（通信与信息系统专业论文）基于dsp的电能质量在线网络监测系统.pdf

华北电力大学硕 学位论文 摘要 随着我国电力市场的建立，电能质量越来越受到供用电双方的广泛重视。 针对 电能质量监测的需要，本文利用 d s p 技术对电能质量监测系统进行了研究和开发口 d s p芯片的硬件特性使实时在线计算电能质量参量成为可能。 本文设计了基于 d s p 技术的电能质量监测仪， 它主要完成现场数据的采集， 然后利用d s p的快速运 算能力进行电能质量参量的运算工作，最后把运算结果通过以太网口传送出去，同 时将需要保存的数据保存到监测仪的存储器中。 在系统设计方面，本文运用 c o r b a技术设计了一套电能质量监测系统方案。 由于c o r b a具有与编程语言无关， 与处理平台无关， 以及与网络协议无关的特性， 它非常适合应用于分布式系统。电能质量监测系统包括了许多分布式设备，它们之 间需要相互通信，因此使用c o r b a技术开发电能质量监测系统，可以使系统具有 跨平台、可扩展性和互操作性的特点。 关键词:电能质量，d s p , c o r b a，监测，以太网 ab s t ract wi t h t h e b u i l d i n g o f t h e p o w e r m a r k e t o f o u r c o u n t r y , p o w e r q u a l i t y h a s b e e n r e g a r d e d b y p o w e r c o m p a n i e s a n d c u s t o m e r s m o r e a n d m o r e . a i m i n g a t t h e n e e d o f p o w e r q u a l i t y m o n i t o r i n g , t h e p o w e r q u a l i t y m o n i t o r i n g s y s t e m b a s e d o n d s p i s d e s i g n e d a n d d e v e l o p e d i n t h i s p a p e r . t h e c h a r a c te r s o f d s p c h i p m a k e r e a l - t i m e c a l c u l a t i o n o f p o w e r q u a l i t y p a r a m e t e r s p o s s i b l e . a p o w e r q u a l i t y m o n i t o r b a s e d o n d s p i s d e s i g n e d i n t h i s p a p e r . a t f i r s t i t g a t h e r s d a t u m o f l o c a l e q u i p m e n t s , a n d t h e n c a l c u l a t e s t h e p a r a m e t e r s o f p o w e r q u a l i t y u s i n g d s p , f i n a l l y t h e r e s u l t s c a l c u l a t e d w i l l b e s e n t t h r o u g h e t h e r n e t a n d s a v e d i n m em or i ze r . i n t h i s p a p e r , a n e w a p p r o a c h t o w a r d t h e d e v e l o p m e n t o f a p o w e r q u a l i t y m o n i t o r i n g s y s t e m h a s b e e n p r o p o s e d . i t s i n d e p e n d e n c e f r o m p r o g r a m m i n g l a n g u a g e s , c o m p u t i n g p l a t f o r m s , a n d n e t w o r k i n g p r o t o c o l s m a k e s i t h i g h l y s u i t a b l e f o r d e v e l o p m e n t o f d i s t r i b u t e d a p p l i c a t i o n s . p o w e r q u a l i ty m o n i t o r i n g s y s t e m i n v o l v e s d i s t r i b u t e d d e v i c e s t h a t n e e d t o c o m m u n i c a t e w i t h e a c h o t h e r . s o i t i s a g o o d c h o i c e t o u s e c o r b a t o d e v e l o p p o w e r q u a l i t y m o n i t o r i n g s y s t e m. d u d a n ( c o m m u n i c a t i o n a n d i n f o r m a t i o n e n g i n e e r ) d i r e c t e d b y p r o f . t a n g l i a n g r u i k e y wo r d s : p o w e r q u a l i ty , d s p , c o r b a , m o n i t o r i n g , e t h e r n e t 2 华北电力大学硕 学位论文 摘要 随着我国电力市场的建立，电能质量越来越受到供用电双方的广泛重视。 