智能配電網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

摘  要：本文介紹了一種以ADC與DSP處理器相結(jié)合為基礎(chǔ)的高可靠性配電網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，而且可靠性高、測(cè)量速度快。
關(guān)鍵詞：電能質(zhì)量；FFT；頻譜泄漏；柵欄效應(yīng)；諧波

引言
    電能質(zhì)量是衡量電網(wǎng)質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)，電能質(zhì)量問題包含電壓凹陷（sag）、電壓隆起（swell）、尖峰脈沖（spikes）、諧波畸變（harmonic aberration）和電氣噪聲(electric yawp)等，其中對(duì)電能質(zhì)量影響最大的就是諧波畸變。因此，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就是以對(duì)諧波畸變分析為主要目的。這方面的研究比較多，而且也開發(fā)出了相應(yīng)的設(shè)備。以往的配電網(wǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備多以51、96系列單片機(jī)為處理器，在精度和速度方面都不能滿足電力系統(tǒng)的要求，還有就是用TI公司的DSP作為處理器，并配合ADC來完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

    ADI公司先后上市了ADE7753、ADE7758等電力測(cè)量專用芯片，并成功地將它們應(yīng)用到電網(wǎng)當(dāng)中。最近，ADI公司又推出了高性能的強(qiáng)強(qiáng)組合，即DSP＋ADC的電力測(cè)量方案。此監(jiān)控系統(tǒng)就是采用這一組合實(shí)現(xiàn)的。

圖1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖

圖2 軟件框圖

ADC簡(jiǎn)介
    AD73360是ADI公司推出的一款專門應(yīng)用于電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)的IC，與一般ADC相比，AD73360有如下優(yōu)勢(shì)：6路獨(dú)立的A/D轉(zhuǎn)換通道，不僅互不干擾，而且嚴(yán)格保證采樣同步；高精度，6個(gè)16位轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換通道非常適合電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)的需要。采樣速率可在8KHz、16KHz、32KHz范圍內(nèi)編程設(shè)置，適應(yīng)范圍廣。AD73360為適應(yīng)不同的場(chǎng)合提供了直流/交流、單端/差動(dòng)4種不同的輸入方式；采用串行接口，與DSP芯片的連接非常簡(jiǎn)單。

    無論從精度、速度、采樣路數(shù)或者同步采樣的實(shí)現(xiàn)來考慮，在電力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中使用AD73360都是比較理想的選擇。
　　
DSP簡(jiǎn)介
    系統(tǒng)采用的DSP處理芯片ADSP2191M是ADI公司的16位定點(diǎn)DSP。ADSP2191M處理器具有的資源概括如下：可訪問的存儲(chǔ)空間大小為16M words，分為256頁(yè)，每頁(yè)的大小為64K words，其中第0頁(yè)是內(nèi)部RAM，第255頁(yè)是內(nèi)部ROM，其它空間被分為4個(gè)部分，并由ms0~ms3進(jìn)行選擇。有256頁(yè)I/O存儲(chǔ)區(qū)間，每頁(yè)的大小為1K words，其中前8頁(yè)為內(nèi)部I/O存儲(chǔ)區(qū)間，其它為外部I/O存儲(chǔ)區(qū)間。處理器有一個(gè)主機(jī)接口、3個(gè)同步串行接口、兩個(gè)SPI接口、16個(gè)可編程標(biāo)志引腳、1個(gè)異步串行接口和3個(gè)32位定時(shí)器。

    與AD73360連接必須采用串行總線方式，ADSP2191M就有3個(gè)這樣的同步串口。
　　
硬件電路設(shè)計(jì)
    整個(gè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)以ADSP2191M和AD73360為核心，再配以周邊電路完成。硬件設(shè)計(jì)的框圖如圖1所示。

