（检测技术与自动化装置专业论文）基于dsp的分布式rtu系统设计.pdf

摘要 摘要 本文通过分析国内外r t u 装置的发展现状，针对当前实验室原有r t u 装置的不足 之处和工程上遇到的实际问题，研制了一种基于d s p 技术分布式砌u 监测装置。 论文首先介绍r t u 设备的研究现状。简要分析了采用单片微机做主控制器所带来 的问题，并提出了以高性能工业控制芯片8 9 c 5 2 为主c p u ，以数字信号处理器芯片 t m s 3 2 0 f 2 0 6 为从c p u ，集测量、通信等功能于一体的监测装置设计方案。 本文设计了基于d s p 技术的高速、高精度数据获取及处理系统，利用多通道同时 采样a d 转换器实现数据的同步采集，主、从c p u 通过双口r a m 进行数据交换。并 且针对电力系统中数据采集和处理的实际特点，应用d s p 处理器实现对各类数据的运 算和处理，并给出了相应的算法实现。 本装置可以对电网数据进行准确的测量和记录，并可实时存储电压、电流的波形。 关键词数字信号处理；远程终端：分布式；遥测；遥信；遥控 a b s t r a c t a b s t r a c t b ya n a l y z i n gt h es i t u a t i o n so ft h er t ue q u i p m e n t sh o m ea n da b r o a d ，a i m i n g a tt h e s h o r t c o m i n go f t h er t ua n dt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n s an e wd i s t r i b u t e dr t ud e v i c eb a s e d o nd s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) t e c h n o l o g yw a sd e v e l o p e d t h ep r e s e n ts t a t eo fr t uw a si n t r o d u c e df i r s ti nt h i sp a p e r t h ea u t h o rb r i e f l ya n a l y z e d s o m ep r o b l e m sc a u s e db yu s i n gs i n g l ec h i pm i c r o p r o c e s s o ra sf r o n tp o r c hc o n t r o l ，a n d d r o p o s e dt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r es t r u c t u r ew h i c hu s e di n d u s t r i a l l e v e l m i c r o c o n t r o l l e r 8 0 c 5 2a sm a s t e rc p u ，t m $ 3 2 0 f 2 0 6a ss l a v ec p u ，a n dc a r lp e r f o r mm e a s u r e m e n t ，c o m r o l a n dc o m m u n i c a t i o n a h i g h - s p e e da n dh i g h p m c i s i o nd i s t r i b u t e dd a t aa c q u i s i t i o na n t ip r o c e s s i n gs y s t e mw a s d e s i g n e db a s e do nd s p ，t h es y n c h r o n o u sd a t as a m p l i n g o ft h es u p e r v i s i n gs y s t e mw a s r e a l i z e db ym u l t i c h a n n e lc o l l e c t i o nr e t a i n i n ga n da dt r a n s f o r m a t i o nc i r c u i t d a t ab e t w e e n t h em a s t e ra n ds l a v eb o a r d sc a l lb et r a n s f e r r e db yd u a l p o r tr a m a c c o r d i n gt ot h es p e c i a l c h a r a c t e r so fs u b s t a t i o n s ，t h ea l g o r i t h mi m p l e m e n t a t i o no fd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o rw a s p r e s e n t e