针对 电能质量监测的需要，本文利用 d s p 技术对电能质量监测系统进行了研究和开发。 d s p 芯片的硬件特性使实时在线计算电能质量参量成为可能。 本文设计了基于 d s p 技术的电能质量监测仪， 它主要完成现场数据的采集， 然后利用d s p的快速运 算能力进行电能质量参量的运算工作，最后把运算结果通过以太网口传送出去，同 时将需要保存的数据保存到监测仪的存储器中。 在系统设计方面，本文运用c o r b a技术设计了一套电能质量监测系统方案。 由于c o r b a具有与编程语言无关， 与处理平台无关， 以及与网络协议无关的特性， 它非常适合应用于分布式系统。电能质量监测系统包括了许多分布式设备，它们之 间需要相互通信，因此使用c o r b a技术开发电能质量监测系统，可以使系统具有 跨平台、可扩展性和互操作性的特点。 关键词:电能质量，d s p , c o r b a，监测，以太网 ab s t ract wi t h t h e b u i l d i n g o f t h e p o w e r m a r k e t o f o u r c o u n t r y , p o w e r q u a l i t y h a s b e e n r e g a r d e d b y p o w e r c o m p a n i e s a n d c u s t o m e r s m o r e a n d m o r e . a i m i n g a t t h e n e e d o f p o w e r q u a l i t y m o n i t o r i n g , t h e p o w e r q u a l i t y m o n i t o r i n g s y s t e m b a s e d o n d s p i s d e s i g n e d a n d d e v e l o p e d i n t h i s p a p e r . t h e c h a r a c t e r s o f d s p c h i p m a k e r e a l - t i m e c a l c u l a t i o n o f p o w e r q u a l i t y p a r a m e t e r s p o s s i b l e . a p o w e r q u a l i t y m o n i t o r b a s e d o n d s p i s d e s i g n e d i n t h i s p a p e r . a t f i r s t i t g a t h e r s d a t u m o f l o c a l e q u i p m e n t s , a n d t h e n c a l c u l a t e s t h e p a r a m e t e r s o f p o w e r q u a l i t y u s i n g d s p , f i n a l l y t h e r e s u l t s c a l c u l a t e d w i l l b e s e n t t h r o u g h e t h e r n e t a n d s a v e d i n m em or i ze r i n t h i s p a p e r , a n e w a p p r o a c h t o w a r d t h e d e v e l o p m e n t o f a p o w e r q u a l i t y m o n i t o r i n g s y s t e m h a s b e e n p r o p o s e d . i t s i n d e p e n d e n c e f r o m p r o g r a m m i n g l a n g u a g e s , c o m p u t i n g p l a t f o r m s , a n d n e t w o r k i n g p r o t o c o l s ma k e s i t h i g h l y s u i t a b l e f o r d e v e l o p m e n t o f d i s t r i b u t e d a p p l i c a t i o n s . p o w e r