线 电能质量系统中的控制任务，可以解决d s p 控制能力较弱的特点。其次，d s p 与 某些外扩器件( 如s d r a m 和f l a s h ) 不能实现无缝接口，因此在c p l d 承担系 统控制任务的同时，还可以通过在c 6 7 1 3 与外扩器件之间接入c p l d 的方式帮助 c 6 7 1 3 实现i o 口的扩展、地址译码、接口和时序的匹配等功能。从而在本系统中 加入可编程逻辑控制器件c p l d 对系统的设计有着极为重要的意义。 c p l d 技术在芯片内部以可编程的宏逻辑单元为基础，每个逻辑单元就相当于 一个g a l 器件，它们之间相互联系的、可编程的联线集中在一个全局布线区。c p l d 最大的特点是“在系统可编程特性( 1 s p ) ”。即可以通过计算机的并行口和专用的编 程电缆对焊接在电路板上的i s p 器件直接多次编程，从而使器件具有所需要的逻 辑功能。它可以允许使用大规模可编程逻辑芯片替代传统的7 4 l s 系列和小规模 g a l 逻辑，在调试阶段发现接口时序或逻辑有特殊要求时，只要在线更改逻辑文 件即可满足用户要求，使系统灵活方便，而且缩短了开发周期【1 4 】。 2 3 2c p l d 的选择 x l i n x 公司生产的以x c 9 5 0 0 架构的系列c p l d 器件由多个相同的功能单元 构成，每个功能单元内含有1 8 个宏单元，p i n t o p i n 延时能够达到5 个璐， i o 接口可和5 v 或是3 3 v 信号连接。x c 9 5 0 0 系列c p l d 采用了系统内5 v 可编程 f a s t f l a s h 技术，并且含有内部j t a g 双向扫描测试逻辑，有8 0 0 到6 4 0 0 个逻 北京变通大学硕士学位论文 辑门，3 6 到2 8 8 个寄存器，能反复擦写内部逻辑，可以在外部i o 引脚定义和接 线不变的情况下，实现c p l d 内部逻辑的改变。 考虑到在线电能质量裴置对可编程逻辑控制器件的扩展要求，结合x c 9 5 0 0 构架的c f l d 特点，本装置选择了x c 9 5 0 0 x l 系列中x c 9 5 1 4 4 x l 来协助c 6 7 1 3 完 成部分的控制j 二作和外扩存储芯片的扩展。 x l i n x 公司生产地型号为x c 9 5 4 4 x l 的c p l d 有1 0 0 p n 和j 6 0 p i n 两种，由 于1 0 0 h n 的已经足够满足系统的扩展功能，为了让器件的功能最大化，本装置中 选用的x l i n x 公司生产地x c 9 5 1 4 4 x | 的1 0 0 p i n 的c p l d 。该器件的管脚以及在本 装置中的功能分布如图2 - 5 所示： 图2 - 5 c p l d 管脚图 f 售二5p i n o f c p l d 2 3 3c p l d 在装置中的作用 c p l d 在本系统中的主要功能有： ( 1 ) 通过地址译码功能完成对c 6 7 1 3 外设存储的扩展，扩展s d r a m 和f l a s h 。 ( 2 ) 辅助c 6 7 1 3 完成对a d 模块a d s 8 3 6 4 的采样转换过程控制。 在线电能质量监测装置的硬件构架 ( 3 ) 通过地址译码的方式解决了c a n 控制芯片s j a l 0 0 0 地址数据线复用而d s p 地 址数据线分离，d s p 直接控制s j a l 0 0 0 控制过程复杂的问题。 ( 4 ) 在辅助控制的同时作为c 6 7 1 3 和被控制器件的信号缓冲。 图2 6 清晰地描述了c p l d 在本电能装置中的主要作用和实现手段。 2 4a d 转换模块 图2 - 6c p l d 功能图 f i g 2 - 6c p l df u n c t i o nd i a g r a m 2 4 1a d 转换器的选择 堑 均 怒 弧 璺 墨 幽 模数转换器) 是数据采集电路的核心，在整个装置中占有极为重要的地位， 没有高精度的a d c 采样作保证，后面的计算环节即使精确度再高也无法保证计算 结果的正确性和精度。对于电能质量监测装置来说，没有高精度的a d c 作保证， 后面的高次谐波计算以及其它各电能质量指标的计算将变得毫无意义。目前应用 比较广泛的a d c 可以分为直接型和间接型两类。直接型a d c 可将模拟信号直接 转换为数字信号，如并行比较型a d c 和逐次逼近型a d c 。此类a d c 的转换精度 不高但是速度比较快；间接型a d c 则是先将模拟信号转换为一中间量，然后再将 中间量转换为数字量输出。如双积分型a d c 、电压频率转换型a d c 等。这种类 型的转换器一般可以达到比较高的采样精度，但是随着精度提高而带来的缺点是 此类a d c 转换速度较慢。a d c 的选择一般应视具体的工程应用而定，其原则通 常有以下两点： 1 3 北京交通大学硕士学位论文 l 、采样精度 a d c 的采样精度是整个电能质量分析装置精度的保证，没有高精度的a d 转 换，分析仪的测量据的精度无从谈起。