（电路与系统专业论文）基于DSP的多功能电能计量表[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 随着电力行业测量与管理的自动化、智能化和网络化的逐步推进，在计量 表的基础上研制精度高且带分析功能的多功能电能计量表是一个必要基础，但 目前国内外电力仪表行业中缺乏两种功能相结合的普及型仪表终端。 本文在被电力系统已经认同并广泛使用的t 1 “1 m s 3 2 0 f 2 8 0 8 ”定点d s p 平 台上，通过硬件平台的改进设计和离散积分求和、线性误差补偿、希尔伯特移 相滤波器、定点小数计算等方法高精度地实现了有功功率、无功功率、视在功 率、功率因素等传统电能表的计量功能，同时结合带插值过零周期测量方法和 快速傅立叶变换等算法实现了基波频率测量、电压和电流有效值、电能谐波分 析等电能质量状况初步测量分析功能。 初步测试表明系统达到了高效和低成本的工业要求，为在供电与用电过程 中实施网络化的监测与管理提供了必要的基础。 关键字：功率计量插值校正希尔伯特滤波器谐波分析 定点d s p 定点小数 a b s t r a c t w i 也t h ed e v e l o p m e n to na u t o m a t i o n , i n t e l l i g e n c ea n dn e t w o r ko ft h e m c a s u r o m e n ta n dm a n a g c m o n ti np o w e ri n d u s t r y ，t h en e wm u l t i - f u n c t i o np o w e r n 嵋t e rw i t hh i g ha c c u r a t es u r v e yf u n c t i o na n db a s i cp o w e rq u a l i t ya n a l y t i cf u n c t i o n b c o o m e sa n e c e s s a r yf o u n d a t i o n b u tt h ec u r r e n td o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lp o w e r s u r v e yi n s t r u m e n ti n d u s n yi sl a c ko ft h el o w - c o s tt e r m i n a lm e t e rw i n lt h o s et w o f u n c t i o nc o m b i n e d t h i sp a p e rb a s e do nt h et i ”t m s 3 2 0 f 2 8 0 8 ”f i x e d - p o i n td s p p l a t f o r mw h i c h h a sb e e n r e c o g n i z e da n dw i d e l yu s e d ，a n da c h i e v e d t h et r a d i t i o n a lm e t e r m c a s u r o m o n tf u n c t i o n so fa c t i v ep o w e r , r e a 硝v ep o w e r ，a p p a r e n tp o w e r , p o w e r f a c t o rt h r o u g ht h ed i s c r e t e i n t e g r a l ，e r r o rc o m p e n s a t i o n , f i x e d - p o i n td e c i m a l c a l c u l a t i o nm e t h o d m e a n w h i l e ，i ta l s or e a l i z e dt h ep r e l i m i n a r ya n a l y s i sf u n c t i o n s o ne l e c t r i cp o w e rq u a l i t yc o n d i t i o n sl l k et h ef u n d a m e n t a lf r e q u e n c ym e a s u r e m e n t , h a r m o n i ca n a l y m s ，v o l t a g ea n dc u r r e n td cc o m p o n e n t ，r m so f v o l t a g ea n dc u r r e n t b yt h ep e r i o d - m e a s u r e m e n tm e t h o db a s e do nt h ei n m r p o l a t i o na n dz e r od e t e c t e d , i n t c x p o l a t i n gw i n d o w e df a s tf o u r i e rt r a n s f o r ma l g o