q u a l i ty m o n i t o r i n g s y s t e m i n v o l v e s d i s t r i b u t e d d e v i c e s t h a t n e e d t o c o m m u n i c a t e w i t h e a c h o t h e r . s o i t i s a g o o d c h o i c e t o u s e c o r b a t o d e v e l o p p o w e r q u a l i t y m o n i t o r i n g s y s t e m. d u d a n ( c o m m u n i c a t i o n a n d i n f o r m a t i o n e n g i n e e r ) d i r e c t e d b y p r o f . t a n g l i a n g r u i k e y wo r d s : p o w e r q u a l i ty , d s p , c o r b a , m o n i t o r i n g , e t h e r n e t 2 坦匕o口 尸明 本人郑重声明: 所呈交的学位论文， 是本人在导师指导下， 独立进行研究工作所取 得的成果。 尽我所知， 除文中已 经注明引用的内容外，木学位论文的研究成果不包含任 何他人享有著作权的内容。 对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体， 均 已在文中以明确方式标明。 特此申明。 签名 : r 开 口期: ? v v乐 6 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了 解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即: 学校有权保管、井向有关 部门 送交学位论文的原件与复印 件;学校可以 采用影印、缩印或其 它复制手段复制并保存学 位论文; 学校可允许学位论文被查阅或借阅: 学校可以 学术交流为目的 ， 复制赠送和交换学 位论文;同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名: . 盛吵一 导师签名 日期:-k m石 。 6 日期 华北电力大学硕十学位论文 第一章 绪论 1 . 1课题研究的背景和意义 一个理想的电力系统应以恒定的频率和正弦的波形， 按规定的电压水平对用户 供电。由于系统各元件参数并不是理想线性或对称的，加之调控手段的不完善、负 荷性质各异并且其变化的随机性以及运行操作、各种故障等原因，这种理想状态在 实际当中并不存在，因此就产生了电能质量的概念” 。 电能质量可以定义为:导致用电设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率 偏差，其内容涉及频率偏差、电压偏差、电磁暂态、供电可靠性、波形失真、三相 不平衡以 及电 压波动和闪变等【 ” 。 通常以供电电 压、 偏移、波动、 闪变、间断、塌 陷、尖峰、谐波畸变、三相不平衡和高频干扰等指标来表征电能的质量。 随着新型电力负荷迅速发展以及电力用户对电能质量要求不断提高， 电能质量 越来越成为供用电双方共同关心的问题。一方面电网中不断增加的非线性负荷和冲 击负荷引发的电力污染不仅导致供电质量下降，对电力系统运行效率、安个等多方 面产生不良 影响。另一方面，大量的对供电质量要求较高的电力用户和拥有微计算 机控制器件或电力电子器件的用户也对电网的电能质量提出了更高的要求。 基于以上原因，电能质量监测与管理受到了广泛关注，改善电能质量对于电网 的安全、经济运行，保障工业产品质量和科学实验的正常进行以及降低能耗等均有 重要意 义。 因 此， 需要发展电能 质量监 测系统( p o w e r q u a l it y m o n i t o r i n g s y s t e m - p q m s ) 。电能质量监测就是收集关于电压和电流的数据:发送对某处有用的数据， 将那些数据转换成决策信息的过程 2 1 对电能质量的监测是必不可少的，它的意义可以概括为以下几点: . 连续监测维破坏性电能质量事故的事后分析提供了数据。 这些数据是确定事 件如何以及是哪里引起的所需要的， 可以更好的了解在将来如何避免这些事 件，以及如何减少其影响。 . 必需连续的监测谐波， 确保随时间的推移， 负载的增加不会引起过多的热量， 这些热量会导致用电设备、变压器、电缆、断路器、电容器、电抗器、电机 等电气设备的过早损坏和缩短其正常工作寿命。 . 功耗和 r ms的连续跟踪为计划将来的企业扩张和确保现有和将来的供电馈 线、 变电站具有足够的容量提供了有用的数据。 它对计划新的分散负载和新 设备用电力系统的增加也是非常有用的。充分了解电能系统对于工厂侮年 1 次或2 次停工的例行维护也是至关重要的。 从多个节点得到的长时间的数据 能够确保在短的维护窗口内进行相应的工作。 华北电力大学硕十学位论文 第一章 绪论 1 . 1课题研究的背景和意义 一个理想的电力系统应以恒定的频率和正弦的波形， 按规定的电压水平对用户 供电。