d t h ee q u i p m e n tc a np r o v i d ec o m p r e h e n s i v ea n da c c u r a t er e c o r d i n gd a t af o rq u a l i t ys t u d y o f e l e c t r i ce n e r g y b e s i d e s ，i tc a l lr e m e m b e r r e a lt i m ec u r v ea n df r e q u e n c ys p e c t r u m k e yw o r d s ：d s p ；r e m o t et e r m i n a lu n i t ；d i s t r i b u t e d ；t e l e m e t e r i n g ；t e l e s i g n a l ； t e l e c o n t r o l 河北大学 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得河北大学或其他教 育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 作者签名：立4 堑f _ 一 日期：立出厶月二目 学位论文使用授权声明 本人完全了解河北大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存 论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在 年月：日解密后适用本授权声明。 2 、不保密妙。 ( 请在以上相应方格内打“”) 、 作者签名：皇! l 堕 导师签名： 冀麓仁 日期：忽盘年厶月止日 日期：2 堕年l 月蛙日 第l 章前言 第1 章前言 1 1 研究的背景及现状 电网调度自动化系统是确保电网安全、优质、经济地发供电，提高电网运行管理水 平的重要手段，是电力生产自动化和管理现代化的重要基础。随着计算机技术、控制技 术、通信技术和电力电子技术的不断发展，电力系统自动化程度也日益提高。变电站在 电能的生产、传输、应用过程中占有非常重要地位。而变电站自动化系统在变电站的改 造和新建站中得到普遍应用。变电站自动化的近期目标是把变电站的保护、测量、监控、 远动等融为一体，取得数据共享，资源共享，大幅度提高自动化的功效。变电站自动化 系统能够大大地提高整个电网运行的安全性和经济效益已经形成共识。并且目前变电站 自动化系统的研究和开发已经形成热潮。一般而言，一个好的综合自动化系统至少应具 备以下特点：安装简便、易于维护，可靠性高、适于安全稳定运行，配置灵活、 能够升级扩展。对于早在9 0 年代中期便实现了的综合自动化及无人值班的变电站而言， 一般是采用传统集中式rtu 。实验室己开发出集中式r t u ，它的组成可以用框图来表 刁r 。 集中式r t u 图l 一1 河北大学工学硕士学位论文 如图1 1 ：传统集中式rtu 的输入可分为模拟量输入、数字量输入、脉冲量输入；输 出主要是数字量输出。即通常说的遥测、遥信、遥脉、遥控。全部的数据采集、接收、 运算、判断、控制等功能完全集中在两个cpu 上。典型系统结构见图1 。由图1 可知， 传统集中式rtu 除了要完成模拟量输入( yc ) 、数字量输入( yx ) 、脉冲量输入( ym ) 、 运算、遥控( yk ) ，还要完成向调度端发送数据、接受调度端的命令等任务。 1 2 课题来源及研究目的和意义 随着电子技术的不断发展，电子产品价格的不断下降，结合开放的网络技术和网络 协议而出现的一种新型综合自动化系统一单元分布式综合自动化系统，单元分布式综合 自动化系统的整体设计思路与传统的集中式rtu 是完全不同的，它大量采用cpu 技 术，将全站的保护、测量、控制功能依其对应的一次、二次设备按照单元分布下去，将 以往全站由rtu 集中处理、完成的工作，分给了分布在各个单元上的十几个乃至几十 个模块来处理。这样的话，各个模块各司其职，而中央处理器只须定时按地址向各分布 单元提问，以获得需要的数据参数。本课题在导师的指导下，在原有基础上改造设计分 布式r t u ，分布式系统采用模块化结构，所有的控制、保护、测量、报警等信号均在就地 单元内处理成数据信号后经总线传输至主控室的监控计算机，各就地单元相互独立，互 不影响，分布式处理模式保证系统不会因局部故障而导致整体瘫痪，其可靠性高，抗干 扰能力强，利于现场施工、安装调试和故障定位，节省了大量二次电缆和控制室的面积， 与传统的集中式相比，更适合新建交电站，分布式设计更能加速我国变电站自动化系统 的发展。 1 3 课题研究内容 电力调度自动化系统的基本组成部分是s c a d a 系统( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m 数据采集和监控系统) 。s c a d a 系统的基础是远动系统。远动即是 应用远程通信技术，对远方的运行设备进行监视和控制，以实现远程测量，远程信号， 远程控制和远程调节( 四遥) 等功能。远动系统的一侧称为调度端、监控端或者主站。