r i t h m , a n d e t e p r e l i m i n a r ye x p e r i m e n t s s h o wt h a tt h e s y s t e mh a sm e tt h e i n d u s t r i a l r e q u i r e m e n t s o fh i g h l ye f f i c i e n c ya n dl o w - c o s t , a n dp r e p a r et h en e c e s s a r y i n f z a s t m c m r ef o rt h ep r o c e s so fn e t w o r km o n i t o r i n ga n dm a n a g e m e n ti nt h e e l e c t r i c i t ys u p p l ya n dc o n s u m p t i o n k e y w o r d s ：p o w e rs u r v e y , i n t e r p o l a t i o ne m e n d a t i o n , h i l b e r tf i l t e r , h a r m o n i ca n a l y s i s ，f i x - p o i n td s p ，f i x - p o i n td e c i m a l i i 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 电力电能的计量与分析 1 1 1电力工业发展需求 电力工业已经成为国民经济发展中最重要的基础能源产业。它不仅是关系 国家经济安全的战略大问题，而且与人们的日常生活、社会稳定密切相关。 随着各种家用电器及大型用电设备的发明与使用，电网的规模也越来越 大，电网内的用电部门与设备越来越复杂，使全社会的用电的环境及条件越来 越复杂、要求越来越高。为了能更加安全合理使用，国家质量监督检验检疫总 局等制订了一系列的国家标准和行业标准对于测量、计量、制造、检定等各个 环节来加以规范以实现电力工业安全、有序、高效的运行。 上述情况使供电与用电中实施自动化、智能化、网络化的需求增加，趋势 越来越明显。 1 1 2电力仪表行业的发展需要 根据电力方面需要测量的电参数，相应有各种各样的仪器仪表：单相三 相有功电能表、单相三：相无功电能表、多费率电能表、最大需量表，脉冲电 能表和多功能电能表、功率因数测试表、谐波参数分析仪、电能质量分析仪等。 上述的电能参数仪表分成两类，一种是用于大量安装有用户端的电能计算 仪表终端，另一种是按需要来使用的监测和分析仪表。前者由于成本大量生产 的产品，故出于成本的考虑会特别多，在简化设计的同时计量精度的裕量保证 与指标提高上有限，且结构及扩展性设计上考虑不全，除此没有相应的电能状 况监测分析功能，不能及时发现供电与用电的问题。而后者定位于高端的精确 测量与监测场合，功能较为全面、操作相对复杂，且此类的高端仪表为保证精 度在设计与硬件成本上价格较高，其中端和低端仪表在功能和精度进行裁剪的 同时又没有电能计量功能，同时此类监测分析仪表一般只能单点检测，在较大 电网中进行全面监测时需要使用一个表移动地将各个有问题题逐一进行测量， 或者使用若干个仪器同时进行单点检测，这样使得其在一个大规模的电网中进 行大量安装与使用不现实，从而对于故障或问题点进行定位检测时，所花的代 价较高或者逐个监测的效率过低，这种低效的方式不适合于对于越来越庞大、 浙扛大学硕士学位论文：基于d s p 的多功能电能计量表 用电环境越来越复杂的电网进行网络化的计量、监测和管理。 由上分析易见，如果有立足于计量功能同时带有初步监测分析功能的终端 仪表出现，那么在满足相应的计量需求的同时，又能够对各点谐波等用电与供 电状况进行准实时的初步分析，进而发现问题并快速定位问题地点，为下一步 使用专用仪器进行精确的监测和分析提供极大的便利。 根据电力行业供电与用电的发展趋势，必然要求将计量与分析两大部分集 成在一起，为网络化自动化、智能化、网络化提供最为基础与广泛的终端平台。 1 1 3 新型多功能电能计量表设计与研发 对于新型多功能电能计量表的设计与研发，但如果纯粹使用高性能平台将 计量和测量功能做在一起，这样做急剧提高了硬件终端的成本，使其实用性和 意义迅速降低，为此新型多功能电能计量表设计与研发应当定位于在低成本的 低端硬件平台上完成原有计量功能的同时，再加入初步的电能状况分析功能。 这样一来，一方面新设计在原有的电力电能仪表设计的经验及基础上，结 合自动化、智能化、网络化发展趋势的要求，避免原设计中不足与缺陷，提高 计量功能的糖度同时简化系统降低成本，满足当前越来越复杂的用电环境下的 计量需求；另一方面在新设计中加入基波频率跟踪测量、电网谐波分析等功能， 从而获得电能状况初步分析功能。由于初步分析结果并不需要极其精确的测 量，这样在计量表的基础上进行合理的整合设计就能完成相应的需求。 1 2 选题的主要研究内容及国内外研究的现状 1 2 1多功能电能计量表的主要研究内容 新型多功能电能计量表是建立在电力电子技术、现代电路技术、数字信号 处理技术等基础上集计量和初步分析功能于一体的仪表，它一方面需要完成各 种基本的电参数的实时测量，另一方面在此基础上增加电能状况的初步分析功 能，最后通过相应的传输信道与服务器进行数据交换和操作交互。 