基于DSP 的電力能源數(shù)據(jù)多通道同步交流采樣方法設(shè)計(jì)

張述杰

（淄博供電公司，山東淄博 255400）

隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，電力結(jié)構(gòu)變得逐漸復(fù)雜，電力能源需求量不斷增加，電力系統(tǒng)中電力能源數(shù)據(jù)的多通道采樣十分重要。其中，電力能源數(shù)據(jù)多通道同步交流采樣是比較重要的環(huán)節(jié)。目前，發(fā)電機(jī)輸出的電能大小以及電能的頻率不穩(wěn)定，電力能源數(shù)據(jù)參數(shù)不一致導(dǎo)致電能很難并網(wǎng)，這時(shí)需要對電力系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。控制的類型包括轉(zhuǎn)速控制以及并網(wǎng)控制，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速以及并網(wǎng)控制需要準(zhǔn)確測量電能的各項(xiàng)數(shù)據(jù)參數(shù)。傳統(tǒng)電力能源數(shù)據(jù)測量設(shè)備的測量結(jié)果不準(zhǔn)確，測量速度較慢且實(shí)時(shí)性較差，導(dǎo)致電力系統(tǒng)電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)出現(xiàn)異常、運(yùn)行質(zhì)量下降，使電網(wǎng)中存在電力故障與安全隱患。除此之外，如果電網(wǎng)的電壓低于正常值，電力能源數(shù)據(jù)采樣設(shè)備不能正常運(yùn)行，并可能造成損壞。如果電網(wǎng)的電壓高于標(biāo)準(zhǔn)電壓，電力能源數(shù)據(jù)采樣設(shè)備的使用壽命會大大縮短，這樣都不能使電力能源數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)多通道同步采樣[1-2]。

為了解決以上出現(xiàn)的電力能源數(shù)據(jù)采樣問題，文中設(shè)計(jì)了基于DSP 的電力能源數(shù)據(jù)多通道同步交流采樣方法，運(yùn)用DSP（數(shù)字信號處理器），將電力系統(tǒng)二次測量的電壓、電流經(jīng)過變換后轉(zhuǎn)變成可測量的交流小信號，然后再經(jīng)過計(jì)算機(jī)軟件的編程處理，從而快速實(shí)現(xiàn)電力能源數(shù)據(jù)多通道同步交流采樣。該采樣方法能夠?qū)崟r(shí)采集被測量電壓、電流的瞬時(shí)值，實(shí)時(shí)性較好，且相位失真較小。

1 數(shù)據(jù)多通道同步交流采樣分類

在實(shí)現(xiàn)電力能源數(shù)據(jù)多通道同步采樣的過程中，根據(jù)電力能源數(shù)據(jù)參數(shù)的不同，將其分為直流采樣和交流采樣兩種形式[3-4]。在直流采樣中，將電流信號經(jīng)過各類變送器的整流后，再由電力能源數(shù)據(jù)采集設(shè)備和儀表進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。直流采樣方法設(shè)計(jì)的軟件比較簡單，只需要對電力能源數(shù)據(jù)采樣值作一次比例變換就可以得到被測量的電力能源數(shù)據(jù)。該過程對采樣速率沒有較高的要求，所以易于實(shí)現(xiàn)。然而，直流采樣具有一定的局限性：只能采集被測量的有效值，對實(shí)時(shí)信號無法實(shí)現(xiàn)采集；各類變送器的精準(zhǔn)度和穩(wěn)定性無法得到有效地控制，不能保障被測采樣信號的精確度；采樣信號設(shè)備較復(fù)雜，維護(hù)較為困難；電力系統(tǒng)電網(wǎng)的波形有明顯變化時(shí)，被測采樣信號的數(shù)值容易受到影響而發(fā)生突變，導(dǎo)致被測電力能源數(shù)據(jù)誤差較大，成本較高[5-6]。

電力能源數(shù)據(jù)信號的分類如圖1 所示。

圖1 電力能源數(shù)據(jù)信號分類

交流采樣主要是對被測電力能源數(shù)據(jù)信號的瞬時(shí)值進(jìn)行采樣，然后對采樣得到的數(shù)值結(jié)果進(jìn)行仔細(xì)分析、計(jì)算和評估，以此獲取被測能源數(shù)據(jù)信號的相關(guān)數(shù)據(jù)信息和位置信息。這種采樣方法對采樣速率的要求較高。在應(yīng)用C 語言程序編輯采樣程序時(shí)，程序計(jì)算的數(shù)量比較龐大，被測電力能源數(shù)據(jù)信號的穩(wěn)定性較低，采樣值包含的載波信息、數(shù)量信息、采樣的有效值信息等信息量較大，在得到采樣的有效值、采樣信號的相位信息、電力能源數(shù)據(jù)的諧波分量時(shí)，可采用不同的采樣算法[7-8]。