另 一侧称为厂站端、被监控端、或者从站。远程终端装置r t u ( r e m o t et e r m i n a lu n i t ) 是 采用微处理器可独立运行的智能测控模块，是构成s c a d a 系统的核心装置，用于完成各 种远端现场数据的采集与处理、现场执行机构的控制以及与远程控制中心的通信，具有 易扩展性和易维护性特点。r t u 通常要具有优良的通讯能力和大的存储容量，适用于更 第1 章前言 恶劣的温度和湿度环境，提供更多的计算功能。正是由于r t u 完善的功能，使得r t u 产 品在s c a d a 系统中得到了大量的应用。“”“ s c a d a 系统框图： 鱼星 纛辩薤秘酵考 llil i l 童 嶝裂瓣糕 图1 2 分布式电力调度自动化的基本框图为 河北大学工学硕士学位论文 当地监控设备l 前置机 i i 远端调度 i i 唧li 掣i l r * t u l 霉l 5 总线 图1 3 ( 对于电力系统) r t u 与主站配合可以实现四遥功能，即：遥测、遥信、遥控和遥调。 1 遥测( t e l e m e t e r i n g ) ，即远程测量，它是将采集到的被监控变电站的主要参数及 时编码成遥测信息，按通信规约传送给调度端。遥测量是指变电站的变压器、母线、馈 电线路的电流、电压、有功功率、无功功率、功率因数及变压器油温等模拟量的采集与 处理。 2 遥信( t e l e s i g n a l ) ，即远程信号，它是将采集到的被监控变电站设备状态信号， 按规约传送给调度中心。这些设备状态可能是断路器、隔离开关的位置状态，继电保护 与自动装置的动作状态，漏电保护装置的运行状态，模拟操作中模拟开关器件位置等。 这些位置状态，动作状态和运行状态都只取两种状态值。例如：开关位置只取“合”或 “分”；设备状态只取“运行”或“停止”。因此，可用一位二进制数，即码字中的一个 码元就可以传递一个遥信对象的状态。 3 遥控( t e l e c o n t r 0 1 ) ，即远程命令。它是从调度中心发出改变运行设备状况的命 令。这种命令包括操作变电站各级电压回路的断路器、投切补偿电容器和电抗器等，因 此，这种命令只取两种状态命令，如断路器的“合”或“分”命令。所以遥控要求有很 高的可靠性。在遥控过程中，通常采用“返送校核”的方法，实现遥控命令的传送。在 遥控过程中，调度室发往变电站r t u 的命令有三种，即遥控选择命令、遥控执行命令和 遥控撤消命令。遥控选择命令包括两个部分：一是选择的对象，用对象码指定对哪一个 对象进行操作：另一个是遥控操作的性质用操作性质码指示是合闸还是分闸：遥控执 j 第1 章前言 行命令指示r t u 按接收到的选择命令，执行指定的开关操作。遥控撤消命令指示r t u 撤 消已下达的选择命令。r t u 端返校内容：校核遥控选择命令的正确性，即检查性质码 是否正确，检查遥控对象号是否属于本站；检查r t u 遥控输出对象继电器和性质继电 器是否能正确动作。 4 遥调( t e l e a d j u s t i n g ) 是调度端直接对被控站某些设备的工作状态和参数的调整 1 4 当前r t u 装置存在的问题及解决方法 1 4 1 存在问题及技术难点 近些年，我国也开发了一些电力测控装置和电能质量监测装置，但在功能上、实用 化方面均未达到理想效果。还存在些问题： i 处理功能相对较差，可扩展存储空间比较小，运算速度较慢，难以运用精确严格 的算法进行大量的实时数据处理，不能完全满足电力监测高实时性的要求。 2 电力系统中最常用微处理器包括5 1 系列和9 6 系列等控制型器件，但随着电力系 统对实时胜、数据量和计算要求的不断提高，这些器件在计算能力方面已不能很好地适 应电力系统的要求。致使电力系统的高精度测量、实时监控和先进算法的运用受到了限 制。 3 有的产品虽然直接引进了国外的技术模块，功能较强，可是价格较高，且不完全 适合我国市场。 在过去的几十年里，单片机的广泛使用实现了简单的智能控制功能。但是随着计算 机科学与技术、信号处理理论与方法的迅速发展，需要处理的数据量越来越大，对电测 仪表的实时性和精度的要求也越来越高。而电能质量监测装置不同于一般的电力基本参 数测量仪器，要进行电能质量指标的计算、分析和监视，并且要运用复杂的数学算法。 如果采用比较先进的单片机i n t e l8 0 c 1 9 6 k c 进行基本的3 2 点f f t 运算，在1 2 m 主频下 采用快速算法仍然需要o 2 5 秒左右，如采用更加先进复杂的算法则需要的时间更长。 显然，传统的单片机技术己不能满足电力系统实时监控的需要。 河北大学工学硕士学位论文 1 4 2d s p 技术出现和发展 近年来，集成电路技术和制造工艺的突飞猛进，大大推动了数字信号处理方法和 应用的研究。高速数字信号处理( d s p ) 技术的发展及其制造成本的降低，使数字信号处 理技术在电力系统的各个研究领域得到广泛的应用，人们已经广泛的把d s p 技术应用于 某些电力产品的开发研制中。 数字信号处理器与普通微处理器相比有以下特点： 1 采用哈佛总线结构，程序处理器与数据处理器分开，有各自的总线结构，减小了 总线对系统的压力，并可在执行指令时采用流水线操作，读取指令、译码等操作均可并 行进行。 