1 2 1 1多功能电能计量表在整个系统中的位置 针对原有的电网供电及计量系统，在国内外的众多厂商提出的解决方案 中，发展趋势是朝着采用电能参数仪表、集中抄表器、数据服务器三级架构。 整个自动化、智能化、网络化测量及计量系统的架构按国家标准：“d l t 6 9 8 - 1 9 9 9 低压电力用户集中抄表系统技术条件”n 1 的要求，如图1 - 1 所示。 - 2 - 第l 章绪论 图卜l 新的电能参数仪表系统结构示意图【l 】 多功能电能计量表作为整个测量及计量系统中的基本终端分布安装到每 一个用电用户，其需要完成物理量的测量及计量功能、测量数据显示、计量数 据通讯传输等功能，是整个系统的基础：集中抄表器则负责管理各个多功能电 能计量表同时与数据服务器进行连接；最后数据服务器在获得用户用电状况数 据后对数据作相应的存储、计费及分析动作，必要时通过集中抄表器控制相应 的多功能电能计量表作相应的切断供电、校正参数修正、系统远程升级等动作。 1 2 1 2多功能电能计量表中的功能及内容 通过上述分析可知，多功能电能计量表需要完成物理量的测量及初步分析 功能、测量数据显示、初步分析数据通讯传输等功能。在测量上，首先需要对 各相电压瞬时值、各相电流瞬时值进行相对精确的实时采样，然后在此基础上 完成对各相电压及电流的有效值、各相电压及电流的直流分量、各相瞬时有功 功率、各相瞬时无功功率、各相功率因数等进行计算从而提供给最终数据服务 器作为用电计费及对用电用户情况跟踪的依据：同时对各相电压及电流基波频 率、各相电压及电流谐波成份及含量进行相应的测量分析，并将分析数据送达 服务器，从而为服务器监测和管理整个电网供电和用电情况提供必要基础。 新茳大学硬士学位论文- 基予d s p 的多功能电能计量表 为了降低成本同时提高其实用性，需要在资源有限的低端定点d s p 平台 上来完成上述功能。这就要求合理的设计各个任务的流程并改进与优化处理算 法，提高系统的效率，傲到速度与精度的平衡。在这其中有系列的工作需要 在设计与研究中完成。 1 2 2 国内外的电能表研究趋势及现状 1 2 2 1 电能表硬件平台方面 随着电力电子技术的发展，电表行业的公司也逐步开始采用各种更新更好 的电子器件来架构设计新的电子式电能表。 其中一大类是m c u 加专用芯片架构，其m c u 负责控制并读取专用芯片 采集并处理的数据结果。国内外像a d i 、珠海炬力等国内外的许多芯片制造商 纷纷结合自己的技术优势定制出许多高性能的电能专用计量芯片模块，如炬力 的a t t t 0 2 1 、a i l 7 0 2 2 b 、a t t 7 0 2 3 、a t t 7 0 2 6 a 、a t t 7 0 2 8 a 和a t t 7 0 3 0 a 等 三相多功能计量芯片；a d i 的a d e 7 7 5 1 、a d e 7 7 5 2 、a d e 7 7 5 3 、a d e 7 7 5 4 、 a d e 7 7 5 5 、a d e 7 7 5 8 等：上海贝岭的b l 0 9 3 2 、b l 0 9 3 2 b 、b l 0 9 3 2 x 模拟式单 相电能计量芯片，b l 0 9 5 2 、b l 0 9 6 2 和b l 6 5 1 1 数字式三相有功电能计量芯片 等；c i r r u sl o g i c 的c $ 5 4 6 0 、c s 5 4 6 0 a 、c s 5 4 6 1 a 、c $ 5 4 6 2 、c $ 5 4 6 3 、c $ 5 4 5 1 a 、 c s 5 4 6 6 等；s t 的s t p m 0 1 ；复旦微电予的f m 2 0 3 2 、f m 7 7 5 1 、f m 7 7 5 5 等等。 大量专用芯片的引入，有利于电能表的快速开发，并且有利于批量生产降 低成本。但一方面各种专用芯片的功能组合不一定能完全满足项目需求，如上 述芯片基本上不带分析功能而需要另外加其它的功能模块实现，另一方面专用 芯片的精确度等级指标不一定满足需求，像珠海炬力的a t t 系列和c i r r u s l o g i c 公司的c s 系列主要定位于0 ，5 级及o 5 s 级电能表，而像a d i 的a d e7 7 5 8 等计量芯片无功功率计量采用希尔伯特9 0 度移相的方法但只能做到8 9 度，无 功计量误差较大；此外新器件接口等电气及机械特性的不同需求对系统设计提 出了更多的要求，加上部分新器件的可靠性及寿命等也还需要迸一步验证。上 述原因使此架构对本课题高精度计量与分析功能结合的需求场合并不适用。 另一大类是使用通用芯片来架构。随着m c u ( m i e r oc o n t r o l l e ru r a t ) 、 a r m 、d s p 、c p l d 甚至f p g a 等通用硬件以及硬件新用法的引入，为系统设 计功能上、性能上获得了很大的灵活与选择余地，使得仪表架构设计发生了比 较大的变化。