基于tms320f206的分功率因数电能表的研究与设计（可复制毕业论文） .pdf

基于t m s 3 2 0 f 2 0 6 的分功率因数电能表的研究与设计 摘要 随着我国国民经济的飞速发展，各行各业对电力的需求越来越大，功率因数 已成为衡量电力系统电网运行质量的一个重要指标。分功率因数电能表根据用户 实时功率因数考核收费，用经济杠杆的手段激励用户采取适当措施改善功率因 数，从而提高电网质量。 本文首先分析了分功率因数电能表的工作原理，介绍了d s p 技术及其在电 力参数测量中的应用，并介绍了电力参数测量的各种算法及其原理。 在系统硬件设计中，首先介绍了系统硬件总体设计方案，接着对各主要硬件 单元模块进行了详细说明，主要包括数据采集单元、数据处理单元、管理控制单 元、显示接口单元和通信接口单元，最后，对系统硬件抗干扰措施进行了分析。 系统软件由d s p 计量单元软件和m c u 管理单元软件两部分构成。d s p 通 过f f t 算法完成对a d 采样信号的计算和处理，并将处理后的数据发送给m c u ， 而m c u 则负责分功率因数计量模块的实现，并执行谐波监测、需量计算、异常 检测、通讯以及显示处理等功能。最后，简要地介绍了软件抗干扰设计。 最后，介绍了分功率因数电能表挂网试运行的情况，并给出了分功率因数电 能表的基本参数和主要技术指标以及性能测试实验结果。 分功率因数电能表采用d s p + m c u 的高档电能表设计方案，具有精度高、 结构简单、使用方便等特点，它可以测量用户的总用电量以及分功率因数的累计 电量，并通过考核功率因数奖惩电费，还可以对电网谐波进行监测，有利于用电 量大的工厂和企业科学、合理地使用电力资源。 关键词：分功率因数；电能表；d s p ；t m s 3 2 0 f 2 0 6 硕十学位论文 a bs t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fo u rn a t i o n a le c o n o m y ，t h ed e m a n do fe l e c t r i c i t y i si n c r e a s i n gm o r ei na l lw a l k so fli f e ，a n dp o w e rf a c t o rh a sb e c o m ea ni m p o n a n t i n d i c a t o r m e a s u r i n g t h e q u a l i t y o f g r i dp o w e rs y s t e m p o w e r - f a c t o r s e g m e n t w a t t h o u rm e t e ra s s e s s e sf e e s a c c o r d i n gt ou s e r sr e a l t i m ep o w e rf a c t o r ，a n dt h e m e a n so fe c o n o m i cl e v e rc a nb eu s e dt ou r g eu s e r st oi m p r o v et h e i rp o w e rf a c t o r ss o a st oi m p r o v et h eq u a l i t yo fe l e c t r i c a ln e t w o r k t h i sa r t i c l en r s t a n a l y z e st h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fp o w e r f a c t o r s e g m e n t w a t t h o u rm e t e r ，a n dt h e ni n t r o d u c e st h ed s pt e c h n o l o g ya n di t sa p p l i c a t i o ni n m e a s u r i n gp o w e rp a r a m e t e r s ， a n di n t r o d u c e sav a r i e t yo fp o w e rm e a s u r e m e n t a l g o r i t h ma n dt h ep r i n c i p l e i nh a r d w a r e d e s i g no ft h es y s t e m ， t h et o t a lh a r d w a r ed e s i g np r o g r a mi s i n t r o d u c e da t6 r s t t h e ni td e s c r i b e si nd e t a i la l lt h em a jo rh a r d w a r em o d u l e s ， m a i n l yi n c l u d i n gd a t aa c q u i s i t i o nu n i t ，d a t ap r o c e s s i n gu n i t ，m a n a