基于DSP的風(fēng)電場電能質(zhì)量監(jiān)測裝置

王曉蘭，李智輝

(蘭州理工大學(xué) 電氣工程與信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

隨著全世界新能源風(fēng)力發(fā)電的大力發(fā)展，電能質(zhì)量的監(jiān)測成為風(fēng)電場的研究熱點。風(fēng)電場電能質(zhì)量問題可以分為穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量與暫態(tài)電能質(zhì)量問題。暫態(tài)電能質(zhì)量問題通常以頻譜和持續(xù)時間為特征，分為脈沖暫態(tài)和振蕩暫態(tài)兩大類，其主要表現(xiàn)形式有:電壓脈沖、浪涌、暫態(tài)振蕩、電壓跌落、毛刺或尖峰、電壓突起、電壓中斷及電壓短時閃變等，被普遍接受的主要性能指標(biāo)有電壓短時變動(上升、下降、中斷)、電磁暫態(tài)(脈沖、振蕩)。

為了滿足電能質(zhì)量監(jiān)測的實時性、高速性和連續(xù)性，本文選用高速數(shù)字信號處理器DSP和復(fù)雜可編程邏輯器件FPGA實現(xiàn)了采樣和數(shù)據(jù)分析同步進(jìn)行，達(dá)到了同步不間斷地監(jiān)測電能質(zhì)量的目的，并采用CAN總線通信方式與遠(yuǎn)方控制中心通信，使分析的數(shù)據(jù)結(jié)果可以快速可靠地傳到上位機(jī)。

1 硬件設(shè)計

本文設(shè)計的風(fēng)電場電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)采用DSP、FPGA、CAN等控制器組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。系統(tǒng)實現(xiàn)了對風(fēng)電場運(yùn)行過程中各性能指標(biāo)的實時監(jiān)測，這些指標(biāo)分為穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量(包括電壓有效值、電流有效值、有功功率、無功功率等)及暫態(tài)電能質(zhì)量(包括電壓波動、電壓短時閃變計算)。同時建立良好通信，以便上位機(jī)存儲數(shù)據(jù)，控制數(shù)據(jù)的采集、計算和分析。

圖1 DSP系統(tǒng)硬件構(gòu)成

本系統(tǒng)采用的是“DSP+FPGA”的模式結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)采樣芯片是16位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS8364。經(jīng)過電流變換器和電壓變換器后的風(fēng)電場三相電壓電流信號以及風(fēng)速風(fēng)向信號，由模數(shù)芯片ADS836進(jìn)行同步采樣、保持、A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，傳送至DSP進(jìn)行分類計算和數(shù)據(jù)處理，然后通過CAN通信接口傳送至上位機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析管理。

DSP采用TI公司一款高性價比的2000系列DSP處理 器 TMS320F28335，TMS320F28335是 基 于 TMS320Cxx內(nèi)核的浮點數(shù)字信號處理器，是一款功能強(qiáng)大的32位浮點DSP芯片。TMS320F28335具有150 MHz的高速處理能力，具備32位浮點處理單元，6個DMA通道支持ADC，有多達(dá) 18路的 PWM輸出，其中有 6路為 TI特有的更高精度的 PWM輸出，12位16通道 ADC，DSP片內(nèi)內(nèi)置 256 K×16 bit Flash，8 K×16 bit Boot ROM。本文中的TMS320F28335主要完成采樣數(shù)據(jù)的實時分析處理，進(jìn)行各電能質(zhì)量指標(biāo)計算，并將計算結(jié)果傳送至上位機(jī)。ADS8364是一種高速、低功耗、六通道同步采樣和轉(zhuǎn)換的16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，采用+5 V工作電壓，主要完成對風(fēng)電場的三相電壓電流以及風(fēng)速風(fēng)向進(jìn)行采樣，采樣數(shù)據(jù)發(fā)送至DSP進(jìn)行實時分析處理。FPGA采用T2C35-V3，主要實現(xiàn)整個系統(tǒng)的邏輯控制，控制A/D采樣與芯片譯碼。