a t m e l 、s t 、n e c 、m i e r o c h i p 、飞思卡尔、飞利蒲、英飞凌、凌 阳、瑞萨等生产的5 1 、a v r 、m s p 4 3 0 等8 位、1 6 位m c u 占据了大量的中低 端电能表市场，而p h i l i p s2 2 1 4 和三星的$ 3 c 2 4 1 0 、$ 3 c 2 4 4 0 等等3 2 位的a r m 也被大量应用；为了对m c u 处理能力作补充，n 的c 2 0 0 0 、c 5 0 0 0 和c 6 0 0 0 第1 章绪论 系列，a d i 的a d s p - 2 l x x 、s h a r c 、髓g e rs h a r c 、b l a c k f i n 系列等d s p ， 甚至c p l d 和f p g a ，也被广泛应用到电能表设计当中。 使用通用芯片架构，在功能与精度上都能够较好的定制，有着较好的适应 性与竞争力。不过，相应的设计要点开始转向如何选择合适的满足需要的低成 本硬件架构平台、如果高效架构设计电能计量表使其达到较高的性能价格比。 1 2 2 2 系统功能与精度方面 基于功能的分类上，计量表和分析表界限比较明晰。 对于计量表，由于考虑到作为产品终端的数量巨大，其相应的功能指标在 达到一定的国家标准要求后，不再考虑提高指标性能，反而进一步简化系统结 构以消减成本，如当前市场上许多计量表只定位于o 5 s 级有功和2 0 级无功， 在单相方面有功功率计量与无功功率分开、单费率与复费率相分离，而在三相 多功能表上，像国内新联电子的d s s l 0 6 、d s s f l 0 6 、d s s d l 0 6 等三相电表， 也只是实现有功、无功计量基础上扩充了最大需量、功率因数等以及段位l c d 显示和红外、r s 通讯功能，瑞安开泰的c d l 9 4 e 多功能电力仪表也只是完成 了有功、无功、视在功率的测量，并扩充了l e d 显示及脉冲输出、r s - 4 8 5 和 m o d b u s r t u 协议通讯功能。 对于分析表方面，其朝定点分析监测仪器方向发展，并且定位于精确与实 时的分析，不断提高功能、精度指标的同时放弃了原有计量表的功能，最终使 器件及系统设计成本急剧提升。目前市场上的福禄克( f l u k e ) 的f 4 3 b 、美国 理想的8 0 0 系列、日本共立的6 3 l o 、日置h i o k i 的3 1 9 6 、法国c a 的c a 8 3 3 4 等等，其功能主要针对有效值、频率、谐波、功率、功率因数、瞬态、冲击等 的分析监测功能，虽然其作为计量表能够满足一定需要但又显得过于冗余，加 上其价格过高也不适合于用作计量。 在这两个方向之中，没有立足于计量并加入一定分析功能的电能表出现， 而这一个空档却正是下一步电网向自动化、智能化、网络化方向发展过渡的一 个必要基础。同时由于缺乏在有限资源平台上进行恰当的功能扩充和系统优化 设计的案例，故在目前本人所找到的资料也未能发现算法有朝这个方向进行优 化和改进的情况或例子。 1 3 本课题的设计目标及要点 基于上述考虑，在现有的d s p 计量表终端的硬件平台上如何使用合适算 法和实现方式，如何实现硬件和软件的协调与控制同步，如何处理有限字长效 应和c 、汇编混合编程等等，都需要深入学习与研究，从商最终在资源有限的 硬件平台上提高系统测量精度和性能、实现相应的初步分析功能。 浙江大学须士学位论文t 基于d s p 的多功能电能计量表 在本课题中，针对现有的电能参数仪表的现状与不足，将采用适当的c p u 配合独立数据采集电路的方式来实现新型多功能电能计量表的架构设计，在对 系统需求进行合理分析后，完成相应功能实现算法上的研究与尝试。 1 3 1 课题的重点及目标 1 3 1 1 分析精确性 在设计中，除了硬件设计时对精度进行保证外，在数据处理时需要充分考 虑到有限效应带来的影响以及算法引起的误差。选定的1 m s 3 2 0 f 2 8 0 8 定点 d s p 硬件平台上无法通过硬件实现浮点运算，而软件仿真浮点算法上又低效， 故改用定点小数的方式来实现。这样一来就有有限字长效应导致的运算精度闯 题产生；而在算法上选择不当，也会导致误差的产生和累积，进而影响数据分 析结果的精度。 1 3 1 2 分析实时性 由于系统实时性任务种类繁多，如果在采样、计算及分析的过程中不合理 穿插安排进而引起某些计算应用对系统资源占用开销过大，除了不能做到数据 实时外，还将引导数据间的覆盖、错乱和计算错误。所以如何设计并优化整个 系统的架构和处理流程，从而保证加快分析的速度，也是另外一个重点。 1 3 2 课题的难点 由于在现有的基于t m s 3 2 0 f 2 8 0 8 的定点d s p 平台上，d s p 的片内只有1 8 k 字的s a r a m ，6 4 k 字的f l a s h 空间，定点最高1 0 0 w h z 的速率，面临如下问题： 1 速率有限：最高1 0 0 e - l z ，3 2 位定点运算 2 资源有限：6 4 k * 1 6f l a s h ，1 8 k * 1 6 s a r a m 3 运算受限：定点平台无法硬件实现浮点运算，软件实现以提高精度代价较 高：如果直接使用浮点快速傅立叶交换等运算，其需要消耗大量系统软硬 件资源，需要在速度与精度问平衡 目前尝试在合理选择合适算法、优化数据处理流程来减少运算量及复杂 度、利用硬件特性及汇编精简高效特性三方面作探索与尝试来解决该难点。 