g e m e n tc o n t r o l u n i t ， d i s p l a y i n t e r f a c eu n i ta n dc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c eu n i t f i n a l l y ， t h e a n t i - ja m m i n gm e a s u r e so ft h eh a r d w a r es y s t e ma r ea n a l y z e d s o f t w a r eo ft h es y s t e mc o n s i s t so ft w op a r t s ：s o f t w a r eo fd s pf o rm e a s u r e m e n t u n i ta n ds o f ：t w a r eo fm c uf o rm a n a g e m e n tu n i t d s pc o m p l e t e st h ec o m p u t i n ga n d p r o c e s s i n go ft h ea ds a m p l es i g n a lu s i n gt h ef f ta l g o r i t h m ， a n ds e n d st h e p r o c e s s e dd a t at om c u a n dm c ui s r e s p o n s i b l ef o r t h e r e a l i z a t i o no ft h e p o w e r f a c t o r - s e g m e n tm e a s u r e m e n tm o d u l e ，a n de x e c u t e st h ef u n c t i o no fh a r m o n i c m o n i t o r i n g ， d e m a n dc a l c u l a t i o n ， a n o m a l yd e t e c t i o n ， c o m m u n i c a t i o na n dd i s p l a y p r o c e s s i n g i nt h ee n d ，t h ea n t i j a m m i n gm e a s u r e so ft h es o f t w a r es y s t e ma r e i n t r o d u c e d f i n a l l y ，i tp r o d u c e st h es t a t eo fp o w e r - f a c t o 卜s e g m e n tw a t t - h o u rm e t e rr u n n i n g o nt h ep o w e rg r i d ，a n dg i v e st h eb a s i cp a r a m e t e r sa n dt h em a i nt e c h n i c a li n d i c a t o r s ， a sw e l la st h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t so fp e r f o r m a n c et e s t i n go fp o w e r - f a c t o r s e g m e n t w a t t h o u rm e t e r p o w e r f a c t o r s e g m e n tw a t t - h o u rm e t e ru s e sh i g h - g r a d ee n e r g ym e t e rd e s i g n p r o g r a mw i t hd s p a n dm c u i th a ss u c hf e t u r e sa sh i g hp r e c i s i o n ，s i m p l es t r u c t u r e ， e a s y - t o u s e i tc a nm e a s u r et h eu s e r st o t a le l e c t r i c i t yc o n s u m p t i o n ，a sw e l la st h e c u m u i a t i v ep o w e 卜f a c t o 卜s e g m e n t p o w e r ， a n da s s e s s e sf e e st h o u g he x a m i n a t i n g n i 幕于1 m s 3 2 0 f 2 0 6 的分功率【六j 数i 乜能表的研究j 设计 p o w e rf a c t o r ，a n dc a nm o n i t o rh a r m o n i co fp o w e rg r i d i ti sh e l p f u lf o rf a c t o r i e sa n d e n t e r p r i s e sw