由于系统各元件参数并不是理想线性或对称的，加之调控手段的不完善、负 荷性质各异并且其变化的随机性以及运行操作、各种故障等原因，这种理想状态在 实际当中并不存在，因此就产生了电能质量的概念” 。 电能质量可以定义为:导致用电设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率 偏差，其内容涉及频率偏差、电压偏差、电磁暂态、供电可靠性、波形失真、三相 不平衡以 及电 压波动和闪变等【 ” 。 通常以供电电 压、 偏移、波动、 闪变、间断、塌 陷、尖峰、谐波畸变、三相不平衡和高频干扰等指标来表征电能的质量。 随着新型电力负荷迅速发展以及电力用户对电能质量要求不断提高， 电能质量 越来越成为供用电双方共同关心的问题。一方面电网中不断增加的非线性负荷和冲 击负荷引发的电力污染不仅导致供电质量下降，对电力系统运行效率、安个等多方 面产生不良 影响。另一方面，大量的对供电质量要求较高的电力用户和拥有微计算 机控制器件或电力电子器件的用户也对电网的电能质量提出了更高的要求。 基于以上原因，电能质量监测与管理受到了广泛关注，改善电能质量对于电网 的安全、经济运行，保障工业产品质量和科学实验的正常进行以及降低能耗等均有 重要意 义。 因 此， 需要发展电能 质量监 测系统( p o w e r q u a l it y m o n i t o r i n g s y s t e m - p q m s ) 。电能质量监测就是收集关于电压和电流的数据:发送对某处有用的数据， 将那些数据转换成决策信息的过程 2 1 对电能质量的监测是必不可少的，它的意义可以概括为以下几点: . 连续监测维破坏性电能质量事故的事后分析提供了数据。 这些数据是确定事 件如何以及是哪里引起的所需要的， 可以更好的了解在将来如何避免这些事 件，以及如何减少其影响。 . 必需连续的监测谐波， 确保随时间的推移， 负载的增加不会引起过多的热量， 这些热量会导致用电设备、变压器、电缆、断路器、电容器、电抗器、电机 等电气设备的过早损坏和缩短其正常工作寿命。 . 功耗和 r ms的连续跟踪为计划将来的企业扩张和确保现有和将来的供电馈 线、 变电站具有足够的容量提供了有用的数据。 它对计划新的分散负载和新 设备用电力系统的增加也是非常有用的。充分了解电能系统对于工厂侮年 1 次或2 次停工的例行维护也是至关重要的。 从多个节点得到的长时间的数据 能够确保在短的维护窗口内进行相应的工作。 华北电力大学硕十学位论文 . 在数据库重非常详细的归档电能质量监测报告， 并非常详细的包括了电能质 量的所有特性， 这样就可以将现在的质量情况和历史情况进行比较， 并预测 故障可能出现的时间。 . 当监测到电能质量问题时，可以向p c屏幕及音响发出警报信息，从而可以 立即通知主要的工作人员。即时通知使得可以采取措施来隔离故障，防止危 害整个设施的多米诺效应。 电力单位也会从连续监测中得到好处。 一些电力部门在所有发电和配电系统中 都利用电能质量监测设备来提高其运营效率。他们还制定主动电能质量监测程序来 帮助客户，要不就将其作为供电合同的一部分，或者用来提高供需关系。 电能质量监测的要求，主要有两个方面:一是测量的广度，二是测量的深度。 所谓测量广度，要求监测装置具有测量电能质量全面指标的能力，包括各种连续型 及事件型电能质量问题。测量深度是指不仅可以方便快速地查询的事件相关数据， 而且可以自动修改信息类型及其设定门槛值，自动捕捉各种电能干扰，通过敏感度 分析和统计发展趋势做出判断，下达维护和治理控制命令等。 总之， 建立电能质量实时监测系统， 对电能质量进行综合评估，电能商业运作 提供可靠的技术数据，并为保障规范用电及监督管理，为电能企业面向市场、适应 市场竞争提供强有力的手段。 1 . 2国内外研究现状及发展趋势 电能质量监测仪 ( p o w e r q u a l i t y m o n i t o r , p q m)的传统设计大多采用t - 业计 算机配备数据采集卡来实现电能质量的数据采集和分析，这类设备主要存在以下不 足:由于采用计算机作为现场监测分析工具，导致设备成本偏高;设备配置的灵活 性、 通用性比较差， 往往只能用于特定的操作环境; 现场设备不具备实时分析能力， 大量采样数据都要传送给专门的分析工具去处理，导致对现场设各的存储容量要求 很大【 3 1 p p c机的采用加大了设备的成本，不适于作为永久性在线监测设备大量安 装在现场。因此，需要设计和开发嵌入式的电能质量监测设备，同时它必须具有很 高的实时性。 d s p 芯片 ( d i g it a l s i g n a l p r o c e s s o r ) ，即 数字 信号处 理器， 是 一种适合于进行 实时数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处 理算法。 d s p 芯片一般具有以下特点【 a l ( 1 )快速的运算速度; ( 2 )在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法运算; ( 3 )程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据; ( 4 )片内具有快速r a m，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问; 华北电力大学硕十学位论文 . 