除此，在设计中除了要尽量提高计量精度外，对于无功功率的定义和计 算方法在国际还没有统一的标准，如何选择并实现相应的计量算法，在保证 性能的前提下如何提高测试的精度需要进行认真考虑与研究设计。其可以使 用有功功率、视在功率间接求取，也可以通过得到电压或电流的希尔伯特变 第l 章绪论 换正交信号并通过离散积分来完成。这样一来，对于如何设计希尔伯特移相 滤波器就成为了课题中的一个重点和难点。 1 4 本文的主要内容及章节安排 本文“基于d s p 的多功能电能计量表”一共分成八章来阐述相应的理论 与设计要点、设计过程。各章的主要内容及章节安排如下所述： 第一章“绪论”：本章主要叙述相关的课题背景，包括课题的提出、课 题的需求分析、课题在国内外的研究现状、本课题的研究目标和重点难点。 第三章。系统设计技术理论概述”：本章首先叙述电力电能工业中对于测 量及计量的技术要求、实施标准情况，然后对于相关的算法理论基础和硬件基 础作了介绍，最后简单说明了相应的软件设计方法。 第三章“多功能电能计量表的设计”：本章首先通过总体设计明确了硬 件平台的资源环境，并对于整体架构作简要说明；然后概要设计中对于系统的 功能模块划分和各部分实现功能和流程作详细设计，尤其是各部分的同步和协 调；最后对于底层硬件驱动、基础的数据输入与输出功能模块部分作了详细设 计，从而为后继的计量与分析功能的实现准备相应的基础。 第四章“多功能电能计量表中的电能计量”：本章第一部分对有功功率 测量方法、误差来源、相应改进方法和策略作了阐述：第二部分对于视在功能 和功率因素测量用有效值完成，并对有效值的测量算法进行了讨论和仿真；最 后对无功的定义、实现算法作了概述，并通过希尔伯特移相滤波器的设计及应 用，有效的提高的无功功率的计量精度，并给出了相应的仿真验证结果。 第五章“多功能电能计量表中的分析功能”：本章主要叙述了在多功能 电能计量表中所实现的电能分析功能，主要包括使用带窗谱校正的加窗傅立叶 变换来完成谐波的分析、使用带滤波和插值的过零检测法测量周期、电压和电 流的直流偏置的测量分析、电压有效值及波动的测量分析，从而在计量功能的 基础上实现了相应的初步分析功能。 第六章。多功能电能计量表的系统优化”；本章叙述了系统设计过程中 使用的一些提高系统效率和性能的手段和策略，更好保证系统功能合理的架构 和实现，从而在有限的资源平台上完成相应的设计需求。 第七章“测试数据与分析”；本章通过对于系统进行各个层次的测试， 并通过实测数据及图形简要分析来说明系统设计的正确性、可靠性与精确性。 第八章“总结与展望”：本章通过对比需求分析明确所达到的功能与性 能指标来对系统设计过程及内容进行总结，从而概括本文的主要工作及创新 点，f 司时对于系统的不足和改进之处进行分析。 一7 - - 新扛大学硕士学位论文：基于d s p 的多功能电能计量表 第2 章系统设计基础概述 2 1 测量与计量的技术要求 在电力电能领域中有一系列的国家和行业规范标准，这些标准中有对供电 指标作要求的，有对各类计量表功能和精度作要求的，有对监测分析设计作要 求的，也有对各类表的测试检定等环节作要求的。其中对于仪器仪表和供电指 标的要求分别如表格2 - 1 和表格2 2 所示。 表格2 - t电力电能中与测量仪器仪表相关的国家标准 麓熬戮藕鬃震蘩蘸麟l 麟蒸糕麓镳蘩鬻黧鬻蘸糕麟囊蘩瓣 g b t1 5 2 8 3 1 9 9 4 o 5 、1 和2 级交流有功电度表国家推荐标准 ；b i e ：7 1 。2 3 1 6 5 - ：2 2 。0 。0 ： 1 和2 级静止式交流有功电度表国家推荐标准 ? b ：1 7 8 8 3 - 1 9 9 9 o 2 s 级和o 5 s 级静l 式交流有功电能表国家推荐标准 i e c6 0 6 8 7 ：1 9 9 2 o _ 2 s 级和o 5 s 级静。l 式交流有功电能表国家推荐标准 其中在测量计量方面的技术标准要求中，主要对测量误差等级和功能作详 细要求，主要体现在瞬时电压、瞬时电流、有功功率、无功功率的要求上。其 中对于电子式电能表，根据表格2 - 1 ，有功功率准确度等级主要有：o 2 s 级、 o 5 s 级、l 级、2 级i 无功功率准确度等级主要有：2 级、3 级。 表格2 - 2 电力电能中与供电质量相关的国家标准 在其它分析方面的技术标准要求中，主要包括了电压和电流的直流偏置分 第2 章系统设计技术理论概述 量、电压和电流的有效值、基波频率、各次谐波频率及含量、电压波动等物理 量的指标要求。 根据“g b t1 4 5 4 9 1 9 9 3 公用电网谐波允许指标”，谐波是指对周期性交 流量进行傅立时级数分解，得到频率为基波频率大于1 整数倍的分量。交流额 定频率为5 0 h z 、标称电压2 2 0 k v 及以下公用电网非暂态现象和短时间谐波情 况下，谐波电压及电流含有率计算公式为： h x u = 。 砜= 争川。 得到相应的整数次谐波幅值即可计算相应参数。 根据“g b t1 5 9 4 5 1 9 9 5 供电频率允许偏差”，频率偏差指系统频率的实 际值和标称值之差。