電力諧波治理裝置數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)設計

1 引言

　　在信息科學中，數(shù)據(jù)采集技術(shù)已經(jīng)成為其重要的一個研究問題，它已經(jīng)與計算機技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)、傳感器技術(shù)、信號處理技術(shù)共同構(gòu)成了現(xiàn)代檢測技術(shù)的基礎，隨著科學技術(shù)的發(fā)展和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的廣泛應用，人們對數(shù)據(jù)采集的主要技術(shù)指標，如采樣速率、分辨率、精度、輸入電壓范圍、控制方式以及抗干擾能力等方面，都提出了越來越高的要求，尤其是采樣速率，更是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計者和使用者最關(guān)心的一項重要指標。在電力系統(tǒng)自動化領(lǐng)域，實時數(shù)據(jù)采集是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，它直接影響整個自動化裝置的性能。因此，提高采集速度和精度一直是電力系統(tǒng)軟件開發(fā)人員要解決的難題。

　　2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　本文介紹的phcteeq-1型電力諧波綜合治理實驗裝置的實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

　　圖1 采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

　　裝置采用電力諧波有源濾波和無源濾波的先進理論和技術(shù)，以igbt-ipm智能模塊、dsp、工控機等核心部件為硬件基礎，進行電力諧波綜合治理技術(shù)實驗，實時性好，實驗效果明顯。裝置采用公共基礎臺+功能掛件的設計方式，結(jié)構(gòu)緊湊，集成度高，擴展性好，能夠完成單相/三相電力諧波的產(chǎn)生、在線檢測、分析、有源濾波和無源濾波等多項實驗。

　　2.1 數(shù)據(jù)采集卡

　　在該裝置中,模擬信號的采集主要通過數(shù)據(jù)采集卡，在這個裝置中采用的pci8360a數(shù)據(jù)采集卡：它具有32個模擬量輸入通道：ad0-ad31;輸入信號范圍：0～10v，-5v～+5v，0～20ma (0～10v為出廠默認設置)。輸入精度為12位。單通道最大采樣頻率：500khz,多通道最大采樣頻率為200khz。啟動轉(zhuǎn)換方式為軟件啟動/外觸發(fā)(定時)啟動。這里將模擬量輸入單雙端選擇跳線jp2設置為單端輸入，模擬量輸入范圍選擇跳線jp1，jp3設置為雙極性。

　　在這個實驗裝置中需要采集的模擬信號有十四路：三相負載電流信號，三相補償電流信號，三相電源電流信號，pwm波信號，變壓器原邊電流信號，三相電壓信號。采用dhpt、dhct高精度微型傳感器來完成數(shù)據(jù)采集的功能，采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)處理后傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集卡與dsp中。傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集卡的信號，一方面，實時動態(tài)顯示原始信號，另一方面，經(jīng)fft分析和基于單個人工神經(jīng)元的自適應電力諧波檢測方法分析后顯示各次諧波權(quán)值。

　　2.2 dsp部分

　　dsp采用tms320f2812，tms320x28xx信號處理器集成了事件管理器(281x處理器)，epwm, ecap, a/d轉(zhuǎn)換模塊，spi外設接口，sci通信接口，ecan總線通信模塊，看門狗，通用目的數(shù)字量io，pll時鐘模塊，多通道緩沖串口，外部中斷接口，存儲器及其接口，內(nèi)部集成電路(i2c)等多種外設單元，使用戶能夠以很便宜的價格開發(fā)高性能數(shù)字控制系統(tǒng)。傳輸給dsp的各種信號經(jīng)fft算法分析，將各次諧波權(quán)值發(fā)送給工控機。dsp與上位機采用232串口通信。數(shù)據(jù)幀的格式如下：

　　a相：aaaa 1次諧波權(quán)值 3次諧波權(quán)值 5次諧波權(quán)值 … 25次諧波權(quán)值 aaaa

　　b相：bbbb 1次諧波權(quán)值 3次諧波權(quán)值 5次諧波權(quán)值 … 25次諧波權(quán)值 bbbb

　　c相：cccc 1次諧波權(quán)值 3次諧波權(quán)值 5次諧波權(quán)值 … 25次諧波權(quán)值 cccc

　　當用戶選中了查看經(jīng)dsp分析的某相信號時(單選)，上位軟件發(fā)送相應需求信號給dsp，例如：上位機發(fā)送aaaa，dsp接收到該信號后，首先發(fā)送兩個字節(jié)的幀頭aaaa響應上位機，上位機判斷回傳的數(shù)據(jù)是否為aaaa，是，則接收并顯示，否，則不予理采。每次諧波權(quán)值采用32位表示，按照ieee 754 標準：