i t hl a r g ee l e c t r i c i t yc o n s u m p t i o nt ou s ep o w e r r e s o u r c e ss c i e n t i f i c a l l y a n dr a t io n a ll y k e yw o r d s ：p o w e r f a c t o r s e g m e n t ；、a t t - h o u rm e t e r ； d s p ；t m s 3 2 0 f 2 0 6 i v 硕十学位论文 1 1 选题背景及意义 第1 章绪论 随着我国国民经济的飞速发展，各行各业对电力的需求越来越大，功率因数 问题也成为衡量电力系统电网运行质量的一个重要指标，因为如果用户没有达到 理想的功率因数，相对地就是在消耗电力系统的资源，不利于电网安全稳定运行。 过去执行的是原水利电力部19 8 3 年下发的“功率因数调整电费办法，实行 的是装设防盗装置的无功电能表，按用户每月实用的有功电量和无功电量计算月 平均功率因数。因为当时的电能表无法考核用户的实时功率因数，供电部门只考 核用户的月平均功率因数，用户也就只关注进行月无功平衡。只要用户的月平均 功率因数超过了“功率因数调整电费办法 规定的标准，就按照规定比例减少用 户的有功电费支出；只要用户的月平均功率因数低于“功率因数调整电费办法 规定的标准，就按照规定比例增加用户的有功电费支出。这种方法叫做两部制电 价，它不能反映电能的实时无功功率特征，不科学，不合理，不能推动无功功率 调整控制，不利于电力系统电压调整和节能减排【l j 。而采用实时功率因数电能计 量，可以考核用户实时功率因数，通过经济手段使用户功率因数实时保持在良好 水平，从而使电网无功实时减少，有利于电网高效、稳定运行。 月度无功平衡是用户电压波动的根本原因，用户电压合格并稳定运行的条件 是，用户首先要做到无功实时就地平衡。电力需求侧无功做到了实时就地平衡， 用户在任何时刻都不向电网输送无功，没有无功在交流电网的电抗中产生的电压 降落，用户的电压与发电厂的电压一样合格，一样稳定。用户进行月度无功平衡， 高峰用电负荷期间无功用的多，电压低；低谷用电负荷期间无功用的少，甚至向 电网倒送，电压高。虽然月度平均无功仍然好，但电压质量差，波动大。 电网中的电力负荷如电动机、变压器、日光灯及电弧炉等，大多属于电感性 负荷，这些电感性的设备在运行过程中不仅需要向电力系统吸收有功功率，还同 时吸收无功功率。因此在电网中安装并联电容器无功补偿设备后，将可以提供补 偿感性负荷所消耗的无功功率，减少了电网电源侧向感性负荷提供及由线路输送 的无功功率。由于减少了无功功率在电网中的流动，因此可以降低输配电线路中 变压器及母线因输送无功功率造成的电能损耗，这就是无功补偿的效益。无功补 偿的主要目的就是提升补偿系统的功率因数【2 】。因为供电公司发出来的电是以 k v a 或者m v a 来计算的，但是收费却是以k w ，也就是实际所做的有用功来收 费，两者之间有一个无效功率的差值，一般而言就是以k v a r 为单位的无功功 幕于t m s 3 2 0 f 2 0 6 的分功牢冈数f 乜能表的研究0 设汁 率。大部分的无效功都是电感性，也就是一般所谓的电动机、变压器、日光灯等， 几乎所有的无效功都是电感性，电容性的非常少见。也就是因为这个电感性的存 在，造成了系统里的一个k v a r 值，三者之间是一个三角函数的关系： k 瑚2 = k 形2 + k 瑚r 2 ( 1 1 1 简单来讲，在式( 1 1 ) 中，如果今天的k v a r 的值为零的话，k v a 就会与k w 相 等，那么供电公司发出来的1 k v a 的电就等于用户1 k w 的消耗，此时成本效益 最高，所以功率因数是供电公司非常重视的一个指标，这也就是要改善功率因数 的原因。 改善功率因数的意义【3 】： 1 通过改善功率因数，减少了线路中总电流和供电系统中的电气元件，如变 压器、电器设备、导线等的容量，因此不但减少了投资费用，而且降低了本身电 能的损耗。 2 藉由良好功因值的确保，从而减少供电系统中的电压损失，可以使负载电 压更稳定，改善电能的质量。 3 可以增加系统的裕度，挖掘发供电设备的潜力。如果系统的功率因数低， 那么在既有设备容量不变的情况下，装设电容器后，可以提高功率因数，增加负 载的容量。 4 减少了用户的电费支出：通过上述各元件损失的减少及功率因数提高的电 费优惠。 本文所设计的分功率因数电能表就是采用实时功率因数调整电费方法的一 种新型电子式电能表，目的是解决目前所使用的月平均功率因数法不能真实反映 用户实时功率因数的缺陷，并利用经济杠杆的手段激励用户采取适当措施改善功 率因数，从而达到提高电网运行质量的目的。 1 2 国内外电能表的发展现状 随着社会生活中工业、农业、商业以及居民生活的用电需求日益增长，人们 对电能的交易日益频繁，电能表是衡量电能交易数额的计量器具，其技术性要求 很高，既要求准确，更要求稳定，并保证长期可靠【4 j 。 18 8 0 年美国人爱迪生利用电解原理制成了直流电能表( 即安时计) 。自18 8 5 年交流电的发现和应用给电能表的发展提出了新的要求，交流电能表从此应运而 生。