交流采樣的優(yōu)點(diǎn)是采樣速率較高，采集能源數(shù)據(jù)信號的數(shù)值較為準(zhǔn)確，采樣的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性好，能夠?qū)崿F(xiàn)多通道同時(shí)采集電力能源數(shù)據(jù)信號。

隨著微機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，交流采樣是目前主要的使用方式。交流采樣應(yīng)用比較廣泛，在很多不同的應(yīng)用場合，使用的采樣算法不盡相同。根據(jù)模型函數(shù)進(jìn)行劃分，可分為正弦模型函數(shù)算法與非正弦周期模型算法，正弦模型算法包括最大值算法、兩點(diǎn)采樣算法、全周期算法和單點(diǎn)算法，非正弦模型算法包含傅里葉算法、平方根算法等[9-11]。正弦模型函數(shù)曲線如圖2 所示。

圖2 正弦模型函數(shù)曲線

電力能源數(shù)據(jù)信號采樣的瞬時(shí)值要精準(zhǔn)，采樣信號波動的誤差與同步誤差須保持一致，在采樣精度較高的場合，交流采樣技術(shù)包括兩種方式：一種是硬件同步采樣，另一種是軟件同步采樣。硬件同步采樣目前使用率不高，應(yīng)用的環(huán)境較少，一般應(yīng)用于特殊的硬件電路中，它能夠提高被測信號的精準(zhǔn)度和穩(wěn)定性，減少采樣信號的波動，但在設(shè)計(jì)相應(yīng)的硬件系統(tǒng)時(shí)，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，并且設(shè)計(jì)的成本較高，所以存在較多的設(shè)計(jì)局限[12-13]。信號內(nèi)部時(shí)序如圖3 所示。

圖3 信號內(nèi)部時(shí)序

而交流采樣中的軟件同步采樣可以由定時(shí)器的定時(shí)中斷來實(shí)現(xiàn)。首先需要定期設(shè)定電力系統(tǒng)電網(wǎng)的周期，根據(jù)設(shè)定的周期，確定每段周期的采樣數(shù)量，然后通過軟件程序中的定時(shí)器記錄定時(shí)值，與硬件同步采樣不同的是，軟件同步采樣不需要專門的三相電路，且硬件結(jié)構(gòu)比較簡單，僅在計(jì)算機(jī)采樣設(shè)備中設(shè)定電網(wǎng)頻率和采樣點(diǎn)即可，比硬件同步采樣更易于實(shí)現(xiàn)[14]。

2 基于DSP的同步交流采樣

DSP（數(shù)字信號處理器）是一種快速專用的微處理器，運(yùn)算速度快，并且具有很多運(yùn)算功能，能夠?qū)崟r(shí)處理多種延遲信號。其運(yùn)用特殊的尋址方式可快速進(jìn)行傅里葉變換，在使用軟件同步采樣方法時(shí)，可熟練使用C 語言編輯相應(yīng)的采樣程序。文中設(shè)計(jì)的基于DSP 的電力能源數(shù)據(jù)多通道同步交流采樣方法，采用了DSP（數(shù)字信號處理器），利用其多變的I/O接口和片內(nèi)I/O，可快速采樣電力能源數(shù)據(jù)信號，并行處理能源數(shù)據(jù)算法，優(yōu)化相應(yīng)的指令集，在能源數(shù)據(jù)的升級、修改、置換方面非常靈活，電力能源數(shù)據(jù)采樣的精度高、可靠性好、成本低、硬件結(jié)構(gòu)較簡單[15-16]。DSP（數(shù)字信號處理器）結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 數(shù)字信號處理器結(jié)構(gòu)

基于DSP 的電力能源數(shù)據(jù)多通道同步采樣通過在終端服務(wù)程序中進(jìn)行采樣，并對軟件程序中的定時(shí)器進(jìn)行定時(shí)設(shè)置來實(shí)現(xiàn)，根據(jù)電力能源數(shù)據(jù)的有效值和周期采樣點(diǎn)的個(gè)數(shù)來確定定時(shí)器設(shè)置的采樣值。在正常情況下，軟件同步采樣通過頻率跟蹤技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)，所以在具體的實(shí)現(xiàn)環(huán)節(jié)中，采用軟件同步周期偏差方法，來提高電力能源數(shù)據(jù)信號采樣的精度、采樣的速率以及采樣的穩(wěn)定性。

