無功和諧波電流監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)

王 欣，文小玲

(1.武漢工程大學(xué)郵電與信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.武漢工程大學(xué)電氣信息學(xué)院，湖北 武漢430205)

0 引 言

Labview 是laboratory virtual instrument engineering workbench(實(shí)驗室虛擬儀器工程工作臺)，是由美國國家儀器公司開發(fā)的一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語言，它是一種數(shù)據(jù)采集和儀器控制的標(biāo)準(zhǔn)虛擬儀器軟件開發(fā)平臺[1].Labview的圖形化編程環(huán)境可以滿足不同的編程需求，相比其他語言程序開發(fā)周期較短，且界面簡單友好[2].

在監(jiān)測系統(tǒng)中，處理的實(shí)時性是系統(tǒng)的核心所在.本系統(tǒng)首先通過采樣調(diào)理電路將電網(wǎng)中的同步電壓、電流信號采集到主控制電路中；然后通過串行接口和上位機(jī)的連接，利用MODBUS協(xié)議(工業(yè)現(xiàn)場總線協(xié)議)完成上下位機(jī)的通信；在上位機(jī)中采用基于虛擬儀器(LabVIEW8.2)的編程環(huán)境中構(gòu)建的測試軟件對采集得到的無功與諧波電流實(shí)時數(shù)據(jù)信號進(jìn)行解析和存儲，并將解析的結(jié)果按照一定的顯示形式在虛擬儀器的面板上顯示.系統(tǒng)測試軟件可以通過對解析結(jié)果分析被測產(chǎn)品是否出現(xiàn)故障，并對故障信息進(jìn)行記錄，監(jiān)測人員可以通過查閱存儲的數(shù)據(jù)對出現(xiàn)故障進(jìn)行深入分析.

1 系統(tǒng)基本原理及硬件架構(gòu)

圖1 無功與諧波電流監(jiān)測系統(tǒng)組成框圖Fig.1 Composition principles block diagram of reactive and harmonic current monitoring system

無功與諧波電流監(jiān)測系統(tǒng)原理架構(gòu)如圖1所示.硬件系統(tǒng)主要包括以TMS320LF2407A DSP(Demand-Side Platform——需求方平臺)為核心的主控制器，鍵盤與顯示接口電路，串行通信接口電路，電壓及電流采樣電路等.圖1中UABC和IABC分別為用戶端三相電壓和電流.采樣電路由電壓傳感器PT、電流傳感器CT、信號調(diào)理電路及模數(shù)轉(zhuǎn)換器組成，主要用于采集電網(wǎng)電壓同步信號、三相電壓和電流等現(xiàn)場信號.采集到的電壓和電流由DSP主控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，分離出負(fù)載電流中的無功和諧波電流，并實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信.

2 下位機(jī)軟件設(shè)計

下位機(jī)軟件的主要功能是實(shí)現(xiàn)無功與諧波電流的檢測，并完成與上位機(jī)的串口通信.

2.1 無功與諧波電流檢測程序設(shè)計

圖2 無功與諧波電流檢測程序流程圖Fig.2 Flow diagrame of reactive and harmonic current detection program

無功與諧波電流檢測軟件流程圖如圖2所示，主要由同步信號捕獲和采樣程序、負(fù)載電壓和電流采樣程序、諧波及無功電流計算程序等組成.系統(tǒng)初始化包括對各個不同的寄存器和全局變量設(shè)置相應(yīng)的初始值，初始值設(shè)定完畢后等待中斷的到來，然后根據(jù)不同的中斷進(jìn)入到對應(yīng)的中斷服務(wù)子程序；當(dāng)進(jìn)入到CAP6中斷子程序后，獲取有效的同步信號，并取出捕獲的當(dāng)前值用來計算上個周期的時間和對應(yīng)的頻率，然后來判別該頻率值.如果檢測到超出一定的漂移范圍則舍棄當(dāng)前值，并使用上次周期計算所得的值來進(jìn)行計算.如果在正常的范圍內(nèi)，就更新當(dāng)前周期計數(shù)值，并且賦值給T1的T1PR寄存器，然后執(zhí)行中斷返回.采樣的負(fù)載電流數(shù)字化是利用DSP內(nèi)部ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換)模塊進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn).此DSP的ADC模塊采樣單極性信號的范圍在0～3.3 V，為了與實(shí)際電流信號相一致，必須對其采樣值進(jìn)行數(shù)字量的處理[3].首先對10位精度ADC模塊采樣所得數(shù)據(jù)進(jìn)行移位處理，然后減去抬升電壓數(shù)字量進(jìn)行雙極性還原，即還原為與實(shí)際電流信號.在無功與諧波電流計算程序中，需要使用查表法查出與a相電壓同步的正弦及余弦函數(shù)值，并利用瞬時無功功率理論中的ip-iq算法來分離三相負(fù)載電流中的諧波和無功電流[4].