意大利科学院的物理学家弗拉里斯( f e r r a r i s ) 在18 8 8 年提出用旋转磁场的原 理来测量电能量，即在一个可转动的导体上作用两个同频率但空间和相位不同的 交变磁场，导体就能旋转。由此，交流感应式电能表又称作弗拉里表。当时，在 美国电工技术学校有位教师也利用同一原理制造出感应式电能表的模型。这些理 论和模型都是交流电能表雏形的萌芽。 硕十学位论文 l8 8 9 年，匈牙利岗兹公司一位德国人布勒泰制作成总重量为3 6 5 k g 的世界 上第一块感应式电能表。从此，感应式电能表在电能计量应用中占据了极其重要 的地位。这块感应式电能表的电压铁芯重6 k g ，由于它没有单独的电流铁芯，因 此电压铁j 醛总的电抗就必需做得很大，体积也就很大了。为了减少尺寸和重量， 人们开始研究把电压与电流磁路分开，采用了独立电流铁芯，从而大大缩小了其 体积。另外，在解决内相角的问题上，还使用过人工线路和合成磁场的方法。到 18 9 0 年以后出现了带电铁芯的电能表，然而转动元件仍是一铜杯，反作用力矩 的产生是依靠交流电磁铁。直到十九世纪末期爿逐步丌始采用直流磁铁，降低了 旋转速度，增加了力矩，采用浇铸零件，改进了计数机构，同时采用了一个圆盘 代替了原来一个盘一个杯的转动元件，并且使用铝盘来代替铜盘。 在二十世纪很长的一段时期内，感应式电能表发展方向主要是在缩小体积和 改善工作性能方面。二十世纪初，感应式电能表就得到了飞速发展。19 0 5 年出 现了增加非工作磁路改进9 0 0 的方法，使电能表的各项参数有了很大提高。而后， 随着一些性能较好的高导磁材料的出现，大大地减轻了电能表的重量并缩小了其 体积，每只表的质量降到了1 5 2 k g ，而且降低了其功率消耗。从三十年代开始， 电能表采用铬钢、铝镍合会代替原来的钨铜，并通过降低电能表转盘的转速来降 低其损耗，同时改善了电能表的负荷特性。当时，国外的感应式电能表的过负荷 能力达到6 0 0 以上，而且采用双宝石轴承和磁力轴承，使电能表寿命长达1 5 3 0 年。感应式电能表的突出优点就足结构简单、操作安全、维修方便、造价低 廉，但是它也存在的许多缺点，如：准确度低、适用频率窄、功能单一等等。至 此，感应式电能表在电能计量中已经得到了广泛的应用。 随着微电子高新技术和电子工业的高速发展以及用电负荷特性的不同，对电 能计量精度提出了新的要求，电子式电能表越来越显示出其优越性。由于机械感 应式电能表的驱动线圈的低频窄带电磁特性，即对于基波外的各次谐波功率信号 难以转换成等比例的驱动力矩，因而造成感应式电能表对非线性负荷、冲击负荷 的计量误差较大问题。机械感应式电能表的精度低、非线性负荷计量误差大和难 以实现各种功能的诸多缺点，造成感应式电能表发展停滞不前。随着电能表拥有 着容易实现多功能、高精度、便于自动抄表及具有先进通讯接口等诸多功能扩展 需要，促使各种新型的电子式电能表迅速发展。即使一些机电一体式的特种电能 表，例如：分时多费率( t o u ) 电能表、有脉冲输出的电能表、多路最大需量表、 预付费电卡电能表和电力定量器，它们采用感应式电能表作基表，同时应用电子 电路来实现新的功能。 在二十世纪六十年代末，r 本衫山桌先生发明了时分割乘法器并且提出了其 功率测量原理，实现了全电子化电能计量装置，并由日本横河株式会社生产了 2 8 8 5 型数字功率变换器，受到全世界的关注。在这个原理基础上我国研制出单 基于t m s 3 2 0 f 2 0 6 的分功牢l 夭l 数电能表的研究j 设计 相和三相电子式数字功率电能标准表。随着电子技术的进一步发展，模拟一数字 转换技术和大规模集成电路的逐步完善，促使各种性能和各种功能的电子式电能 表逐步成为电能计量的主力军，尤其是多功能电能表的智能化功能日趋完善。近 年，国外电子式电能表发展非常快，芬兰、瑞典、挪威等北欧各国以及法国、英 国、德国、西班牙、比利时和意大利等西欧许多国家，其工商用户计费电能表已 实现10 0 电子化。居民用户的计费电能表也正在逐步电子化过程中，如法国 2 0 0 1 年起已停止购买安装感应式电能表；意大利在2 0 0 5 年已经将全部感应式电 能表更新为自动抄表的电子式电能表；英国目前已有8 0 居民计费用表为电子 式电能表。现在上海电网6 5 以上的居民使用了电子式电能表。 在我国，电力生产对计划调度、经济调度要求愈来愈高。电力生产的特点是 发、供、用电同时完成，因此，电能作为一种不可储存商品的流通使用过程中， 对其准确计量有其特殊性。为调节负荷用电时段，以解决日渐突出的电力供求矛 盾，在不增添设备，不扩大设备容量的前提下，主要通过两种方法来解决：一是 通过行政手段，在用电高峰时限、拉电；二是通过经济手段，实行分时电价，即 提高用电高峰时段电能的售价，降低用电低谷时段电能的售价。为此，电力部门 广 泛地使用有多个计度器能在不同费率时段内记录交流有功或无功电能的复费 率电能表。2 0 0 3 年，国家在保持电价总水平基本稳定的前提下，大力推行峰谷 分时计电价，鼓励用户合理移峰填谷用电。同时，要求完善两部制电价制度，扩 大多功能表应用范围，为电子式多功能电能表带来了广阔的应用空间。 一在工业生产和日常生活中，电能的质量越来越受到重视。电网的电流、电压 过低过高，均可能影响电器设备的正常使用功效及设备寿命，严重的还会危及人 身安全。