該研究充分利用DSP 高速、靈活操作、支持浮點(diǎn)運(yùn)算的特點(diǎn)，使用C 語言編程軟件采樣程序，程序包括信號的采集、初始化自檢等，電力能源數(shù)據(jù)多通道同步采樣操作流程如圖5 所示。

圖5 電力能源數(shù)據(jù)多通道同步采樣操作流程

文中首先在程序的主要循環(huán)模塊中對DSP 的核心設(shè)備進(jìn)行初始化和自檢，利用C 語言編輯完采樣程序后，使用DSP 傳輸能源數(shù)據(jù)同步信號，由能源數(shù)據(jù)的采樣設(shè)備采集DSP 輸出的采樣信號，將輸出的自檢結(jié)果保存在源程序中，以方便DSP 的MCU 進(jìn)行實(shí)時(shí)讀取。然后在周期服務(wù)子程序中，將電力能源數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換所得的子數(shù)據(jù)寫入DSP，并存入能源數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。設(shè)定采樣信號的周期，將每個(gè)周期的采樣點(diǎn)統(tǒng)一提取到主循環(huán)程序中，利用子循環(huán)模塊對采集的電力能源數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。處理完成后，繼續(xù)對電力能源數(shù)據(jù)信號進(jìn)行循環(huán)采樣，以提高采樣值的精準(zhǔn)度，并對采樣的瞬時(shí)值作數(shù)據(jù)交互處理。最后，調(diào)用DSP 的各個(gè)子程序，將采樣的結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)保存，利用傅里葉運(yùn)算方法計(jì)算電網(wǎng)的電量以及電力能源的質(zhì)量，并將計(jì)算的有效值和瞬時(shí)值保存在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)，當(dāng)子循環(huán)程序完成后，將采樣結(jié)果移動至DSP的數(shù)據(jù)交互區(qū)，供DSP的MCU讀取數(shù)據(jù)結(jié)果。

3 實(shí)驗(yàn)研究

為驗(yàn)證文中基于DSP 的電力能源數(shù)據(jù)多通道同步交流采樣方法的有效性，利用采樣方法與傳統(tǒng)的電力能源數(shù)據(jù)同步交流采樣方法展開實(shí)驗(yàn)對比。

實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1 所示。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)參數(shù)，選用傳統(tǒng)方法和文中方法同時(shí)進(jìn)行同步交流采樣，得到的頻率信號處理結(jié)果如圖6 所示。

圖6 頻率信號處理結(jié)果

根據(jù)圖6 可知，文中方法頻率信號處理能力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)方法的頻率信號處理能力，這是因?yàn)槲闹蟹椒ㄒ肓嗣}沖因子，能夠很好地解決信號頻率噪聲問題，從而更好地處理調(diào)配信號。

不同方法的信號處理誤差率實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 信號處理誤差實(shí)驗(yàn)結(jié)果

觀察表2 可知，文中提出的同步交流采樣方法和傳統(tǒng)同步交流采樣方法都會產(chǎn)生采樣誤差，但是文中方法采樣誤差率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)采樣方法。因?yàn)槲闹蟹椒軌蚝芎玫貙π盘栠M(jìn)行分類，確保采集到的信號都為交流信號，所以能夠有效減少采集誤差率。

綜上所述，文中提出的基于DSP 的電力能源數(shù)據(jù)多通道同步交流采樣方法具有很好的采樣能力，值得大力推廣使用。

4 結(jié)束語

文中基于DSP 設(shè)計(jì)了一種電力能源數(shù)據(jù)多通道同步交流采樣方法，利用DSP 高速處理并行數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，優(yōu)化電力能源數(shù)據(jù)同步采樣的指令，使采樣信號的修改、升級和置換都非常靈活。同時(shí)，該方法詳細(xì)介紹了電力能源數(shù)據(jù)多通道同步交流采樣的分類，分析了交流采樣中的硬件同步采樣與軟件同步采樣，并根據(jù)實(shí)際采樣要求，選擇相應(yīng)的采樣方法，最后介紹了電力能源數(shù)據(jù)多通道同步交流采樣的操作過程。

文中設(shè)計(jì)的基于DSP 的電力能源數(shù)據(jù)多通道同步交流采樣方法有效解決了電力能源數(shù)據(jù)測量設(shè)備測量結(jié)果不精確、采樣速度較慢、采樣實(shí)時(shí)性差的問題，提高了電力能源數(shù)據(jù)信號的采樣速率，且該方法延展性較好、可靠性高、且易于實(shí)現(xiàn)。