在数据库重非常详细的归档电能质量监测报告， 并非常详细的包括了电能质 量的所有特性， 这样就可以将现在的质量情况和历史情况进行比较， 并预测 故障可能出现的时间。 . 当监测到电能质量问题时，可以向p c屏幕及音响发出警报信息，从而可以 立即通知主要的工作人员。即时通知使得可以采取措施来隔离故障，防止危 害整个设施的多米诺效应。 电力单位也会从连续监测中得到好处。 一些电力部门在所有发电和配电系统中 都利用电能质量监测设备来提高其运营效率。他们还制定主动电能质量监测程序来 帮助客户，要不就将其作为供电合同的一部分，或者用来提高供需关系。 电能质量监测的要求，主要有两个方面:一是测量的广度，二是测量的深度。 所谓测量广度，要求监测装置具有测量电能质量全面指标的能力，包括各种连续型 及事件型电能质量问题。测量深度是指不仅可以方便快速地查询的事件相关数据， 而且可以自动修改信息类型及其设定门槛值，自动捕捉各种电能干扰，通过敏感度 分析和统计发展趋势做出判断，下达维护和治理控制命令等。 总之， 建立电能质量实时监测系统， 对电能质量进行综合评估，电能商业运作 提供可靠的技术数据，并为保障规范用电及监督管理，为电能企业面向市场、适应 市场竞争提供强有力的手段。 1 . 2国内外研究现状及发展趋势 电能质量监测仪 ( p o w e r q u a l i t y m o n i t o r , p q m)的传统设计大多采用t - 业计 算机配备数据采集卡来实现电能质量的数据采集和分析，这类设备主要存在以下不 足:由于采用计算机作为现场监测分析工具，导致设备成本偏高;设备配置的灵活 性、 通用性比较差， 往往只能用于特定的操作环境; 现场设备不具备实时分析能力， 大量采样数据都要传送给专门的分析工具去处理，导致对现场设各的存储容量要求 很大【 3 1 p p c机的采用加大了设备的成本，不适于作为永久性在线监测设备大量安 装在现场。因此，需要设计和开发嵌入式的电能质量监测设备，同时它必须具有很 高的实时性。 d s p 芯片 ( d i g it a l s i g n a l p r o c e s s o r ) ，即 数字 信号处 理器， 是 一种适合于进行 实时数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处 理算法。 d s p 芯片一般具有以下特点【 a l ( 1 )快速的运算速度; ( 2 )在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法运算; ( 3 )程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据; ( 4 )片内具有快速r a m，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问; 华北电力大学硕士学位论文 5 )具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持; ( 6 )快速的中断处理和硬件 1 / 0支持; ( 7 ) 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器: ( 8 )可以并行执行多个操作; ( 9 ) 支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。 d s p的出现在电能的监测、 控制和测试上引起了一场革命。 它特殊的结构和极 高的运行速度使得在高速采样速率下实现各种各样的控制和测量算法变成可能【 ” 。 电力系统是典型的集线性、非线性和开关元件与一身的复杂系统。高频率的转 换器增加了另一方面的难度。 因此， 实时的电力系统需要运用高速数据采集和控制。 d s p 满足了这种系统处理的需要。 为了精确测量电网中高次谐波值以及对暂态电能质量指标进行实时测量， 必须 保证较高的采样频率，在扰动发生过程中( 如:陡波前瞬态过电压) 采样频率要求达 到兆级。 传统的5 1 , 8 0 c 1 9 6 等单片机的指令周期最多能够达到 1 6 0 n s ， 一条指令执 行时间最短为 i ps ，很难满足数据处理的要求。 数字信号处理( d s p ) 技术的快速发展， 为电能质量数据处理提供了理想的方案。 高性能的数字信号处理器采用改进的哈佛结构，指令运行采用流水线结构，其指令 周期可以达到2 0 -3 0 n s ， 可以保证足够高的采样率， 从而实现了高精度的同步数据 采集处理。 另外，随着网络技术的不断成熟，利用网络的高性能、高可靠性的资源和系统 扩充的方便，能够灵活地组建电能质量监测系统。这样，可以使得不同类型的监测 网络的互联变得容易，极大地扩充监测系统规模，加强了对系统数据的集中管理和 共享。借助于现代网络技术，可以方便地实现 “ 零距离”对远程设备的实时在线监 测。 1 . 3本文的研究工作 本文选用 t i 公司的新型 d s p芯片t ms 3 2 0 f 2 8 1 2设计电能质量监测仪，它的 主要任务就是现场数据采集、 数据分析和数据传送。 