2.2 基于MODBUS的下位機(jī)通信程序設(shè)計

圖3 從站通信程序流程圖Fig.3 Flow diagrame of slave station communication program

Modbus協(xié)議中，上、下位機(jī)使用主從通訊方式，從站DSP采用中斷方式接收和發(fā)送數(shù)據(jù).由于DSP被設(shè)計為一個Modbus的從站，不具備主動通信的能力, 因此從站上電初始化后，會打開串行通信的接收中斷，接收上位機(jī)傳過來的命令與數(shù)據(jù)[5].如圖3所示的從站通信流程圖，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，包括定時器初始化、串口初始化、中斷初始化；串口接收中斷在初始化完畢后產(chǎn)生，數(shù)據(jù)一位一位的從接收寄存器中讀取出來，并存放到接收SBUF中，然后啟動(或者重置)計時器；定時中斷產(chǎn)生，將所有接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)作為一幀，存放到請求幀緩沖區(qū)中，并設(shè)置幀緩沖標(biāo)志；檢測到幀緩沖標(biāo)志，處理請求幀緩沖區(qū)，生成響應(yīng)幀，將響應(yīng)幀復(fù)制到發(fā)送緩沖區(qū)，并激活發(fā)送過程，串口發(fā)送中斷產(chǎn)生，持續(xù)將發(fā)送緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)發(fā)送到串口.重復(fù)以上步驟完成多次的Modbus設(shè)備訪問.

3 上位機(jī)軟件設(shè)計

上位機(jī)軟件主要完成串口通信程序及數(shù)據(jù)存儲、顯示功能.

3.1 串口通信程序設(shè)計

主站通信流程圖如圖4所示.上位PC機(jī)Labview程序中采用下列步驟實(shí)現(xiàn)與DSP之間的Modbus串口通信：

(1)串口初始化，設(shè)置雙方波特率、串口通信的端口號、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗等.

(2)按Modbus協(xié)議命令幀的格式將要發(fā)送的數(shù)據(jù)打包.

(3)寫端口，將打包的數(shù)據(jù)發(fā)送到串口.

(4)延時等待，等下位機(jī)的應(yīng)答幀到達(dá)串口.

(5)讀取串口中DSP的應(yīng)答幀.

(6)應(yīng)答幀解包，將應(yīng)答幀中有效的數(shù)據(jù)信息讀取出來并顯示.

Labview有一個串口通信的節(jié)點(diǎn)VISA，與其相關(guān)的節(jié)點(diǎn)共6個，分別實(shí)現(xiàn)串口初始化、串口READ/WRITE、串口緩存檢測、中斷及關(guān)閉串口等功能[6].在進(jìn)行串口初始化時，需設(shè)置相應(yīng)的端口號、奇偶校驗位、波特率、停止位、數(shù)據(jù)位等，其Labview框圖程序如圖5所示.

圖4 主站通信流程圖Fig.4 Flow diagrame of master station communication program

圖5 串口初始化框圖程序Fig.5 Frame diagram of serial port initialization

上下位機(jī)通信發(fā)送操作指令時，先將Cluster簇類型的協(xié)議命令轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)形式，然后計算此數(shù)據(jù)的CRC校驗碼，最后合并Modbus協(xié)議數(shù)據(jù)及CRC校驗碼，生成Modbus數(shù)據(jù)幀供下位機(jī)識別[6].從Modbus命令的Cluster結(jié)構(gòu)中提取有效的數(shù)據(jù)單元并保存在數(shù)組中，包括設(shè)備功能號、寄存器數(shù)量、寄存器起始地址、需要寫入的有關(guān)離散值及數(shù)據(jù).

Modbus數(shù)據(jù)幀中包含了CRC方法的錯誤檢測域，用于檢測整個數(shù)據(jù)幀的內(nèi)容，主要用在RTU模式[7].圖6為生成CRC校驗碼的Labview程序框圖.在Labview中實(shí)現(xiàn)CRC校驗的步驟為：

(1)預(yù)置一個CRC寄存器，該寄存器的內(nèi)容全為l (即FFFFH).

(2)做異或操作，將CRC寄存器的低8與8位數(shù)據(jù)相異或，并將結(jié)果存放在CRC寄存器.

(3)把寄存器的內(nèi)容向LSB最低位方向移動，用0填補(bǔ)MSB最高位，并檢查最低位.