　　(1) 第1位為符號位，1 代表負，0代表正;

　　(2) 接下來用8位來表示指數(shù)部分;

　　(3) 接下來的23位用來表示有效數(shù)位。

　　幀尾為aaaa，表示一幀數(shù)據(jù)發(fā)送完畢。

　　2.3 plc部分

　　plc采用s7-200，主要完成掛件識別功能。將各變量狀態(tài)通過opc技術(shù)與上位機軟件通信。上位機軟件組態(tài)顯示電路狀態(tài)，可以直觀查看電路當前狀態(tài)。

　　3 上位機軟件

　　3.1 軟件開發(fā)方式

　　軟件采用delphi 7.0完全面向?qū)ο蟮目梢暬脚_開發(fā)，它是borland公司最優(yōu)秀的windows開發(fā)工具之一,它的可視化開發(fā)環(huán)境和面向?qū)ο蟮目焖賾贸绦蜷_發(fā)(rad)工具,使程序開發(fā)人員能在windows平臺上快速開發(fā)出32位的windows應用程序。它采用面向?qū)ο蟮某绦蛟O計語言object pascal。下面對上位機軟件中的關(guān)鍵技術(shù)加以說明。

　　在pci8360a的使用中有三種可行的軟件開發(fā)方式：

　　(1) 使用廠家提供的開發(fā)軟件。廠家提供的軟件只能作為測試采集卡是否正常的工具。

　　(2) 自己動手編制程序完成底層的數(shù)集和指令的輸出。此方法工作量大。

　　(3) 利用開發(fā)商所提供的windows標準動聯(lián)接庫文件。使用動態(tài)鏈接庫有如下優(yōu)點：

　　l應用程序編譯鏈接后的可執(zhí)行文件較小;

　　l應用程序所需用到的內(nèi)存較小;

　　l對應用程某一模塊的修改，更換不會影響到其它模塊。本系統(tǒng)的開發(fā)此種方式。動態(tài)鏈接庫主要有兩種調(diào)用方法：靜態(tài)調(diào)用和動態(tài)調(diào)用。

　　動態(tài)鏈接庫的靜態(tài)調(diào)用是最簡單的調(diào)用方法。它主要使用external指令來聲明外部的函數(shù)或過程。為了方便使用和維護動態(tài)鏈接庫，可以將工程中所用到的所有不同動態(tài)鏈接庫中的函數(shù)統(tǒng)一定義在一個單元中，并且還可以在該單元中定義調(diào)用庫中函數(shù)或過程時所使用的常量或數(shù)據(jù)類型。

　　動態(tài)鏈接庫的動態(tài)調(diào)用主要是使用windows api函數(shù)進行相應的操作，比靜態(tài)調(diào)用復雜的多。因此，這里采用動態(tài)鏈接庫的靜態(tài)調(diào)用的方向。

　　3.2 連續(xù)ad采集的編程思路

　　(1)首先在程序初始化時調(diào)用 zt8360a_opendevice函數(shù)，用于打開設備，只調(diào)一次即可。

　　(2) 調(diào)用 zt8360a_disablead 函數(shù)，禁止ad;調(diào)用zt8360a_clearhfifo函數(shù)，清硬件緩沖區(qū)(hfifo);調(diào)用 zt8360a_clearsfifo 函數(shù)，清軟件緩沖區(qū)(sfifo);調(diào)用zt8360a_aiinit 函數(shù)，做一些ad初始化工作;調(diào)用 zt8360a_openirq函數(shù)，打開hfifo半滿中斷。

　　(3)在一個循環(huán)中不斷調(diào)用zt8360a_getsfifodata count判斷sfifo中數(shù)據(jù)的個數(shù)，申請一個數(shù)組，并把這個數(shù)組中傳入 zt8360a_ aisfifo 用于接收數(shù)據(jù),把讀出的數(shù)據(jù)保存到文件或直接顯示。注意：sfifo的默認大小為 819200，用戶要不斷讀數(shù)，使sfifo有空間放入新的來自hfifo的數(shù)，如果sfifo中的有效數(shù)據(jù)的個數(shù)接近819200，會使整個ad過程停止。如果想重新采集，必須重復2—3步。