它计算的电能质量参量主要有: 电压和电流有效值、频率、谐波、功率、功率因数和三相不平衡等。另外，本文设 计了运用c o r 13 a技术的电能质量在线监测系统的方案，运用这种技术可以使得监 测系统具有跨平台性，而且更容易扩展。 本文第一章通过分析电能质量对供用电双方的影响说明改善电能质量的重要 性及意义， 又通过分析电能质量的现状及需要解决的问题说明d s p技术在电能质量 监测中的应用。 电能质量监测仪是电能质量监测系统的重要组成部分，它完成现场数据的采 华北电力大学硕士学位论文 5 )具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持; ( 6 )快速的中断处理和硬件 1 / 0支持; ( 7 ) 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器: ( 8 )可以并行执行多个操作; ( 9 ) 支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。 d s p的出现在电能的监测、 控制和测试上引起了一场革命。 它特殊的结构和极 高的运行速度使得在高速采样速率下实现各种各样的控制和测量算法变成可能【 ” 。 电力系统是典型的集线性、非线性和开关元件与一身的复杂系统。高频率的转 换器增加了另一方面的难度。 因此， 实时的电力系统需要运用高速数据采集和控制。 d s p 满足了这种系统处理的需要。 为了精确测量电网中高次谐波值以及对暂态电能质量指标进行实时测量， 必须 保证较高的采样频率，在扰动发生过程中( 如:陡波前瞬态过电压) 采样频率要求达 到兆级。 传统的5 1 , 8 0 c 1 9 6 等单片机的指令周期最多能够达到 1 6 0 n s ， 一条指令执 行时间最短为 i ps ，很难满足数据处理的要求。 数字信号处理( d s p ) 技术的快速发展， 为电能质量数据处理提供了理想的方案。 高性能的数字信号处理器采用改进的哈佛结构，指令运行采用流水线结构，其指令 周期可以达到2 0 -3 0 n s ， 可以保证足够高的采样率， 从而实现了高精度的同步数据 采集处理。 另外，随着网络技术的不断成熟，利用网络的高性能、高可靠性的资源和系统 扩充的方便，能够灵活地组建电能质量监测系统。这样，可以使得不同类型的监测 网络的互联变得容易，极大地扩充监测系统规模，加强了对系统数据的集中管理和 共享。借助于现代网络技术，可以方便地实现 “ 零距离”对远程设备的实时在线监 测。 1 . 3本文的研究工作 本文选用 t i 公司的新型 d s p芯片t ms 3 2 0 f 2 8 1 2设计电能质量监测仪，它的 主要任务就是现场数据采集、 数据分析和数据传送。 它计算的电能质量参量主要有: 电压和电流有效值、频率、谐波、功率、功率因数和三相不平衡等。另外，本文设 计了运用c o r 13 a技术的电能质量在线监测系统的方案，运用这种技术可以使得监 测系统具有跨平台性，而且更容易扩展。 本文第一章通过分析电能质量对供用电双方的影响说明改善电能质量的重要 性及意义， 又通过分析电能质量的现状及需要解决的问题说明d s p技术在电能质量 监测中的应用。 电能质量监测仪是电能质量监测系统的重要组成部分，它完成现场数据的采 华北电力大学硕士学位论文 集、电能质量参量的计算以及运算数据的传送。第二章对电能质量监测仪的硬件进 行了设计，包括d s p芯片的选择;模块划分和各模块功能;d s p芯片与传感器、存 储器、模/ 数转换芯片、串行接口和以太网芯片的接口电路设计。 只有硬件电路的监测仪还不能开始工作，必须有相应的软件。 第三章对电能质 量监测仪的软件进行了设计。首先，分析了软件需要完成的任务，对软件的总体流 程进行了说明。之后，说明了监测仪主要处理部分的软件，包括以太网部分软件、 串口部分软件和f f t算法的实现。 有了电能质量监测仪采集和分析现场的数据之后， 需要将分散在各个地方的监 测仪的数据进行汇总， 再进行系统的分析和判断。 第四章说明了采用先进的c o r b a 技术的电能质量在线监测系统的设计方案。通过分析 c o r b a技术的特点说明为什 么选用c o r b a技术的原因，然后对电能质量监测系统的总体结构和重要接口进行 了设计。 最后就是本文总结和对未来的展望。 华北电力大学硕士学位论文 第二章 电能质量监测仪的硬件设计 电能质量监测仪采用先进的数字信号处理器 d s p作为核心处理器，既能在每个周 期进行快速傅立叶变换运算、 实时分析出电压和电流的直流、 基波、 2 5 0 次谐波成分， 又能准确累计有功、无功能量。另外，监测仪具有串行接口 和以 太网接口， 利用以太网 接口 可以实时地上传数据和波形，通过串口 则可在本地下载数据和波形。 2 . 1 d s p 的开发 2 . 1 . 1 d s p 介绍 数字信号处理器 ( d s p )是一种超高速单片计算机，它对一些现实信号的实时 检测、处理和产生进行最优化。微处理器是一个传统意义上能力很差的计算机，它 在后台执行任务，常常控制其他设备。d s p与微处理器的明显的区别在于它们的内 部芯片结构，d s p 器件对高速、高精度的乘法进行了特殊的优化，因此，它具有很 好的实时运算能力 ” 。 d s p处理器是专门设计用来进行高速数据信号处理的微处理器。 