2 具有高速阵列乘法器等专用硬件，增强的多级流水线，使d s p 器件具有高速的数 据运算处理能力。 3 具有高速的片内程序存储器和数据存储器。对于一些简单操作，可以在片内完成， 避免与外部的低速存储器打交道。 4 具有高速i o 口。包括并行口，串行口及d m a 控制器。片内t o 口可以提高数据 交换的速率，减少系统复杂性。 5 具有满足信号处理要求的一些特殊指令集，提高了f f t 快速傅里叶变换和滤波器 的运算速度。 6 d s p 器件提供) - t a g 标准测试接口，不但能控制和观察处理器的运行，测试芯片， 还能利用该接口装入程序。开发手段更先进，批量生产测试更方便，开发工具可实现全 空间仿真，不占用用户资源。 1 5 课题研究的任务 采用分布式控制技术可以使整个电力监控系统的性能得到优化和提高，而实现分布 式控制系统的基础是实现前沿测量及控制机构的单元化和多功能化。本文在研究电力系 统电能参数指标及测量方法的基础上，研制一种新型的r t u 装置。 主要工作包括： 1 回顾电力系统电能质量发展的概况，指出现有r t u 问题研究的现状及其监测装置 存在的问题： 第1 章前言 2 讨论测量电能质量的指标和电能质量监测的方法； 3 设计基于d s p 技术的分布式r t u 装置的软硬件系统 4 监测装置的实验结果及误差分析； 5 结论与展望。 河北大学工学硕士学位论文 第2 章d s p 原理 2 1 数字信号处理概述 d s p 包含两个概念，一是指数字信号处理( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) ，是数字信号处 理的理论、分析方法和算法；另一是指数字信号处理器件( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) ，是 数字信号处理的实现。两者是不可分割的，前者是后者理论上的技术，要通过后者变成 实际产品，两者结合才能解决某一实际问题。 数字信号处理是把数字或者符号表示的序列，通过计算机或专用处理设备，用数字 形式对其进行采集、滤波、变换、增强、压缩、估计、识别等处理，以达到符合人们需 要的信号形式。 针对我们的应用，数字信号处理的基本问题主要有：采样信号还原的条件，离散傅里 叶变换的内容以及周期信号采样应该注意的问题“”1 8 。 2 2 数字信号处理器的基本结构和特征 2 2 1d s p 芯片的选择 设计d s p 应用系统其中一个重要环节是d s p 芯片的选型，根据所设计系统功能及 性能要求，需要考虑以下因素： 1 运算速度：运算速度是d s p 芯片首先需要考虑的一个性能指标。指令周期：就是 执行一条指令所需的时间，通常以n s 为单位。m a c ：即一次乘法并累加的时间，或者 指每秒完成乘加数。f f t 执行时间：即运行一个n 点f f t 程序所需的时间。在于f f t 运算涉及的运算在数字信号处理中很有代表性，因此f f t 运算时间常作为衡量d s p 芯 片运算能力的一个指标。m i p s ：即每秒执行百万条指令。m o p s ：即每秒执行百万次操 作。m f l o p s ：每秒执行百万次浮点操作。 2 运算精度：根据应用系统的精度要求，我们可以选择定点芯片和浮点芯片。浮点 芯片硬件实现浮点运算，一般字节长度为3 1 位，实现i e e ep 7 5 4 单精度3 2 位。 第2 苹d s p 原理 3 芯片功耗：对于某些应用场合，如电池供电的设备、便携设备等都有对功耗的要 求。目前随着芯片时钟频率的上升功耗急剧增加，采用降低工作电压可以缓解这一问题， 3 3 v 、2 5 v 已经有系列产品。部分d s p 芯片内部设计有( p o w e rd o w n ) 节电控制模块， 在系统等待时进入休眠状态“”。 其他因素。除了上述性能指标，选择d s p 芯片还需要考虑芯片封装、价格、货源 等多种因素，以达到够用、先进、成本低等要求 2 2 2t m s c 3 2 0 f 2 0 6 芯片简介 d s p 选用美国t i 公司的t m s c 3 2 0 f 2 0 6 芯片。这是一种高性能的数字信号处理器， 采用了改进的哈佛结构。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程序总线和数据总线分开，实现了取指和存取操作数的并行 工作，使其能进行高速处理和运算，从而使其处理能力大大提高，定点运算能力最高达 每秒2 0 兆条指令。 t m s 3 2 0 f 2 0 6 具有3 2 k 字的f l a s hm e m o r y ，由两块独立的1 6 k 1 6 b i t 的f l a s h 构成。 并且能独立地对它们进行读取、擦除和编程，有利于代码和数据的更新和升级，编程灵 活方便。两块f l a s h 工作模式的切换由片上两个i 0 映射寄存器控制。由于t m s 3 2 0 f 2 0 6 的中断矢量从0 0 0 0 h 单元开始，所以第一块f l a s h 用于存放固化程序，第二块存放重要 参数。