    由圖1可以看出，系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)單，而且沒有最麻煩的同步保持電路和系統(tǒng)存儲(chǔ)空間的擴(kuò)展。這是因?yàn)锳D73360能夠?qū)崿F(xiàn)多通道的同步轉(zhuǎn)換，免除了同步保持電路的設(shè)計(jì)、ADSP2191M內(nèi)部具有64K RAM，能夠滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。在系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中，傳感器用來將配電網(wǎng)參數(shù)的電能信號(hào)轉(zhuǎn)化為ADC的輸入信號(hào)，然后送到AD73360進(jìn)行同步采樣，轉(zhuǎn)換后的采樣數(shù)據(jù)通過同步串口傳入DSP處理器，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、諧波分析和其它操作。最后，處理器將分析結(jié)果送到LCD進(jìn)行顯示，并通過串口送到PC進(jìn)行相應(yīng)的處理。Flash用來存放系統(tǒng)代碼。

    整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，F(xiàn)lash和LCD為基本的系統(tǒng)擴(kuò)展，異步串口為基本的開發(fā)，這里只介紹一下DSP處理器與ADC的連接。它們必須通過串行接口，其中ADSP2191M為6線串行方式，而AD73360為5線的串行方式，它們的區(qū)別在于前者的串行時(shí)鐘分為串口發(fā)送時(shí)鐘和串口接收時(shí)鐘，是彼此獨(dú)立的，而后者合二為一。比較時(shí)序圖會(huì)發(fā)現(xiàn)，二者時(shí)序基本相同，但要控制AD73360，處理器還必須能夠滿足下面的要求：串口工作方式可設(shè)置為外部時(shí)鐘模式，串口字長(zhǎng)可達(dá)到16bit，發(fā)送和接收的每個(gè)字都有同步幀信號(hào)，對(duì)處理器而言，接收同步幀信號(hào)為輸入信號(hào)，發(fā)送同步幀信號(hào)為輸入信號(hào)，幀同步信號(hào)產(chǎn)生在串口字高位出現(xiàn)的前一個(gè)時(shí)鐘周期，幀同步信號(hào)為高有效。

    作為AD73360的同類處理器，ADSP2191M可以通過設(shè)置輕易地達(dá)到上述要求。

圖3 硬件系統(tǒng)分析與理論分析對(duì)比

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，分為A/D采樣控制、LCD控制、串口傳輸、數(shù)據(jù)處理和諧波分析算法等幾個(gè)部分。整個(gè)軟件框圖如圖2所示。

    其中，諧波分析算法代碼量最大，也最重要，系統(tǒng)對(duì)配電網(wǎng)電能質(zhì)量的分析就由它來完成；Flash驅(qū)動(dòng)代碼用于對(duì)Stm29w040進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，它不在系統(tǒng)監(jiān)測(cè)中使用，而是用來實(shí)現(xiàn)程序代碼的下載。在系統(tǒng)開發(fā)代碼的語(yǔ)言選擇上，采用DSP匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言相結(jié)合的方式，以C語(yǔ)言為主，匯編語(yǔ)言為輔。

    219x_int_tab.asm文件的處理：在介紹整個(gè)系統(tǒng)流程之前，先介紹一下219x_int_tab.asm文件。當(dāng)軟件主函數(shù)存在于C文件的時(shí)候，219x_int_tab.asm 文件被系統(tǒng)默認(rèn)為項(xiàng)目的一部分，并對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行中斷向量初始化。當(dāng)中斷發(fā)生后，程序指針跳轉(zhuǎn)到該文件的相應(yīng)位置，通過___lib_int_determiner函數(shù)來尋找中斷服務(wù)程序的入口，一旦找不到服務(wù)程序入口，就會(huì)造成程序死鎖，無法正常運(yùn)行，而采用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)中斷函數(shù)比較復(fù)雜。為了提高系統(tǒng)開發(fā)速度，減少系統(tǒng)程序代碼，系統(tǒng)開發(fā)時(shí)要先對(duì)219x_int_tab.asm中的中斷向量表進(jìn)行修改，將中斷服務(wù)程序入口直接給中斷向量表就可以完成該函數(shù)的功能。系統(tǒng)軟件的開發(fā)工具為ViusalDSP＋＋3.0。