与通用的c p i l 和微控制器 ( mc u ) 相比， d s p 处理器在结构上采用了许多的专门技术和措施来提 高 处 理 速 度 ， : 。 ( i ) 哈佛结构 哈佛结构 ( h a r v a r d a r c h i t e c t u r e )是不同于传统的冯 诺曼 ( v o n n e u m a n a r c h i t e c t u r e ) 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两个相互独立的存储器，每个存储器独立编 址、独立访问。与两个存储器相对应的是系统中设置了程序总线和数据总线两条总 线，从而使数据的吞吐率提高了一倍。而冯 诺依曼结构则是将指令、数据、地址 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、数据 还是地址口 结构的区别 取指令和取数据都访问同一存储器，数据吞吐率低。图2 . 1 说明这两种 程序存 储器 cp u 数据存 储器 冯 诺依曼结构 哈佛结构 图2 . 1 冯 诺依曼结构和哈佛结构 ( 2 ) 流水线 计算机在执行一条指令时，总要经过取指、译码、取数、执行运算等步骤，需 要若干个指令才能完成。流水技术是将各指令的各个步骤重叠起来执行，而不是一 条指令执行完成之后，才开始执行下一条指令，如图 2 . 2 o d s p处理器所采用的将 华北电力大学硕士学位论文 第二章 电能质量监测仪的硬件设计 电能质量监测仪采用先进的数字信号处理器 d s p作为核心处理器，既能在每个周 期进行快速傅立叶变换运算、 实时分析出电压和电流的直流、 基波、 2 5 0 次谐波成分， 又能准确累计有功、无功能量。另外，监测仪具有串行接口 和以 太网接口， 利用以太网 接口 可以实时地上传数据和波形，通过串口 则可在本地下载数据和波形。 2 . 1 d s p 的开发 2 . 1 . 1 d s p 介绍 数字信号处理器 ( d s p )是一种超高速单片计算机，它对一些现实信号的实时 检测、处理和产生进行最优化。微处理器是一个传统意义上能力很差的计算机，它 在后台执行任务，常常控制其他设备。d s p与微处理器的明显的区别在于它们的内 部芯片结构，d s p 器件对高速、高精度的乘法进行了特殊的优化，因此，它具有很 好的实时运算能力 ” 。 d s p处理器是专门设计用来进行高速数据信号处理的微处理器。 与通用的c p i l 和微控制器 ( mc u ) 相比， d s p 处理器在结构上采用了许多的专门技术和措施来提 高 处 理 速 度 ， : 。 ( i ) 哈佛结构 哈佛结构 ( h a r v a r d a r c h i t e c t u r e )是不同于传统的冯 诺曼 ( v o n n e u m a n a r c h i t e c t u r e ) 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两个相互独立的存储器，每个存储器独立编 址、独立访问。与两个存储器相对应的是系统中设置了程序总线和数据总线两条总 线，从而使数据的吞吐率提高了一倍。而冯 诺依曼结构则是将指令、数据、地址 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、数据 还是地址口 结构的区别 取指令和取数据都访问同一存储器，数据吞吐率低。图2 . 1 说明这两种 程序存 储器 cp u 数据存 储器 冯 诺依曼结构 哈佛结构 图2 . 1 冯 诺依曼结构和哈佛结构 ( 2 ) 流水线 计算机在执行一条指令时，总要经过取指、译码、取数、执行运算等步骤，需 要若干个指令才能完成。流水技术是将各指令的各个步骤重叠起来执行，而不是一 条指令执行完成之后，才开始执行下一条指令，如图 2 . 2 o d s p处理器所采用的将 华北电力大学硕十学位论文 程序存储空间和数据存储空间的地址与数据总线分开的哈佛结构，为采用流水技术 提供了很大的方便。 译码取数 取指译码 执行 取数执行 取指译码取数执行 一 a ) 图2 . 2 流水技术 ( 3 ) 专用的硬件乘法器 在通用的微处理器中，乘法指令是由一系列加法来实现的，故需许多个指令周 期来完成。相比而言，d s p芯片的特征就是有一个专用的硬件乘法器。硬件乘法器 的基本结构见图2 .3 . ( 4 ) 独立的直接存储器访问 ( d m a )总线 很高的处理器速度必须要有很高的数据访问和传输相配合。 d s p 处理器为d ma 单独设置了完全独立的总线和控制器， 这是和通用 c p u很不相同的， 其目的是在进 行数据传输时完全不影响c p u及其相关总线的工作。 ( 5 ) 数据地址发生器 ( d a g ) 在通用 c p u中， 数据地址的产生和数据的处理都由a l u完成。 在 d s p处理器 中，设置了专门的数据地址发生器来产生所需要的数据地址。数据地址的产生与 c p u的工作是并行的，从而节省 c p u的时间，提高信号处理的谏度。 数据通道 寄存器 _一 存储器结构 甲 【 w a p m (a c c ) 图2 3硬件乘法器的基本结构 华北电力大学硕十学位沦文 2 . 1 . 