在进行仿真调试时，通过片上另一个i o 映射寄存器控制，可以屏蔽这两块f l a s h ， 用r a m 存储器代替。t m s 3 2 0 f 2 0 6 还有0 5 k 字的d a r a m 和4 5 k 字的s r a m 。d a r a m 在一个周期内可被访问两次，主要用于存取数据，但如果需要，也可以用于存取程序。 s a r a m 可以通过软件设置为程序或数据存取空间，调试时将调试程序定位到s a r a m 上，便于实现程序加载、设置软件断点等仿真调试功能。调试完毕后，将程序通过仿真 器重定位到f l a s h 上。 t m s 3 2 0 f 2 0 6 的j t a g 接口，用于仿真和测试。j t a g 扫描逻辑可以提供对接口器件 的边界扫描，并且可以提供管脚到管脚的连续检查和t m s 3 2 0 f 2 0 6 的外围器件的操作检 查。它可以与处理器内部扫描逻辑电路接口，从而访问所有的片内资源。因此， t m s 3 2 0 f 2 0 6 通过j t a g 序列扫描和仿真管脚就可以完成板上仿真。 河北大学工学硕士学位论文 t m s 3 2 0 f 2 0 6 有一个标准异步串口( u a r t ) ，这是它区别于其它t m s 3 2 0 系列芯片的 特征之一。u a r t 以双缓冲方式发送和接收，由可屏蔽的外部中断信号分别控制，具有 自动波特率检测功能，这为实现人机交互提供了便利“1 。 2 3 数据处理算法设计 数字信号处理是把数字或符号表示的序列，通过计算机或专用处理设备，用数字的 方式去处理这些序列，以达到要求的符号形式。其中数字滤波技术和频谱分析是数字信 号处理的两个重要分支。 2 3 1 交流采样算法提出 电力系统自动化有三个基本的功能要求，即对电网运行状态进行监视、控制和保护。 对电网的运行状态监视功能是指对电网上的状态量( 如开关状态、保护动作情况等) 和电 力参数( 如电压、电流、功率和电度等) 的运行状况进行监视。 对电网的控制功能是指在需要的时候，远方控制开关的合闸或拉闸以及有载调压设 备升压或降压，以达到所期望的目的( 如满足电压质量的要求、无功补偿和负荷平衡等) 。 对电网的保护功能是指检测和判断故障区段，并隔离故障区域，恢复正常区域的供电。 在这三者之中，对电网的运行状态监视是电力自动化系统中最基本的要求，也是其 他两方面的基础。例如：电流、电压、有功功率、无功功率等，反映电网的运行质量， 是电网中最重要的监视对象。其中电压和电流电网络最基本的参量，它们都是变化的交 流信号。在过去的7 0 、8 0 年代，检测这些参量的方法是先用模拟变送器将交流电压和 电流尽可能线性地转换成直流电压或电流再进行采样。后来，随着半导体业的迅速发展， 往往采用直接用计算机去采样交流信号，交流采样是按一定的规律对被测物理量的瞬时 值直接进行采样，用一定的算法计算出被测电压、电流的有效值。交流采样法实际上就 是用微机取代传统的变送器，充分发挥微机功能强、灵活可靠、使用方便等优点，以克 服因使用传统变送器而导致的一系列不良反应。交流采样的采样速率高，采样值中所含 信息量大，实时性好，成为目前主要使用的采样方式。目前，国内外已经提出许多交流 采样的算法，由于采用的原理不同，在硬件及软件的配置上也不一样，以致系统的精度 和造价也不一样。 对5 0 h z 的正弦交流电压、电流来说，理论上只要每个周波采样两点( 最高点与最低 1 f i 第2 章d s p 原理 点) 就可以表示其波形的特点了。但是由于干扰及谐波的影响，两点采样法往往误差很 大。所以为了保证电流、电压检测的准确度，采取在每个周波均匀采样多点的方法，例 如取每个周波采样1 2 点、1 6 点、2 0 点或者3 2 点等，并利用合适的算法使误差减小到 满意的程度。 在本开发模块中，取每周波采样3 2 次。 电流采样值记为：屯i 2 ，i ”3 2 i ； 电压采样值记为：“1 ，“2 ，坞3 2 ； 交流采样的应用范围非常广泛，根据应用场合不同，其算法也有很多种，按照其模 型函数，大致可分为正弦模型算法，非正弦周期模型算法。其中正弦模型算法主要有最 大值算法、单点算法、半周期积分法、两点采样等，非正弦模型算法有均方根法、傅立 叶变换法等，各种算法都有其优缺点，在电力系统中的应用也不相同。 通常情况下，电力系统波形并不是纯正弦波形，而是叠加了高次谐波等成分，同时， 当系统发生故障时，又会叠加一些衰减的非周期成分“”“，在这里我们只讨论均方根法 和傅立叶变换法，并得出合适的算法理论基础进行数据处理。 2 3 2 通常使用的两种交流采样算法 均方根法 均方根法是根据连续周期交流信号的有效值及平均功率的定义，将连续信号离散 化，用数值积分代替连续积分，从而导出有效值或平均值与采样值之间的关系式的方法。 ( 1 ) 电压、电流的计算”3 根据电工原理，连续周期的交流电压、 u = 历 i = 眄 电流有效值的计算公式刚： ( 2 一1 ) ( 2 2 ) 式中：u ( t ) 、i ( t ) 交流电压、电流的瞬时值t 交流电压、电流的周期利用微处理器 进行交流采样时，首先对交流电压、电流进行等间隔采样，即将一个周期n 等分，则采 样周期( 间隔) t = t n 。