应用于电力系统的电力参数实时测量功能，在变电站一级一般都由远动 装置r t u ( r e m o t et e r m i n a lu n i t ) 来实现；而在普通应用环境中由于侧重于电量的 计量功能则多采用电能表来实现，主要是通过将有功功率对时间积分的方式进行 有功电能的计量。 目前，在我国得到广泛使用的电能表有两种【5 】：一种是感应式机械电能表， 它是利用三个不同空间和相位的磁通建立起来的交变的移进磁场，在这个磁场的 作用下，转盘上产生了感应电流，根据楞次定律，这个感应电流使得转盘总是朝 一个方向旋转。转盘的转动经蜗杆传递到计数器，累计转盘的转数，从而达到计 量电能的目的。另一种是近儿年随着电子工业的发展而出现的电子式电能表，它 是利用电流和电压作用于固态电子器件而产生电能输出量的电能计量仪表。机械 式电能表由于自身的机械特性导致其稳定性和精度都不尽人意，随着电力市场化 改革的不断深入，我国的国电网、省电网在各级电能计量数据采集系统建设中， 大部分己将其更新为电子式电能表。 结合电力市场运作和管理的实际需要，电能表的测量己经从简单的有功电度 硕卜学位论文 和无功电度测量发展到测量电压、电流、功率因数、工频频率、有功功率、无功 功率、视在功率、单相或双向电能量、谐波、对称分量以及其他电力参数值的测 量，如相序转换、电压电流不平衡、分时段。而完成的功能也从传统的计量发 展到多条记录存储、可与计算机进行数据交换、可进行远程实时测量( 有线或无 线) 等【6 1 0 d s p 技术的高速发展为电力参数测量技术带来了新的变革，特别是在电力 系统电压和电流的高次谐波的测量和分析，非正弦情况下的有功电能和无功电能 的计量方面，d s p 的应用成为了目前电力参数测量开发的最新趋势。 我国虽然引进了国外一些多功能电子式电能表，但其在功能、价格、维护等 方面不能完全适合我国现阶段的需要，因此迫切需要一种高质量、高可靠性、功 能齐全、价格低廉的多功能电子式电能表。近几年来随着半导体技术的飞速发展， 新技术、新产品不断问世，使开发新式多功能电子式电能表成为可能。本课题的 研究工作就是在此背景下展开的。 1 3 本文研究的主要内容 第1 章介绍了本课题研究的背景及意义，以及目前国内外电能表的发展现 状，阐述了本文研究的主要内容。 第2 章阐述了分功率因数电能表的原理，介绍了功率因数分段考核奖惩电 费的方法。其次，介绍了d s p 技术及其发展现状以及在电力参数测量中的应用。 最后，给出了电力参数测量及计算的原理，介绍了电力参数测量的交流采样算 法、同步采样算法以及基2 f f t 算法的原理。 第3 章首先介绍了基于t m s 3 2 0 f 2 0 6 的分功率因数电能表的系统硬件总体 设计方案，接着对各主要硬件单元模块进行了详细说明，主要包括数据采集单 元、数据处理单元、管理控制单元、显示接口单元、通信接口单元和电源单元， 最后，对系统硬件抗干扰措施进行了分析。 第4 章详细介绍了分功率因数电能表的系统软件设计，它由d s p 计量单元 软件和m c u 管理单元软件两部分构成。d s p 通过f f t 算法完成对a d 采样信 号的计算和处理，并将处理后的数据发送给m c u ，而m c u 则负责分功率因数 计量模块的实现，并执行谐波监测、需量计算、异常检测、通讯以及显示等功 能。最后，介绍了系统的软件抗干扰设计。 第5 章分析了分功率因数电能表挂网试运行的效果，并介绍了分功率因数 电能表的基本参数和主要技术指标及性能测试实验结果。 最后，对本文的研究成果进行了总结与展望。 基于t m s 3 2 0 f 2 0 6 的分功牢i 六1 数电能表的石j 究与设计 第2 章分功率因数电能表的相关原理分析 2 1 分功率因数电能表的原理 2 1 1 分功率因数电能表 分功率因数电能表是为了满足电力系统需求所设计的一种电子式电能表，旨 在通过经济杠杆的手段激励用户改善功率因数，从而提高电网运行质量。它是采 用实时功率因数分段计量电能的一种电子式电能表，通过把以往电能计量的月度 平均功率因数特征，修改为用于电能计量的实时功率因数特征，即电能的实时无 功功率特征，故也可称为实时功率因数电能表。用分功率因数电能表计量出的不 同功率因数段的电量乘以对应功率因数段的电费调整率，分段计算增减电费【7 】。 分功率因数电能表将每个时刻的电压、电流采样与功率因数相乘计算出有功 功率，有功功率对时间的积分计算出电能，把电能存储在相应的功率因数段中， 改变了传统电能表一个月的电能量只有一个功率因数的特征，体现了电能量的不 同功率因数特征。 2 1 2 功率因数分段考核 根据功率因数分段调整电费的要求，可将功率因数分为9 6 个考核计费段， 即将功率因数以o 0 1 为单位进行分段考核，设电表运行时测得的实时功率因数 为p ，贝u 分另i j 当o 0 0 s p 0 0 1 ，o 0 1s p 0 0 2 ，0 0 2 s p 0 0 3 ，o 9 4 p 0 9 5 ，o 9 5 s p l 时，分别作为一个考核段【引。 之所以将0 9 5 s “ 0 时，表示调整电费 为增加电费，即惩罚电费，是对相应功率因数段的电费进行惩罚；a ，取a ， o 时， 表示调整电费为减少电费，即奖励电费，是对相应功率因数段的电费进行奖励。 