2 d s p 开发流程 总的来说，d s p 系统的设计还没有非常好的正规设计方法。图2 .4 所示是d s p 系 统设计 的一 般过程1 7 1 0s p应 用 定 义 系 统 性 能 指 标 选 择 dsp 芯 1 软 件 编 程 硬 件 设 训 软 件 调 试 硬 件 调 试 系 统 集 成 i系 统 视 试 和 调 试 图2 . 4 d s p 系统的设计流程 在设计 d s p系统之前，首先必须根据应用系统的目标确定系统的性能指标、 信号处理的要求，通常可用数据流程图、数学运算序列、正式的符号或自然语言来 描述。 第二步是根据系统的要求进行高级语言的模拟。一般来说，为了实现系统的最 终目标，需要对输入的信号进行适当的处理，而处理方法的不同会导致不同的系统 性能，要得到最佳的系统性能，就必须在这一步确定最佳的处理方法，即数字信号 处理的算法，因此这一步也称算法模拟阶段。算法模拟所用的输入数据是实际信号 经采集而获得的，通常以计算机文件的形式存储为数据文件。 在完成第二步之后，接下来就可以设计实时d s p系统，实时d s p系统的设计 包括硬件设计和软件设计两个方面。硬件设计首先要根据系统运算量的大小、对运 算精度的要求、系统成本限制以及体积、功耗等要求选择合适的d s p 芯片。 然后设 计 d s p芯片的外围电路及其他电路。软件设计和编程主要根据系统要求和所选的 d s p 芯片编写相应的d s p 程序。 由于现有的高级语言编译器的效率还比不上手工编 写汇编语言的效率，因此在实际应用系统中常常采用高级语言和汇编语言的混合编 程方法，即在算法运算量大的地方，用手工编写的方法编写汇编语言，而运算量不 大的地方则采用高级语言。采用这种方法，既可缩短软件开发的周期，提高程序的 可读性和可移植性，又能满足系统实时运算的要求。 d s p 硬件和软件设计完成后， 就需要进行硬件和软件的调试。软件的调试一般 华北电力大学硕士学位论文 借助于d s p 开发工具，如软件模拟器、d s p开发系统或仿真器等。调试d s p 算法 时一般采用比较实时结果与模拟结果的方法，如果实时程序和模拟程序的输入相 同，则两者的输出应该一致。应用系统的其他软件可以根据实际情况进行调试。硬 件调试一般采用硬件仿真器进行调试。 系统的软件和硬件分别调试完成后， 就可以将软件脱离开发系统而直接在应用 系统上运行。 2 . 1 . 3 d s p 芯片的选择 在选择d s p之前， 首先必须非常清楚实际应用和系统的要求。根据这些要求评 定不同d s p 处理器的能力【 “ ， 。 ( 1 ) 运算速度 时钟速度并不是衡量 d s p运算能力的唯一标准。不同 d s p的执行速度可以通 过比较d s p 执行基本算法如f f t和f i r滤波器的执行时间来评定。 ( 2 ) 定点d s p与浮点d s p 的比较 浮点处理器适合于动态范围大的场合， 因为它们的数据寄存器具有大的指数域。 它的缺点就是价格比较贵。 定点处理器价格比较低。由于它们的数据寄存器具有大的尾数域，因此它们的 精确度更高，但是它们的动态范围小。 ( 3 ) 存储器 当数据存放在高速的片上存储器或者是外部静态存储器时， d s p 能达到最大的 处理量。因此，希望有足够的片上存储空间保存输入数据。 ( 4 ) 接口 处理器 i / o接口的能力在它的执行过程中起着重要的作用。数据的接收与发送 都必须要考虑。对于成块数据的移动，d ma控制器是必须的。类似的，在d s p芯 片和外部数据源或其他处理器之间的i / o接口必须要达到最大的数据传送速率。 ( 5 )易于编程 浮点d s p比定点d s p更容易编程。另外，浮点d s p 还提供了有效的c编译器 和实时操作系统。所以，如果要快速开发基于d s p的应用，那么选用浮点 d s p比 定点 d s p 好。 ( 6 )实时的考虑 在实时系统中，时钟是同步的基础。因此，需要一个片上可编程时钟。中断是 用来处理非同步的任务的。中断等待时间必须尽量短。 ( 7 ) 成本 d s p芯片是比较贵的。 但是，当d s p运用于复杂系统时，它们可以减少使用许 多外部硬件。通过用软件实现昂贵的外部硬件的功能可以减少d s p的成木。 华北电力大学硕士学位论文 借助于d s p 开发工具，如软件模拟器、d s p开发系统或仿真器等。调试d s p 算法 时一般采用比较实时结果与模拟结果的方法，如果实时程序和模拟程序的输入相 同，则两者的输出应该一致。应用系统的其他软件可以根据实际情况进行调试。硬 件调试一般采用硬件仿真器进行调试。 系统的软件和硬件分别调试完成后， 就可以将软件脱离开发系统而直接在应用 系统上运行。 2 . 1 . 3 d s p 芯片的选择 在选择d s p之前， 首先必须非常清楚实际应用和系统的要求。根据这些要求评 定不同d s p 处理器的能力【 “ ， 。 ( 1 ) 运算速度 时钟速度并不是衡量 d s p运算能力的唯一标准。不同 d s p的执行速度可以通 过比较d s p 执行基本算法如f f t和f i r滤波器的执行时间来评定。 ( 2 ) 定点d s p与浮点d s p 的比较 浮点处理器适合于动态范围大的场合， 因为它们的数据寄存器具有大的指数域。 它的缺点就是价格比较贵。 定点处理器价格比较低。由于它们的数据寄存器具有大的尾数域