采用梯形公式计算数值积分，例如从电压的有效值定义可以得 到： l l 河北大学工学硕士学位论文 u = 据卜2 出 z 后扣加蚍址 = 再扣n 争专 = 、i 万1 缶- y - - u “：。”。面t ) i1 n 5 、专著矿。) 所以有电压有效值的近似计算公式为： f1 n 阽j 亩善矿。) 同肌后塾n ， 式中：记“( 寺) = “( 行) n 为一个周期等间隔采样点数。 “( n ) 和f ( h ) 分别为电压、电流第1 1 点的采样值。 ( 2 ) 功率的计算“3 平均功率的计算公式为： 尸= 亍| j a 。0 + t p ( f ) 出= r ij f 。o + t “( f ) f ( f ) 出 可得离散表达式为： 肚专善删( h ) ( 2 - 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 以上是电压、电流及功率的基本定义，下面我们看一下有功功率和无功功率的计算。 在三相线路中，三相负载一个周期t 内消耗的平均功率( 即有功功率) 可用下式表示 ( 高压变电站为三相三线供电，功率采用两功率表法计算) 。 p = 三tf 7 c k o ) ，。) 出t 彳1j 。o + t u 曲。) 。( f ) 西 ( 2 7 ) 根据交流采样原理有： 户= 专砉“m ( 疗) f 。( ”) + 专善甜。( 竹) t ( 珂) ( 2 8 ) 另外，我们采用电力系统无功测量应用最广泛的9 0 。跨相方法计算三相线路的无功 功率q ： q 0 1 8 6 6f r , o7 o ) l ( o d t 一0 8 7 6 6 加f 0 ”f 。b ( t ) l ( t ) d t ( 2 9 ) 同样，将其离散化 q - 0 8 6 6 兰以砂- o 8 喜以帆( 即) 2q c q a ( 2 l o ) 傅立叶变换法 傅立叶变换法是将离散的采样值经过离散傅立叶变换( d f t ) 转换到频域，求出基波 和谐波分量，再求有效值及功率的方法。 ( 1 ) 电压、电流的计算 对于电力系统来讲，输入量为周期函数的电压“p ) 、电流，o ) ，可以分解为含有直 流分量砜、厶及各谐波的傅立叶级数： z f ( r ) 2 u 。+ c o s ( j o l t ) + s i n ( j o t ) ( 2 - 1 1 ) 以) 2 l o + 0c o s u 嘲+ 如u 耐) ( 2 1 2 ) 式中：j 为j 次谐波( j = l 、2 、3 - - - ) ：u j r ，u ，j 分别为j 次谐波的余弦分 量、正弦分量的电压、电流幅值。 根据傅立叶级数，从任一时刻，。积分一周期t ，利用正交函数的特性，可得： u j , 2 ；r 砸) c 。s _ ，砌 k = 吾卜s i n 础( 2 - 1 3 ) 假_ 茛母个周期米样n 次，珂瓦z 一1 3 ) ( z 一1 4 j 用秭彤数值积分纭采代替，口j 求得： u , ，一万2 刍w ”百2 a j b 专塾s i n 一等 c z 州， r 专粪和s 行导 b 专扣血”等 c z 娟， 其中，“。，i 。是采样的离散量，也就是电压、电流的瞬时值。 这样可求出第j 次谐波电压、电流的幅值、相角、有效值： 幅值： u ，= 属可可( 2 - 1 7 ) i 矿踊( 2 - - 1 8 ) 确 旷嘴篑( 2 - - 1 9 ) 旷一f g 芋( 2 - - 2 0 ，= 压= 痧 = 压= 痧 ( 2 2 1 ) 由于非正弦周期函数的有效值等于信号中恒定分量的平方与它的各次谐波的有效 值平方之和的平方根，与各次谐波的初相角无关。因此电压、电流的有效值分别为： u l ，j、，l 直效有 第2 章d s p 原理 u= i= ( 2 - - 2 2 ) ( 2 - - 2 3 ) ( 2 ) 功率的计算 假设已经求出a 相电路的电压、电流值： 乩、，。、u 。、j m 、u 扩，。对于 交流电路有：( 这里以基波信号为例进行讨论) ru = u ，+ j u ， i i = 1 4 ，+ 弘m l 而a 相的视在功率为： s 。= 吼l = ( u 月，+ u ，。) + j ( u “，- ，“，一u ，l ，) ( 2 2 4 ) = 只+ j q 其中：a = i a ，- j l 所以有：f 只= u 。，。+ v 。，。 色= u 4 ，一u ，j 1 妒。= c t g - 鲁 同理可求出名、尼、如、q c 。 所以三相电路的功率计算公式为： ( 2 2 5 ) ，三三兰艺麓i 兰麓：麓：r ：羔羔! ：z ：甚麓乏 l 妒留等 。瑙， 一u 一r = ! ， 五舢万 捱屠 河北大学工学硕士学位论文 p = u 蛆，- j 船+ u 襁i m + u c b ，i _ + u c b i c 。 1 一 i q = u 埘j _ ，一u 册j ，+ 己，j ，一u j o ( 2 2 7 ) 2 4 两种交流方法的比较 由以上可知均方根法和傅里叶变换法可以看出： 均方根法精度高、速度快，实时性强，算法简单。