当a ，取值相同时，即相当于可对功率因数任意分段考核( 最多9 6 段) 。为方便电 量抄收和电费结算，分功率因数电能表可通过主台抄表系统抄收调整电量e 一 次抄收结算。 表2 1 分功率因数电能表的9 6 个考核计费段 2 2d s p 技术及其在电力参数测量中的应用 2 2 1d s p 技术简介 2 2 1 1d s p 及d s p 芯片 数字信号处理( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，简称d s p ) 是一门涉及许多学科而 又广泛应用于许多领域的新兴学科。2 0 世纪6 0 年代以来，随着计算机和信息技 术的飞速发展，数字信号处理技术应运而生并得到迅速的发展。在过去的二十多 年时间里，数字信号处理已经在通信等领域得到极为广泛的应用【9 j 。 数字信号处理是利用计算机或专用处理设备，以数字形式对信号进行采集、 变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理，以得到符合人们需要的信号形式。 虽然数字信号处理的理论发展迅速，但在2 0 世纪8 0 年代以前，山于实现方法的 限制，数字信号处理的理论还得不到广泛的应用。直到2 0 世纪7 0 年代末8 0 年 代初世界上第一片单片可编程d s p 芯片的诞生，才将理论研究结果广泛应用到 低成本的实际系统中，并且推动了新的理论和应用领域的发展。可以毫不夸张地 说，d s p 芯片的诞生及发展对近2 0 年来通信、计算机、控制等领域的技术发展 起到十分重要的作用【1 0 】。 基于t m s 3 2 0 f 2 0 6 的分功术i 六l 数i 也能表的研究与设计 d s p 芯片，也称数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) ，是一种特别适合 于进行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。在本文中所述的d s p 所指的均为d s p 芯片。 2 2 1 2d s p 芯片的发展 世界上第一个单片d s p 芯片应当是1 9 7 8 年a m i 公司发布的s 2 8 1 1 ，而1 9 7 9 年美国i n t e l 公司发布的商用可编程器件2 9 2 0 是d s p 芯片的一个主要里程碑。 这两种芯片内部都没有现代d s p 芯片所必须有的单周期乘法器。19 8 0 年，日本 n e c 公司推出的“p d d 7 7 2 0 是第一个具有乘法器的商用d s p 芯片。在这之后， 最成功的d s p 芯片当数美国德州仪器公司( t e x a si n s t r u m e n t s ，简称t i ) 的系列产 品。t i 将常用的d s p 芯片归纳为三大系列，即：t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列( 包括 t m s 3 2 0 c 2 x c 2 x x ) 、t m s 3 2 0 c 5 0 0 0 系列( 包括t m s 3 2 0 c 5 x c 5 4 x c 5 5 x ) 、 t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列( t m s 3 2 0 c 6 2 x 厂c 6 7 x ) 。如今，t i 公司的d s p 产品己经成为 当今世界上最有影响的d s p 芯片。t i 公司也成为世界上最大的d s p 芯片供应商， 其d s p 市场份额占全世界份额近5 0 。 第一个采用c m o s 工艺生产浮点d s p 芯片的是日本的h i t a c h i 公司，它于 1 9 8 2 年推出了浮点d s p 芯片。1 9 8 3 年日本f u i i t s u 公司推出的m b 8 7 6 4 ，其指令 周期为1 2 0 n s ，且具有双内部总线，从而使处理吞吐量发生了一个大的飞跃。而 第一个高性能浮点d s p 芯片应是a t & t 公司于19 8 4 年推出的d s p 3 2 。与其他公 司相比，m o t o r o l a 公司在推出d s p 芯片方面相对较晚。19 8 6 年，该公司推出了 定点处理器m c 5 6 0 0 1 。19 9 0 年，推出了与i e e e 浮点格式兼容的浮点d s p 芯片 m c 9 6 0 0 2 。美国模拟器件公司( a n a l o gd e v i c e s ，简称a d ) 在d s p 芯片市场上也 占有一定的份额，相继推出了一系列具有自己特点的d s p 芯片，其定点d s p 芯 片有a d s p 2 1 0 l 2 1 0 3 2 1 0 5 、 a s d p 2 111 2 11 5 、 a d s p 2 1 6 l 2 1 6 2 2 1 6 4以及 a d s p 2 17 1 2 l81 ，浮点d s p 芯片有a d s p 2 l0 0 0 2 10 2 0 、a d s p 2 10 6 0 2 1 0 6 2 等。 