　　(4) 調(diào)用 zt8360a_closeirq函數(shù)，停止采集過程。

　　(5) 在程序退出前調(diào)用 zt8360a_closedevice函數(shù)。[!--empirenews.page--]3.3 pci8360a數(shù)據(jù)采集卡數(shù)據(jù)采集部分代碼

　　if(zt8360a_opendevice(m_cardno) <> 0) then

　　//初始化數(shù)據(jù)采集卡，返回0表示打開設備成功，m_cardno為1

　　begin

　　showmessage(`打開設備失敗`);

　　exit;

　　end

　　else

　　begin

　　i:=zt8360a_getcardstatus(1); //采集卡狀態(tài)

　　if i<>0 then

　　begin

　　i:=zt8360a_getlasterr(); //得到當前錯誤號，為0表示無錯誤

　　showmessage(`錯誤號為：`+inttostr(i));

　　end;

　　getmem(data,sizeof(tsomearray)*8092); //讀數(shù)據(jù)

　　zt8360a_disablead(m_cardno); //禁止ad

　　i:=zt8360a_getcardstatus(1);

　　if i<>0 then

　　showmessage(`禁止ad失敗，錯誤號為：`+inttostr(i));

　　zt8360a_clearhfifo(m_cardno); //清硬件緩沖區(qū)

　　i:=zt8360a_getcardstatus(1);

　　if i<>0 then

　　i:=zt8360a_getlasterr();

　　showmessage(`清硬件緩沖區(qū)失敗，錯誤號為：`+inttostr(i));

　　//showmessage(`hfifo`);

　　zt8360a_clearsfifo(m_cardno); //清驅(qū)動緩沖區(qū)

　　i:=zt8360a_getcardstatus(1);

　　if i<>0 then

　　i:=zt8360a_getlasterr();

　　showmessage(`清驅(qū)動緩沖區(qū)失敗，錯誤號為：`+inttostr(i));

　　zt8360a_aiinit(m_cardno, 0, 1, 0, 0, 1, 625 ,1, 0, 0);

　　//設置ad方式控制寄存器

　　i:=zt8360a_getcardstatus(1);

　　if i<>0 then

　　// i:=zt8360a_getlasterr();

　　i:=zt8360a_getlasterr();

　　showmessage(`intit`+inttostr(i));

　　zt8360a_openirq( m_cardno, 0, 0, 0, 0); //打開8360a中斷

　　i:=zt8360a_getcardstatus(1);

　　if i<>0 then

　　i:=zt8360a_getlasterr();

　　showmessage(`打開中斷失敗，錯誤號為：`+inttostr(i));

　　end;

　　end;

　　3.4 基于單個人工神經(jīng)元的自適應電力諧波檢測方法

　　基于單個人工神經(jīng)元的自適應電力諧波檢測原理如圖2所示，該方法能夠?qū)ζ娲?、偶次、特定次、總諧波以及相位進行實時準確的動態(tài)檢測。假設實際系統(tǒng)中需要檢測的最高次諧波是n次。

　　(1) 檢測總諧波電流：只取sinωt和cosωt作為參考輸入。人工神經(jīng)元學習完成之后，系統(tǒng)的輸出z(t)即為總諧波電流。

　　(2) 檢測奇次諧波電流：取sinωt、cosωt以及sin(2k+1)ωt、cos(2k+1)

　　(3) ≤2k+1≤n，k為正整數(shù)) 等作為參考輸入。人工神經(jīng)元學習完成之后

　　i2k+1(t) = w(2k+1)s·sin(2k+1)ωt + w(2k+1)c·cos(2k+1)ωt (1)

　　就是對應的奇次諧波電流的值。

　　(4) 檢測偶次諧波電流：取sinωt、cosωt以及sin2kωt、cos2kωt(2≤2k≤n，k為正整數(shù))等作為參考輸入。人工神經(jīng)元學習完成之后

　　i2k(t) = w2ks·sin2kωt + w2kc·cos2kωt (2)