有效值和平均功率通过测量值可 以直接计算出来，其中包含了基波和各次谐波的综合参数，真实的反应了被测信号的实 际情况，但是它无法将基波和其它谐波分离开来，在不需要测量基波和各次谐波参数值 的情况下，可以选用此算法。 傅立叶变换法不需增加硬件滤波装置，就具有很强的滤波能力，并且可以分别计算 出不同谐波的各种参数值，适合于进行电力线路的继电保护、谐波分析。但是当波形畸 变严重时，采用傅立叶变换法会产生较大误差。并且，由于需要对各次谐波分别计算， 运算量大，响应速度慢，虽然可以采用f f t 算法提高运算速度，所需时间仍高于均方根 法，比较适于电量计算时的数据采集，或者是其他实时性差但精度高的场合。 综合考虑编程的简便性和实时性要求，本文采用基于均方根法的多点采样算法获得 电压、电流有效值，有功、无功等其他电网参数，通过快速的傅立叶变换( f f t ) 或者其 他的数字信号处理算法来对电网数据进行频谱分析、故障检测等。 2 5 交流采样误差分析 在交流采样技术中，直接对电压、电流进行离散采样，然后利用采样保持及a d d 转换技术将离散值转换为数字值，这种方法不仅适用于正弦电量的测量，还可以测量波 形畸变的电量。但是，使用交流采样技术，无论利用何种测量方法，必然存在一定的测 量误差，下面我们给出几中主要误差及其改进方法： 1 、由a d 转换引起的误差 在a d 转换器将一模拟信号转化为数字量时，转化过程中的量化误差是每一次都存 在的，a j d 转换器位数越高，转换数据越精确，计算量和成本也会越大，实际应用中需 结合精度指标和成本进行选择。 2 、高次谐波引起的误差 如果采样次数n 过小，测量精度就很差，高次谐波对测量精度的影响很大。n 增大， 测量精度提高，但计算量增大。电力系统的主要的高次谐波一般在1 0 次以下，采样次 第2 章d s p 原理 数n 取3 2 就能满足一般精度要求。 3 、小c t 和小p t 相位差引起的误差。 这些误差的减小方法主要靠工艺和选材，要求c t 、p t 线性好，非线性补偿性好， 以减小误差。 河北大学工学硕士学位论文 第3 章系统的硬件设计 本章从硬件方面介绍了直接主从结构的双处理器模式系统在分布式r t u 系统终端 装置设计中的应用，按照处理器划分，可以分为主处理器模块设计和d s p 模块设计两 大部分。 3 1 硬件总体结构 根据分布r t u 系统终端的功能，电路由以下模块组成： 处理器系统( 装置核心模块) 模拟量采集模块 通信模块 开关量输入控制模块 开关量输出控制模块 人机界面，包括l e d 显示控制模块与键盘控制模块 实时时钟 硬件结构示意图： 图3 1 硬件结构示意图 目前r t u 向综合性的微机化自动装置发展，不仅具有传统r t u 数据采集、传送 第3 章系统的硬件设计 命令的功能，还能够进行故障检测以及当地自动监控功能，在向智能终端、信息平台化 方向发展。其中实时谐波分析、谐波检测、以及扩展的故障检测功能，计算量都很大， 普通c p u 很难胜任，表现为实时性差，这是由于c p u 结构造成算法复杂。上述结构是 r t u 的通用结构，为了弥补普通c p u 的性能缺憾，有必要对核心处理器部分进行改进。 采用d s p 芯片作为协处理器的双处理器结构，d s p 通过双口r a m 实时与主c p u 进行数据交换。 3 2 主处理器模块设计 根据直接主从模式的双处理器结构，主处理器负责除模拟量采集以外，同通用r t u 结构相同的模块，主要设计内容是：c p u 存储空间设计、人机界面设计、遥信和遥控设 计、各类通信设计以及主处理器外围其他电路设计。 3 2 1 主c p u 选择 主处理器选用的是a t m e l 公司的单片机8 9 c 5 2 它与m c s 5 1 产品系列的指令兼 容，不仅具有极其丰富的控制指令和i o 逻辑操作功能，定时计数器，中断系统，片内 还有8 k 字节可重复编程快闪只读存贮器，存贮器可循环写入擦除1 0 0 0 次，存贮器数据 保持时间长达1 0 年，工作电压范围2 7 v “v ，工作频率0 , - 一2 4 m h z 。无需程序存贮器的 扩展。程序存贮器由三级保护，内部r a m 有1 2 8 8 位，3 2 条可编程输入输出线，两 个1 6 位定时器计数器。一个全双工串行通讯口，可置低功耗和掉电保护状态，数字接 口为t t l ，为系统的设计提供了方便条件，而且它的开发环境成熟，开发比较简单。 3 2 2 人机界面模块 人机界面主要有输入设备键盘和输出设备l e d 显示。通过定时扫描按键获得按键 信息，处理相应的功能，根据外部键盘解释，组织显示信息，控制l e d 显示模块输出 所需信息。 3 2 2 1 智能芯片h d 7 2 7 9 a 的功能及相应的接口电路 h d 7 2 7 9 a 具有串行接口，芯片内部具有译码器，可直接接受b c d 码或二进制码 河北太学工学硕士学位论文 并同时具有两种译码方式，无需外围元件可直接驱动8 位l e d 显示，具有键盘接口， 可连接多达6 4 键的键盘矩阵，各位独立控制译码方式以及消隐、闪烁、左移、右移、 段寻址等属性，多种控制指令，内含去抖动电路。h d 7 2 7 9 a 还具有片选信号，可方便 地实现多于8 位的l e d 显示或多于6 4 键的键盘接口。