自1 9 8 0 年以来，d s p 芯片得到了突飞猛进的发展，d s p 芯片的应用越来越 广泛。从运算速度来看，m a c ( 一次乘法和一次加法) 时n j 已经从2 0 世纪8 0 年 代初的4 0 0 n s ( 如t m s 3 2 0 1 0 ) 降低到l o n s 以下( 如t m s 3 2 0 c 6 2 x 6 7 x 等) ，处理能 力提高了几十倍。d s p 芯片内部关键的乘法器部件从19 8 0 年的占模片区( d i ea r e a ) 的4 0 4 6 左右下降到5 9 6 以下，片内r a m 数量增加一个数量级以上。从制造工 艺来看，1 9 8 0 年采用4 “m 的n 沟道m o s ( n m o s ) 工艺，而现在则普遍采用亚微 米( m i c r o n ) c m o s 工艺。d s p 芯片的引脚数量从19 8 0 年的最多6 4 个增加到现在 的2 0 0 个以上，引脚数量的增加，意味着结构灵活性的增加，如外部存储器的扩 展和处理器间的通信等。此外，d s p 芯片的发展使d s p 系统的成本、体积、重 量和功耗都有很大程度的下降。 硕十学位论文 2 2 1 3d s p 芯片的基本结构 为了快速地实现数字信号处理运算，d s p 芯片一般都采用特殊的软硬件结 构。下面以目前应用最为广泛的t i 公司的t m s 3 2 0 系列为例介绍d s p 芯片的基 本结构【】。 t m s 3 2 0 系列d s p 芯片的基本结构包括：1 哈佛结构；2 流水线操作；3 专 用的硬件乘法器；4 特殊的d s p 指令；5 快速的指令周期。 这些特点使得t m s 3 2 0 系列d s p 芯片可以实现快速的d s p 运算，并使大部 分运算( 例如乘法) 能够在一个指令周期内完成。由于t m s 3 2 0 系列d s p 芯片是软 件可编程器件，因此具有通用微处理器具有的方便灵活的特点。下面分别介绍这 些特点是如何在t m s 3 2 0 系列d s p 芯片中应用并使得芯片的功能得到加强的。 1 哈佛结构 哈佛结构是不同于传统的冯诺曼( 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 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。而传统微处理器所采用的冯诺曼结构则是将指令、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。 取指令和取数据都访问同一存储器，数据吞吐率低。 在哈佛结构中，由于程序和数据存储器在两个分开的空间中，因此取指和执 行能完全重叠运行。为了进一步提高运行速度和灵活性，t m s 3 2 0 系列d s p 芯 片在基本哈佛结构的基础上作了改进，一是允许数据存放在程序存储器中，并被 算术运算指令直接使用，增强了芯片的灵活性；二是指令存储在高速缓冲器 ( c a c h e ) 中，当执行此指令时，不需要再从存储器中读取指令，节约了一个指令 周期的时间。如t m s 3 2 0 c 3 0 具有6 4 个字节的c a c h e 。 2 流水线 与哈佛结构相关，d s p 芯片广泛采用流水线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2 6 级不等。第一 代t m s 3 2 0 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2 6 条指令，每条指令处于流水线上 的不同阶段。 在三级流水线操作中，取指、译码和执行操作可以独立地处理，这可使指令 执行能完全重叠。在每个指令周期内，三个不同的指令处于激活状态，每个指令 处于不同的阶段。例如，在第n 个指令取指时，前一个指令即第n 1 个指令正 在译码，而第n 2 个指令则正在执行。一般来说，流水线对用户是透明的。 慕于t m s 3 2 0 f 2 0 6 的分功率| 六l 数电能表的研究0 设计 3 专用的硬件乘法器 在一般形式的f i r 滤波器中，乘法是d s p 的重要组成部分。对每个滤波器 抽头，必须做一次乘法和一次加法。乘法速度越快，d s p 处理器的性能就越高。 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。在t m s 3 2 0 系列中，由于具有专用的硬件乘法器，乘法可在一个指令周期内完成。从最早的 t m s 3 2 0 1o 实现f i r 的每个抽头算法可以看出，滤波器每个抽头需要一条乘法指 令m p y ： l t：装乘数到t 寄存器 d m o v ；在存储器中移动数据以实现延迟 m p y ：相乘 a p a c ：将乘法结果加到a c c 中 其他三条指令用来将乘数装入到乘法器电路( l t ) ，移动数据( d m o v ) 以及将 乘法结果( 存在乘积寄存器p 中) 加到a c c 中( a p a c ) 。因此，若采用2 5 6 抽头的 f i r 滤波器，这四条指令必须重复执行2 5 6 次，且2 5 6 次乘法必须在一个抽样间 隔内完成。在典型的通用微处理器中，每个抽头需要3 0 4 0 个指令周期，而 t m s 3 2 0 1 0 只需4 条指令。