2 軟件設(shè)計

從軟件設(shè)計角度看，DSP系統(tǒng)主要完成實時數(shù)據(jù)的采集、小波消噪和計算，同時通過CAN總線響應(yīng)上位機(jī)系統(tǒng)的通信請求，把各種計算結(jié)果和信息傳送至上位機(jī)，而上位機(jī)對整個系統(tǒng)進(jìn)行控制和管理，在需要數(shù)據(jù)的時候，向DSP系統(tǒng)發(fā)出通信請求，獲取各種數(shù)據(jù)和信息。這樣的設(shè)計使大量的實時采樣和計算與系統(tǒng)的管理和控制可以并行執(zhí)行，通過通信使雙方在任務(wù)執(zhí)行上同步。其中小波消噪可以較好保存原信號中的高頻突變部分。軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 軟件結(jié)構(gòu)圖

DSP系統(tǒng)的軟件程序采用匯編語言和C語言混合編程，其中主程序和一部分子程序用C語言編寫，而一些運(yùn)算量比較大的算法子程序使用匯編語言編寫，這樣可以提高軟件的執(zhí)行效率，更好利用DSP芯片的軟硬件資源。程序使用模塊化設(shè)計，主要包括數(shù)據(jù)采集、電能質(zhì)量算法和數(shù)據(jù)分析程序。用匯編語言編制FFT算法部分，在一個周波內(nèi)實現(xiàn)對電壓電流、風(fēng)速風(fēng)向8路信號的128個采樣點進(jìn)行FFT分析。由FFT運(yùn)算得到基波的幅值和相位以及各次諧波的幅值和相位，可求出三相電壓的正序、負(fù)序分量，從而確定三相不平衡度。本DSP系統(tǒng)程序還可分析計算得到電壓有效值、電流有效值、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、頻率、電壓波動，電壓短時閃變計算等測量結(jié)果，運(yùn)算流程如圖3所示。

3 小波消噪仿真

小波消噪分為3個步驟進(jìn)行：

(1)信號的小波分解：本文選用db4小波進(jìn)行3層分解。

(2)小波分解高頻系數(shù)的閾值量化。本文選擇一個18軟閾值并進(jìn)行量化處理。

(3)小波的重構(gòu)，即消噪后的信號恢復(fù)。

假設(shè)疊加有白噪聲的待分析原始信號為：

圖3 各指標(biāo)運(yùn)算流程

式中U(s1)，U(s2)為疊加的白噪聲信號。為檢驗小波消噪的效果，同時在信號模型中疊加了非噪聲信號(s2時段內(nèi))，原始信號波形圖如圖4(a)所示。

圖4 消噪仿真結(jié)果

對上述存在噪聲的信號選用db4小波進(jìn)行消噪處理后的結(jié)果如圖4(b)所示。比較圖4中的(a)和(b)的信號可以看出，用小波消噪可以較好地保存原信號中的高次諧波部分，并且去掉了白噪聲。

風(fēng)電場電能質(zhì)量實時監(jiān)測與分析、管理是電能質(zhì)量監(jiān)測的一個的發(fā)展方向，其中風(fēng)電場暫態(tài)電能質(zhì)量監(jiān)測是大力發(fā)展的重點。本文針對風(fēng)電場電能質(zhì)量監(jiān)測與分析實時性的特點，設(shè)計了基于FPGA、DSP和A/D硬件結(jié)構(gòu)的電能質(zhì)量監(jiān)測裝置，以及基于小波變換與高速DSP的電能質(zhì)量監(jiān)測方法。

[1]Rahim bin Abdullah A， Zuri bin Sha′ameri A.Real-Time Power Quality Monitoring System Based On TMS320CV5416 DSP Processor[C].International Conference on Power Electronics and Drives Systems，2005:1668-1672.

[2]Stephen G.Kochan.Programming inC[M].北 京 :電 子 工業(yè)出版社，2006.

[3]戴逸民，梁曉雯，裴小平.基于 DSP的現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計[M].北京:電子工業(yè)出版社，2003.

[4]張雄偉，曹鐵勇.DSP芯片的原理與開發(fā)應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社，2000.

[5]張德豐.Matlab小波分析與工程應(yīng)用[M].北京:國防工業(yè)出版社，2008.

[6]張勇，曾君，王世聞，等.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組便攜式電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)[J].控制理論與應(yīng)用，2008，25(2).

[7]崔錦泰.小波分析導(dǎo)論[M].西安:西安交通大學(xué)出版社，1995.