正常运行下标称频率为5 0 h z 的电力系统，其正常频率偏 差允许值为士o 2 h z ，当系统容量较小时，偏差值可以放宽到士o 5 h z 。用于频率 偏差指标评定的测量仪表其相应的绝对误差不大于0 0 1 h z 。 根据“g b t1 2 3 2 5 2 0 0 3 供电电压允许偏差”，电压偏差是指供电电压对 标称电压的偏差。交流5 0 h z 的电力系统在正常运行条件下供电电压对标称系 统电压的偏差计算公式为： 电压偏差( ) = 型镳蔫警x 1 0 0 。, 6 葺2 - 3 ) 3 5 k v 及以上供电电压正，负偏差的绝对值之和不超过标称系统电压的1 0 ， l o k v 及以下三相供电电压允许偏差为标称系统电压的士7 ，2 2 0 v 单相供电电 压允许偏差为标称系统电压的+ 7 、- 1 0 。由此，测量的精度要达到并超过 2 2 0 x1 ；2 2 v 。 2 2 数字信号处理技术基础 2 2 1 数字信号处理概述 数字信号处理( d s p , d i 西t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 是随着信息学科和计算机学 院的高速发展而迅速发展起来的一门新兴学科，包括传统数字信号处理、现代 数字信号处理、统计与自适应数字信号处理等几个部分。其把信号使用数字或 符号表示的序列，通过计算机或通用( 专用) 信号处理设备，用滤波、变换、压 缩、增强、估计、识别等数值计算方法处理，从而达到提取有用信息便于应用 的目的1 2 1 1 3 j 。 数字信号处理技术作为新型电能参数仪表的设计中的重要手段，在测量与 计量中起着重要的作用。在具体应用上，离散傅利变换d f t 、快速傅立叶变 一9 一 浙江大学硬士学位论文；基于d s p 的多功能电能计量表 换f f t 、小波变换w t 等在分析电能信号的谐波状况、测量信号频谱、分离谐 波信号、评估电能质量上有重要作用；而有限长f 如r 无限长i i r 单位冲激响应 数字滤波器在去掉干扰、捕捉并测量信号频率、改善波形数据提高分析精度、 抑制外界突变干扰等有明显效果；除了加窗傅立叶交换w f t ( 又称短时傅立叶 变换) 、希尔伯特c h i l b e r t ) 移相滤波器等处理技术外，像k a l m a n 卡尔曼自适应 滤波器、隐式马尔可夫链新的方法或算法也在新型电能参数仪表的设计中有特 殊的作用。 2 2 2 滤波器 “滤波器”即用于“过滤”信号波形的系统，像高通、低通、带通、带阻 数字滤波器等，就是利用数字滤波器对不同频率信号的不同幅度响应特性，把 不需要的信号幅度抑制并维持所需要的信号，从而达到从众多原始信号中筛选 出所需要的信号的目的。 从功能上来分，除了上述的基本数字滤波器外，还有差分器滤波器 i f f e r e n t i a t o rf i l t e r ) 、多频带滤波器( m u l t i - b a n df i l t e r ) 、希尔伯特变换滤波器 ( h i l b e r tt r a n s f o r m e rf i l t e r ) 、半带滤波器( h a f t - b a n df i l t e r ) 、梳状组合滤波器 ( c o m b of i l t e r ) 等等；从实现方法上来看，分成有限冲击响应数字滤波器( f i r ) 和无限冲击响应数字滤波器( h r ) 两种：从设计方法上来分，有切比雪夫 ( c h e b y s h e v ) 滤波器、巴特沃斯( b u t t e r w o r t h ) 滤波器、椭圆( e l l i p t i cf i l t e r ) 滤波器、 最小多项式( l e a s tp t h - n o r m ) 滤波器等；从处理信号分，又可以分成从混合信号 中去除不需要频带信号的经典滤波器和从含噪声的信号数据中估计出信号的 某些特征或信号本身的现代滤波器f 3 】” 椭圆数字滤波器是据雅可比椭圆函数双周期函数性质设计的滤波器【4 j 。椭 圆数字滤波器与像巴特沃思滤波器、切比雪夫滤波器等相比，其利用通带或阻 带允许存在波纹来换取截止特性更好更为陡峭的滤波器【研。 半带滤波器是指其频率响应日0 ，) 满足通带宽度w 。等于阻带宽度 协一) ( 且通带纹波万，等于阻带纹波万，的滤波器。半带滤波器的冲激响应 ) 除了零点不为零外，在其余偶数点全为零，所以相应的半带滤波器只有一 半的系数，对于减少运算量，提高实时信号处理能力上有特别的效果嘲。 2 3 数字信号处理器 数字信号处理算法可以在各种m c u 、通用c p u 、c p l d 、f p g a 等硬件平 台上实现，但在数字信号处理器( d s p ) 及专用集成电路( a s z c ) _ i ：实现时效率较 第2 章累统设计技术理论概述 高。目前常用的数字信号处理器有许多类型，主要的d s p 的主要供应商有t i 、 a d i 、m o t o r o l a 、l u c e n t 和z i l o g 等，其中以n 和a d i 的份额最大。 