分辨率是决定a d 采样精度的一个重要参 数，人们通常用a d c 输出的二位数的位数来说明a d c 对输入信号的分辨能力。 理论上讲，r l 位输出的a d c 能区分2 n 个不i 一等级的输入模拟电压，能区分输入电 压的最小值为满量程的1 2 n 。 根据公用电网谐波导贝u ( g b t 1 7 6 2 6 7 ) 标准建议测量仪器的准确度分为a 、 b 两级【7 1 ，具体标准如表2 1 所示。 表2 1 仪器的最大允许测量误差 t a b l e2 1m a x i m u mp e r m i s s i b l ee r r o ro fm c a s t r i n ge q u i p m e n t 级别被测量条件最大允许误差 u m 1 u 5 u 。 电压 u 。 1 u k 0 0 5 u i 。 a i 。1 i n5 1 m 电流 l m l i no 1 5 i 。 u 。3 o n5 u m 电压 u 。 3 u n0 1 5 u 。 b i 。1 0 i n5 i 。 电流 l 。 1 0 l no 5 i 。 根据表2 1 中的a 级仪器标准，当被测的谐波电压u m 小于标称电压u n 的1 时，电压的最大允许误差为0 0 5 u m ，而这就要求a d c 必须达到0 0 5 也即是 1 2 0 0 0 的分辨率，而由于被测的电流电压信号都是双极性信号，因此模数转换后 的数字信号中至少有一位是符号位，在此情况下1 2 位a d c ( 2 1 = 2 0 4 7 ) 刚刚能够 满足要求，因此1 4 位的a d c 是最佳的选择。在实际应用中，由于转换误差的存 在，模数转换的结果不可能达到理想的精度，为了提高在线电能质量监测的精度 和保证原始采样数据的精确，本装置采用了1 6 位高精度模数转换器作为采样芯片。 2 、采样速度 模数转换器的另一个重要指标是a d c 的采样速度。为了提高能正确提取的电 压和电流的谐波次数，降低频率中的混叠成分，应该尽量提高a d c 的采样速度也 即是采样率。但是提高采样率必须满足以下几个条件： ( 1 ) a d c 具有较短的转换时问。 ( 2 ) a d c 具有较高的采样转换位数，否则两点之者的数据区分度不够。 ( 3 ) 最重要的也是最关键的点，软件最长程序流程的执行时间要求更短，必须小 于两次采样间隔时间，否则会产生数据阻塞和重叠。 1 4 在线电能质量监测装置的硬件构架 采样率的高低主要取决于a d c 自身的转换时间。不同类型的转换器转换速度 相差甚远。其中并行比较a d c 的转换速度最高，逐次比较型a d c 次之，问接a d c 速度最慢。a d 转换器的分辨率与其转换速率是相互制约的，a d c 的分辨率越高， 其转换所需要的时间就越长，转换速率也就越低。 综合考虑采样速度、精度要求、输入模拟信号的范围及输入信号的极性等方 面，本装置最终选用1 6 位并行输出型模数转换器a d s 8 3 6 4 。 2 4 2a d s 8 3 6 4 的功能 a d s 8 3 6 4 是高速、低功耗，十六位模数转换器。主要应用在电机控制、多轴 定位系统等方面。其共模抑制在5 0 k h z 时是8 0 d b ，因此，特别适用于噪声比较 大的环境。a d s 8 3 6 4 为6 通道同步采样转换器件，每片a d s 8 3 6 4 由3 个转换速率 为2 5 0k s p s 的a d c 构成，每个a d c 有2 个模拟输入通道，每个通道都带有采样 保持器，3 个a d c 可组成3 对模拟输入，可对其中的输人信号同时采样保持。另 外，引脚内部还带有2 5v 电压接口，可用以提供基准电压。由于6 个通道可以同 时采样，因而很适合用于需同时采集多种信号的应用场合。本装置设计为a d s 8 3 6 4 和d s p 使用1 6 位并行通信。 a d 模块的硬件结构图如图2 7 所示： 模 拟 输 入 图2 7 a d 模块原理框图 f i g 2 7a dm o d e lf u n c t i o n a ls c h e m e 2 4 3a d s 8 3 6 4 在装置中的应用 a d s 8 3 6 4 的六个1 6 位a d c 可以成对的同时工作，三个采样保持信号( 丽厕， 北京交通大学硕士学位论文 琢册，耳砜) 可以启动指定通道的转换，三个保持信号同时被选通时，转换 结果保存在六个寄存器中，对于每一个读操作a d s 8 3 6 4 输出1 6 位数据，在本电 能质量监测装置，三个采样保持信号管脚( 琢兀丽，琢了瓜，琢兀d ) 接到一起 为h o l d ，然后接到c p l d 的i o 管脚上，如图2 6 所示，由c p l d 控制三个采样 通道同时采样，另外地址膜式选择信号( a 0 ，a 1 ，a 2 ) 可以选择如何从a d s 8 3 6 4 中读取数据，在本装置中地址膜式选择信号线分别接到了三个d i p 开关上，可以 从硬件上选择从a d