由d i p 和s o i c 两种封装形式供 选择使用。h d 7 2 7 9 a 采用串行方式与微处理器通讯。串行数据从d a t a 引脚送入芯片， 并由c l k 同步，当片选信号变为低电平后，d a t a 引脚上的数据在c l k 引脚的上升沿 被写入h d 7 2 7 9 a 的缓冲寄存器”1 。 h d 7 2 7 9 a 需要以外界的r c 振荡电路以供系统工作，其典型值分别为 r = i 5 k , q ，c = 1 5 p f 。 因为芯片直接驱动l e d 数码管显示，电流较大，且为动态扫描方式，故如果该部分 电路电源连线较细较长，可能会引入较大的电源噪声干扰，将h d 7 2 7 9 a 的正负电源端 上并入去耦电容可以提高电路的抗干扰能力。 8 9 c 5 2 与h d 7 2 7 9 a 的接口以及键盘、显示电路如图3 2 所示。 d i g od i c 打 图3 28 9 c 5 2 与h d 7 2 7 9 a 的接口以及键盘、显示电路 第3 章系统的硬件设计 3 2 3 复位电路设计 由于电路所工作的环境比较恶劣，由于环境的影响程序可能会跑飞，为了系统能 够稳定的运行，复位电路是系统中不可缺少的部分， 系统用的是m 蝴m 公司的复位电路专用芯片m a x 7 0 6 ，电路中使用m a x 7 0 6 使 电路的器件减少，可减少干扰，提高电路的可靠性。同时m a x 7 0 6 器件本身是一种性 能优良的低功耗c m o s 电路芯片。具有如下四种功能：1 上电、掉电以及降压情况下的 复位输出。2 独立的“看门狗”输出。如果在1 6 s 内“看门狗”输入端未被触发，“看 门狗”输出端将被变为低电平。3 一个1 2 5 v 门限检测器，用于电源故障报警，低电压 检测或+ 5 v 以外的电源的监控。4 低电平有效的人工复位输入。 用m a x 7 0 6 作为系统的“看门狗”电路既简单又可使系统可靠工作。由m a x 7 0 6 构成系统的“看门狗”电路如图3 3 所示。从电路可知，只要在1 6 s 时间内w d i 检测 到高低电平跳变信号，则“看门狗”计时器清零并重新开始计时；若1 6 s 后，w d i 端 仍无高低电平变化信号，则w d o 端输出低电平，进而触发m r 手动复位输入端，m a x 7 0 6 复位，进而使8 9 c 5 2 复位，从而使系统重新运行工作 3 2 4 实时时钟模块 图3 3 单片机复位电路 根据电力部门的规约规定要对r t u 模块的遥信和遥控等其他动作进行实时的时间 记录，还必须实时记录系统安全运行的时间。所以实时时钟模块是必不可少的。这里我 们使用专用时钟芯片来完成时钟功能。 时钟芯片d s l 3 0 2 及时钟电路 河北大学工学硕士学位论文 d s l 3 0 2 是美国d a l l a s 公司推出的一种高性能、低功耗、带r a m 的实时时钟 芯片，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，且具有闰年补偿功能，工作 电压宽达2 5 5 5 v 。采用三线接口与c p u 进行同步通信，并可采用突发方式一次传送 多个字节的时钟信号或r a m 数据。内部有一个3 1 8 的r a m 寄存器，有主电源后备 电源双电源引脚，同时提供了对后备电源进行涓细电流充电的能力“3 。 d s l 3 0 2 为系统提供时间信息，它同单片机的连接方式为： d s l 3 0 2 于8 9 c 5 2 的连接仅需三条线，即s c l k ( 7 ) 、v o ( 6 ) 、r s t ( 5 ) 。其电路如图 3 _ 4 所示。 b t l 3 2 5 内部总线通信模块 图3 4 实时时钟电路 以往的r t u 设备往往是采用集中式管理。也就是说把所有要检测的量都连接到一起 来进行检测，这样给变电站将来的扩容带来不便。分布式r t u 是把检测的量分开来检测， 然后通过底层的总线进行数据的交换。这里用4 8 5 现场总线来完成底层通信。 为了实现r s 一4 8 5 串行通信，本系统采用i i t a x i m 公司m a x 4 8 5 芯片。该芯片采用单电 源+ f i r 供电，额定电流3 0 01 - ta ，半双工通信方式，完成将t t l 电平转换成r s 一4 8 5 电平。 该芯片具有8 条引脚，内部含2 个驱动器和接收器，r o ，d 1 分别为接收器的输出端和驱 动器的输入端，r e 和d e 分别为接收和发送使能端，当r e = 0 时，m a x 4 8 5 处于接收状态； 当d e = i 时，m a x 4 8 5 处于发送状态。a 端和b 端分别为接收和发送的差分信号端，当v a 大于v b 时，表示发送数据为“1 ”，当v a 小于v b 时，表示发送数据为0 ，工作时， a 、b 之间应加匹配电阻，一般可选1 0 0 1 2 0q 。 单片机与m a x 4 8 5 接口电路原理图如图3 一j 所示，m a x 4 8 5 的a 、b 为总线接口，d t 第3 章系统的硬件设计 是发送端，r o 是接收端，r e 、d e 为