如果采用特殊的d s p 指令或采用t m s 3 2 0 c 5 4 x 等新 一代的d s p 芯片，可进一步降低f i r 抽头的计算时间。 4 特殊的d s p 指令 d s p 芯片的另一个特征是采用特殊的指令。在数字信号处理中，延迟操作 非常重要，这个延迟就是由d m o v 来实现的。t m s 3 2 0 1 0 中的另一个特殊指令 是l t d ，它在一个指令周期内完成l t 、d m o v 和a p a c 三条指令。l t d 和m p y 指令可以将f i r 滤波器抽头计算从4 条指令降为2 条指令。在第二代处理器中， 如t m s 3 2 0 c 2 5 ，增加了2 条更特殊的指令，即r p t k 和m a c d 指令，采用这2 条特殊指令，可以进一步将每个抽头的运算指令数从2 条降为l 条： r p t k2 5 5：重复执行下条指令2 5 6 次 m a c d；l t ，d m o v ，m p y 及a p a c 5 快速的指令周期 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 0 n s 以下。t m s 3 2 0 系列处理器 的指令周期己经从第一代的2 0 0 n s 降低至现在的2 0 n s 以下。快速的指令周期使 得d s p 芯片能够实时实现许多d s p 应用。 2 2 2d s p 在电力参数测量中的应用 从d s p 芯片诞生到如今2 0 多年时间里，d s p 芯片已经在信号处理、通信、 硕十学位论文 雷达等许多领域得到广泛的应用。目前，d s p 芯片的价格越来越低，性价比日 益提高，在电力系统中的应用也日益广泛【1 2 】。 2 2 2 1d s p 技术在电力参数采集和测量中的应用 计算机进入电力系统调度后，引入了e m s d m s s c a d a 的概念。e m s ( e n e r g y m a n a g e m e n ts y s t e m ) ，即电能量管理系统；d m s ( d i s t r i b u t i o nm a n a g e m e n t s y s t e m ) ，即配电管理系统；s c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ) ， 即数据采集与监视控制系统。电力系统数据采集和测量正是s c a d a 的基础部 分。传统的模拟量的采集和获得，通过变送器将一次p t 和c t 的电气量变为直 流量，再进行a d 转换送给计算机。应用了交流采样技术以后，经过二次p t 、 c t 的变换后，直接对每周波的多点采样值采用d s p 处理算法进行计算，得到电 压和电流量的有效值和相角，免去了变送器环节。这不仅使得分散布置的分布式 r t u 很快地发展起来，而且还为变电站自动化提供了功能综合优化的手段。由 于这些微机式的r t u 大多采用m c s 5 1 系列的单片微机，又一般采用时域法的 计算方法，因而数据处理能力差，可扩展空间较小、运算速度慢。电网出现谐波 或三相电路不平衡时，无功功率存在不平衡误差，其精度下降。d s p 具有程序 和数据分开的哈佛结构，流水线操作功能，单周期完成乘法的硬件以及一套适合 数字处理的指令集，由其组成的系统能够进行实时的频谱分析，提高了测量精度。 这样的数据采集的速度和精度使电压、电流、功率和频率等基本遥测量的采集计 算更为快捷，此外，还可进一步实现系统电压和电流的高次谐波的测量和分析， 非正弦情况下的有功电能和无功电能的计量等功能。 2 2 2 2d s p 在电能质量监控中的应用 随着配电网对电能质量越来越高的要求，有人提出了用户电力的概念，对用 户侧电能质量的监视和控制逐渐得到较高的重视。电能同其它产品一样，也有严 格的质量标准，这些标准主要体现在电压、频率和波形三个方面。电压质量和频 率质量一般都以偏移是否超过给定值来衡量。例如给定的允许电压偏移为额定电 压的5 ，给定的允许频率偏移为o 2 o 5 h z 等。波形质量则以畸变率是否 超过给定值来衡量。所谓畸变率是指各次主谐波有效值的平方和的方根与基波有 效值的百分比。给定的允许畸变率常因不同的电压等级而异，例如，以3 8 0 、2 2 0 v 供电时为5 ，以1o k v 供电时为4 等。一旦发现各质量指标不符合规定和要求， 可以根据不同的需要发出告警信号、引起上位机中断或直接进行相应控制等。 在电能质量监测装置中可实时监测以下参数：基波电压、谐波电压有效值及 相位，谐波电压、谐波电流总畸变率误差，频率，功率( 有功、无功、视在功率) ， 功率因数，相角，电压正序、零序、负序、不平衡度，电压波动和闪变。在数字 信号处理中，同时求得基波和高次谐波电压的最佳方法是基于傅立叶变换的f f t 基于t m s 3 2 0 f 2 0 6 的分功率| l 数i 乜能表的研究与设计 算法。例如要求测量的高次谐波的次数为2 9 次，根据奈奎斯特定理，采样率至 少要达到2 9 2 5 0 = 2 9 0 0 h z ，这样高的采样率用基于普通c p u 的数据采集系统 来处理，由于受工艺、结构、时钟和总线的限制，其指令