德州仪器( t i t e x a si n s t r u m e n t ) 的d s p 包括t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列、 r m s 3 2 0 c 5 0 0 0 系列和t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列，广泛应用于电机控制、电源管理、 数据通信链路控制等低端领域，汽车音响、仪器仪表、流媒体、m p 3 等个人 多媒体与便携式上网设备和无线通信端中端领域，生物特征识别认证、数字广 播媒体、数字影像应用、移动上网设备和多媒体家电等高端领域1 4 】。 a d i ( a n a l o gd e v i c ei n e ) 的d s p 包括：1 6 位定点a d s p - 2 1 x x 系列、3 2 位 浮点s h a r c 系列、t i g e rs h a r c 系列、b l a c k f i n 系列，广泛应用于语音处理 和话音频带调制解调以及实时控制应用，家庭、汽车音响以及医用、工业和仪 器仪表产品，多格式音频、视频、语音和图像处理、多模式基带和分组处理、 控制处理、实时安全性等会聚能力起关键作用的应用嘲。 在选定的基于d s p 的计量表平台上，使用的是t m s 3 2 0 f 2 8 0 8 定点d s p ，其 定点最高1 0 0 m h z 的速率。在片内有1 8 k 。1 6b i t 的s 舢乙m ，6 4 k * 1 6b i t 的片内 f l a s h 空间，此# f s p i 、e c a p 、c a n 、i i c 等丰富的片上外围硬件。 2 4 软件工程概述 新型电能计量表的研发是硬件和软件开发的有机结合。而软件的开发又是 立足于硬件的基础上，它需要驱动并管理硬件系统各个组成部分，此外还要架 构并协调完成相应的数据采集、钡0 量及分析功能。对于一个完整的系统的开发， 在软件的设计架构上必须遵循一定的方法和原则，即软件工程学原理，这样才 能保证最后系统的稳定性、可靠性、有效性。 软件工程( s e ，s o f t w a r ee n g i n e e r i n g ) 是一门研究用工程化方法构建和维护 有效的和高质量的软件的学科。它要求系统在需求分析、设计、实现、确认以 及维护等各个环节都要遵循相应的原则，使用合理的规范来保证软件开发过程 的有序、可靠和高效，从而达到相应的目标和需求1 6 1 。 2 5 本章小结 本章首先对测量与计量方面的技术规范和要求加以明确并以此作为依据 来确立设计的目标与指标；然后对于数字信号处理、数字信号处理器等加以介 绍：最后对于系统软件设计中应当遵循的软件工程原则加以概述。 浙江大学硕士学位论文。基于d s p 的多功能电能计量表 第3 章多功能电能计量表的设计 3 1 多功能电能计量表总体设计 3 1 1 多功能电能计量表的硬件基础及结构 随着系统功能和测量要求的提高，在目前的硬件平台架构中，采用d s p 加m c u 的架构方式已经为国内外的计量表厂商所逐步接受并认可。其中d s p 系统部分主要完成相关的测量与计算，m c u 系统部分只负责显示与通讯等功 能扩展。本课题也正是在这种被广泛采用的硬件系统上来完成系统的设计。 在该选定的硬件平台上，d s p 硬件采用了n 公司的t m s 3 2 0 f 2 8 0 8 ，用于 完成相应的测量与计算，并通过s p i 总线与后级m c u 交互；m c u 主要负责 从d s p 读取数据并显示并用于二次扩展其它功能。其板级外围硬件结构示意 图如图3 - i 所示。 图3 - i 系统硬件结构示意图 上述的外围硬件中，电压互感器( p t ，p o t e n t i a lt r a n s f o r m e r ) 、电流互感器( c t ， c u r r e n tt r a n s f o r m e r ) 按国家标准“d l 厅5 1 3 7 - 2 0 0 1 电测量及电能计量装置设计 技术规程m l o 】中的规格指标来选择，其配合了阻容网络等完成取样及信号调理， 能最小程度地引入附加的相位误差。a d 选用了美国a d 公司( a n a l o gd e v i c e i n c ) 的六通道1 6 位高速a d 转换器a d 7 3 3 6 0 儿】以交流耦合差分输入方式对信 号进行采样，通过外加高速时钟的控制下满足同时对三路电压和三路电流的采 集要求。此外，该硬件平台在a 相、b 相和c 相上同时设计了供电模块，从 而保证任何一相或两相失压时，系统仍能正常的工作。 在原有硬件基础上，通过d s p 的g p i o 直接扩展设计了相应的功率脉冲 输出接口。此外当前电力系统中的供电方式很多，有单相供电、三相三线供电、 三相四线等。根据电子电工学常识，在设计上兼容几种方式，单相或三相四线 中都有零线作为基准参考，而三相三线时只需要将b 相线作为参考1 1 2 1 ，相应 第3 章多功能电能计量表韵设计 的接线示意图如图3 - 2 所示。 栩电t 时_ 电t c 翔电鼍i 翱毫正入 b 格电压 图3 - 2 测量三相三线与三相四线供电方式下的接线示意图 从图上看，对于系统内部来说，不需要做改变，只需要注意外部接法即可。 对于三相三线与三相四线需要兼容两种方式下的系统供电，硬件设计时通过跳 线来进行选择。 