　　就是對應的偶次諧波電流的值。

　　(5) 檢測特定次諧波和相位：取sinωt、cosωt以及sinkωt、coskωt(k∈[2,n]且為正整數(shù))等作為參考輸入。人工神經(jīng)元學習完成之后

　　ik(t) = wks·sinkωt + wkc·coskωt (3)

　　就是對應的k次諧波的值;wkc/wks就是k次諧波相角的正切值。

　　圖2 基于單個神經(jīng)元的電力諧波檢測原理圖

　　3.5 iplot控件的應用

　　iplot控件是非常優(yōu)秀的控件，能夠直觀實時顯示工業(yè)現(xiàn)場中的模擬信號。它功能強大，即使在劃分數(shù)據(jù)時也可以縮放，滾動。x軸，y軸和頻道數(shù)均無限制。對于不同通道信號采用顏色區(qū)分，并用文字標注，方便觀察比較分析。能以.bmp,.emf,.jpg各種圖形格式保存信號曲線，也可以打印輸出?，F(xiàn)以其中一路通道信號的顯示加以說明。

　　var

　　currcount:integer;

　　retcount:integer;

　　i:integer;

　　begin

　　//設置iocomp中iplt控件的參數(shù)

　　iplot.channel[0].titletext:= `u相電壓信號`; //設置通道標題文字

　　iplt1.xaxis[0].min:=0; //設置u相電壓信號x軸的起始坐標值

　　iplt1.xaxis[0].span:=2560; //設置x軸的坐標域

　　iplt1.yaxis[0].min:=-5000; //y軸表示u相電壓信號的幅值

　　iplt1.yaxis[0].span:=10000;

　　i:=zt8360a_getlasterr();

　　if i<>0 then

　　showmessage(`錯誤號為：`+inttostr(i));

　　currcount := zt8360a_getsfifodatacount(m_cardno);

　　//得到驅(qū)動緩沖區(qū)(sfifo)中當前有效數(shù)據(jù)的個數(shù)

　　if currcount > 0 then

　　begin

　　retcount := zt8360a_aisfifo(m_cardno, data, 8192);

　　//定時啟動ad或外觸發(fā)啟動ad時，從驅(qū)動緩沖區(qū)中讀8192個數(shù)到緩沖區(qū)

　　for i:=0 to retcount do

　　begin

　　iplt1.channel[0].addxy(x,data^[i]); //圖形顯示

　　x:=x+1;

　　end;

　　end;

　　end;

　　3.6 線程的應用和防止數(shù)據(jù)覆蓋

　　windows提供的多媒體定時器，它的最小時間精度只能達到1ms。不能滿足實時數(shù)據(jù)采集的要求。在本項目中，采集的電壓信號頻率為50hz,每個周期為0.02秒。根據(jù)項目要求，每個周期需采樣256個點，即每0.02/256=0.000078125秒讀一次。因此需要使用線程。另外，pci8360a的單通道采樣頻率最高可達500khz，即每1/500000=0.000002秒采樣一次。因此，可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)覆蓋，即還沒有處理的數(shù)據(jù)被新讀入的數(shù)據(jù)覆蓋。為防止這種情況發(fā)生，需要創(chuàng)建緩存區(qū)。

　　4 結(jié)束語

　　在該項目的上位機軟件開發(fā)過程中，數(shù)據(jù)采集是其它工作的前提。在數(shù)據(jù)采集中掌握pci8360a數(shù)據(jù)采集卡的的使用是非常重要的，它有效的利用了工機控機高速處理能力。在使用過程中要注意：未接信號的通道一定要接模擬地;為防止引入現(xiàn)場干擾，不應該使信號引腳懸空，可以將不使用的信號引腳與模擬地短路;各選擇跳線均選出廠設置。iocomp圖形控件的使用使得實驗的上位機界面更加美觀。iplot控件顯示各路信號波形。ispectrumdisplay，ipiechart控件用于顯示各次諧波含有率，iangularloggauge控件用于顯示基波功率。為提高讀數(shù)據(jù)的速率，使用了線程。動態(tài)鏈接庫和防覆蓋技術(shù)的應用，使得系統(tǒng)更為可靠。多種采集方式同時應用，便于比較多種方法各自的優(yōu)缺點。