    在軟件設(shè)計(jì)中，最重要的是諧波分析算法的設(shè)計(jì)。因?yàn)樗擒浖O(shè)計(jì)的核心，不僅代碼量比較大，而且也是系統(tǒng)測(cè)量精度的決定性因素之一。本方案采用成熟的FFT（快速傅立葉算法）作為系統(tǒng)的諧波分析算法，同時(shí)，為了抑制FFT算法自身的柵欄效應(yīng)和頻譜泄露問題，加入了漢寧窗和插值算法。由于代碼量較大，這里就不給出源代碼了。

    在系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中，用到了兩個(gè)中斷：同步串口發(fā)送中斷和同步串口接收中斷。前者用來實(shí)現(xiàn)對(duì)AD73360的配置，后者用來實(shí)現(xiàn)從AD73360讀取轉(zhuǎn)換后的采樣數(shù)據(jù)。它們的代碼也不在此詳述了。

    除此之外，系統(tǒng)還開發(fā)了異步串口、可編程標(biāo)志引腳和LCD控制等待，使整個(gè)系統(tǒng)更加智能化、人性化。這里就不一一介紹了。

系統(tǒng)分析與軟件分析的比較
    系統(tǒng)開發(fā)完畢后，為了對(duì)系統(tǒng)分析的結(jié)果進(jìn)行檢測(cè)，使用與軟件分析進(jìn)行比較的方法。將時(shí)域原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入Matlab軟件，通過該軟件內(nèi)的FFT算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以得到一組相應(yīng)的時(shí)域波形、幅值譜和相位譜圖形。將這些圖形與系統(tǒng)硬件分析在DSP系統(tǒng)中所得到的對(duì)應(yīng)圖型進(jìn)行比較，就可以看出本設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)分析與理論分析的差異。圖3就是這些圖形的對(duì)比情況。

    DSP硬件系統(tǒng)與Matlab軟件所分析的原始數(shù)據(jù)是相同的，但是它們所采用的分析方法是不同的：一個(gè)是系統(tǒng)開發(fā)的算法、一個(gè)是軟件自帶的工具，所以，可以通過對(duì)比來審核開發(fā)系統(tǒng)算法的可靠性?？梢钥闯觯趯?duì)比圖中，開發(fā)系統(tǒng)得到的時(shí)域信號(hào)的波形和幅值、相位譜與Matlab軟件的分析結(jié)果具有相當(dāng)?shù)囊恢滦?。限于篇幅，最終的分析數(shù)據(jù)不再詳述了。

    為了比較系統(tǒng)的可信度，可采用多次分析的方法，分析比較數(shù)據(jù)可以看出，雖然采用不同的分析系統(tǒng)，但是二者結(jié)果誤差很小，基本相同，這就說明系統(tǒng)的硬件監(jiān)測(cè)結(jié)果有相當(dāng)?shù)目煽啃浴?/P>

結(jié)語(yǔ)
以AD73360和ADSP2191M處理器為系統(tǒng)硬件核心，系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：
•系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，不僅容易實(shí)現(xiàn)而且成本較低。
•系統(tǒng)沒有外部擴(kuò)展SRAM，對(duì)硬件要求比較低。
•使用DSP處理器未用接口資源，系統(tǒng)軟件方便升級(jí)。
•系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用匯編和C語(yǔ)言相結(jié)合的方法和加窗插值FFT算法，可以提高代碼的開發(fā)速度和系統(tǒng)整體的測(cè)量精度。由比較結(jié)果來看，該方案符合電力系統(tǒng)的要求，可靠性高，而且至少可以滿足每周期160點(diǎn)的實(shí)時(shí)采樣