3 1 2 多功能电能计量表软件系统的总体架构 立足于上述硬件平台，结合前述的可行性分析与需求分析的基础，多功能 电能计量表d s p 软件系统需要完成；电压及电流信号瞬时值的采样、各路电 压基波频率的跟踪测量、电压和电流的直流分析计算、电压和电流的有效值测 量、有功功率与无功功率的计算、谐波分析等任务。 对于d s p 软件系统，从总体角度进行设计，在结构与层次上按照模块功 能交错划分成各个部分，其功能架构示意图如图3 - 3 所示。 基于d s p 的多功能电能计量袭 s p i 总线驱动 a d 7 3 3 6 0 硬件 通讯 丁 | 测 逼l 量 讯i 教 监l 据 视l 网 响i 步 应l 更 模l 新 城i 模 i 块 校 袭 可 变 参 数 更 新 m c u 的s p i 硬件| ie e p r o m 图3 - 3 系统软件功能架构示意图 其它模块 攥 l 射 一 一 一 一 一 曼硬锗始化 rl基于fpt的谐波分析 忸l 周勰跟踪铡量 博tl有功无功枧在功率测量r-_1直漉分量和有效值测量 浙江大擘藏士学位论文；基于d s p 的多功能电能计量表 3 2 多功能电能计量表概要设计 在上面的总体设计中明确了系统的功能和架构，但由于核心的 t m s 3 2 0 f 2 8 0 8 的内部硬件资源和处理能力上有限，故除了对于软件系统中各 处理流程进行简化，对于各个单元的处理算法设计也需要进行必要的选择与改 进，同时在编码上还要进行嵌入汇编等不断的优化与尝试。 3 2 1 各功能安排的概要设计 为了保证数据处理的及时性，设计的六路数据采样频率为4 k ，在相应间 隔时间内必须完成数据采集和实时性要求高的计算，同时在允许的处理时间间 隔内完成谐波状况的分析及其它工作。对此，结合具体情况，在整体上将所有 系统功能划分为实时性要求任务和非实时性要求任务，并采用“a d 用s p i 中 断”、“通讯用s p i 中断”、“内部定时器中断”、“主程序”四条主线来完成系统 的任务。 3 2 1 1 搿a d 用s p i 中断”主线 在“a d 用s p i 中断”主线中，a d 硬件在编程模接收数据时s p i 设置为 1 6 位数据被动模式( s l a v em o d e ) ”l 。同时为了及时式配置完后一直以数据模式 主动连续转换并发送采集数据而d s p 以从模式接收采集数据，为了减少中断 的次数提高采样的效率。结合s p i 硬件的特性并借鉴d m a 的操作方式，s p i 采用缓冲区方式，在三路电压和三路电流数据都到达时才一次处理数据，响应 中断保证数据接收完整性，在该主线中只安排数据的接收与解算并补偿硬件相 位偏差，同时利用a d 主模式下由高精度分频时钟保证的中断频率作为校表功 率脉冲和秒脉冲的输出源。在该主线内将完成的任务流如图3 4 所示。 周、 从s p i从数 输出 缓冲据流 一| | l 预处f 校表 区读 中解 理并卜_ _ 脉冲 7 国7 取a d 箅电 及秒 转换 压和 倒 脉冲 数据 电流 图3 4a d 用s p i 总线数据采集中断任务流示意图 3 2 1 2 。通讯用s p i 中断”主线 “通讯用s p i 中断”内只负责与m c u 系统部分进行通讯任务，包括对于 m c u 系统要求的d s p 计算结果数据的读取和m c u 对d s p 内部计算参数的更 新写入两种任务。 第3 章多功能电能计量袭的设计 3 2 1 3“定时器中断”主线 “定时器中断”的加入是为了完成对于实对性要求高的计算任务同时避免 对“a d 用s p i 中断”处理任务过长而丢失采集数据的压力，必要时可控制其 频率来改变数据实时处理的周期，其所需要完成的任务流如图3 5 所示。 瓣h 瓣m 副馕科磊 ：周期( 频率) 跟踪测量 l il j l j i l - j l 一 有功功 率计算 视在功率 及功率因 素计算 图3 _ 5 定时器中断任务流示意图 3 2 1 4 “主程序”主线 如果把相应的任务都集中在中断当中时，“主程序”必然空转而不能结束， 这个时候就有相应的c p u 资源在空耗而没有被利用，为此根据对相应任务计 算量的评估和优化考虑，将谐波计算分析作为非实时性任务入到主程序中，充 分利用相应的中断处理间隙完成计算。由于谐波分析在一个相对长的时间内完 成，在单次完成运算时，不允许更新数据运算缓冲区，故此时在谐波分析计算 过程的前后分别需要设置和清除“分析中”标志信息给采集中断。加上程序一 开始的一些工作，主程序部分将要完成的任务流如图3 咱所示。 图3 - 6 主程序任务流示意图 3 2 2 各功能任务的同步实现机制 四条主线中除“通讯用s p i 中断”独立，其它的三个主线的设计核心有两 点，第一是保证在限定的时间内完成相应的计算任务，第二是完成三条主线的 同步。基于s p i 总线的a d 7 3 3 6 0 在数据模式以4 k s 的采样频率采集数据并将 数据发送采集数据，其任务量相对较轻能够及时响应a d 的原始通讯数据流， 且由于其时钟由外部j d 3 8 钍无磁信号分频而来，同步精度上有足够保证；定 时器主线时问同步精度由d s p 硬件来保证，其开启时刻由“a d 用s p i 中断” 浙江大学硕士学位论文；基于d s p 的多功能电能计量表 控制同步，设计