(4)若LSB(最低位)為0，則重新執(zhí)行步驟3.若LSB(最低位)為1，則將CRC寄存器的內(nèi)容和多項式碼A00lHex進(jìn)行異或.

(5)重復(fù)步驟3和4，直到8次右移完畢，所有數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理.

(6)重復(fù)步驟2～5，進(jìn)行另外一個8位數(shù)據(jù)的處理，直到所有的數(shù)據(jù)被處理完畢.最后得到的CRC寄存器中的內(nèi)容為對應(yīng)的CRC碼.

圖6 CRC16校驗程序框圖Fig.6 Frame diagram of CRC

圖7 寫串口框圖程序Fig.7 Frame diagram of writing modbus frame to serial interface

讀串口程序采用直線結(jié)構(gòu)，按照順序，第1幀通過VISA Read 節(jié)點(diǎn)從Byte Count 端口讀取了一個字符數(shù)，這個字符數(shù)實(shí)質(zhì)上是從機(jī)號，讀取后與指定的實(shí)際從機(jī)設(shè)備相比較，確定是否相符合.第2幀通過VISA Read.vi和VISA Bytes at Serial Port.vi兩個端口，讀出串口輸入緩存中的全部數(shù)據(jù).并通過Tick Count.vi 計算出讀取的兩個命令幀之間的時間間隔，如果超過了給定10 000 ms，程序會報超時錯誤.另外，還采用一個while 循環(huán)結(jié)構(gòu)，用來校驗讀出的字符串是否正確，如有誤重新讀取，直到校驗碼相符，則中止循環(huán).第3幀String 轉(zhuǎn)Modbus Data Unit.vi為添加子函數(shù)，它將讀出的所有字符串按照Modbus命令幀的格式把從機(jī)地址、數(shù)據(jù)量和功能代碼全部分開，為下一步解碼提供函數(shù)的入口參數(shù).

解碼數(shù)據(jù)幀要依據(jù)對應(yīng)的Function Code(功能號)，這樣才能正確的讀取響應(yīng)幀中的數(shù)據(jù)，并且把實(shí)際讀出的寄存器的值返回給用戶.此程序?qū)嵸|(zhì)上是Modbus請求數(shù)據(jù)幀的反相過程.其Labview框圖程序如圖8所示.

圖8 響應(yīng)幀解碼框圖程序Fig.8 Frame diagram of decoding for respondings

3.2 數(shù)據(jù)存儲及顯示

利用MySQL(數(shù)據(jù)庫)以及Ni公司附加的工具包SQL Toolkit for Labview對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，同時確保Labview能夠連接并訪問所存儲數(shù)據(jù)的MySQL，對數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的讀取，圖9為數(shù)據(jù)庫在一段時間內(nèi)所儲存的數(shù)據(jù).

圖9 數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)顯示Fig.9 Display of the data in database

4 系統(tǒng)實(shí)驗結(jié)果

為驗證無功與諧波電流監(jiān)測系統(tǒng)的性能，以三相二極管整流橋帶燈箱裝置作為非線性負(fù)載，對所設(shè)計系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際運(yùn)行測試.測試過程中的實(shí)時顯示界面如圖10所示，工作人員可以清楚地觀察需監(jiān)測的電壓、電流波形.其中圖10(a)為三相二極管整流橋A相輸入電流波形，圖10(b)為A相電網(wǎng)電壓和負(fù)載A相電流有功分量，圖10(c)為待補(bǔ)償?shù)闹噶铍娏?即負(fù)載無功和諧波電流).由此可見，系統(tǒng)能準(zhǔn)確檢測出負(fù)載電流中的有功分量和無功與諧波分量.

圖10 電壓和電流波形Fig.10 The waveform of voltage and current

5 結(jié) 語

以上利用DSP控制技術(shù)、Labview8.2 軟件平臺及Modbus總線協(xié)議設(shè)計一套電網(wǎng)無功與諧波電流監(jiān)測系統(tǒng)，并通過實(shí)驗驗證了該系統(tǒng)性能.結(jié)果表明，該設(shè)計不僅能準(zhǔn)確檢測非線性負(fù)載電流中的有功、無功和諧波分量，而且通過上位機(jī)能實(shí)現(xiàn)被測參數(shù)實(shí)時數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)查詢和管理及波形圖顯示功能，同時還可以調(diào)整下位DSP控制參數(shù)，以滿足工業(yè)控制領(lǐng)域的許多要求.

致謝

劉建老師提供了一些相關(guān)的研究資料并對文章提出了中肯的修改意見，在此致以衷心的感謝.

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