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1、 基于 DSP 的工业电能质量监控系统案例研究作者地址：堪萨斯州立大学电子与计算机工程系，美国（785）532-4678）堪萨斯州曼哈顿市（66506-5204） 。FAX（785）532-1188，E-mail morcosksu.edu.简介最近几年，电能质量受到了广泛关注。电能质量与多种电磁场现象息息相关，这些电磁场现象反映在在不同时刻不同地点电力系统中电压和电流的特性上。通常，我们用波形、电压幅值、频率作为电能质量的衡量指标。在特定的地点或者回路进行电能质量的测量来反映电磁场特征是必要的。对电力质量的研究通常用来分析电能质量对现有电力设备的影响，评估改善电能措施的成效，提高电力建模技术
2、，预测负载端的性能。电能质量工程师关心的是理想频率下电压有效值的误差和静态偏差。所以，测量系统要求能够测量出短期误差、长期误差和波形失真程度，并且连续的测量要能充分反映波形和有效电压值的特征。为了满足小存储器的要求，实时采样和数据分析需要同时进行，这样不仅扩展了最大数据的接收量还使得对电能质量的长期分析变得可行了。而且快速数据处理能力还能够使我们马上了解到测量结果。我们希望能够将得到的数据以数值和曲线的形式呈现出来。理论上，数据分析和显示功能能够集成到一款软件中，可是以目前的工业水平还实现不了。所以，数据要传送到另一台处理器的的分析工具上，例如：spreadsheet、statistical
3、analysis progress、databases 和graphics packages。监控系统必须是可配置和适应性强的，以满足客户的自定义测试。监控单元越轻便越好，这样工程师就可以很方便地携带装置到不同的地方测量。监控软件应该满足与工程师笔记本兼容的需求，这样方便存储和读取结果，易于研究分析，方便对提高电能质量策略的研究。发展和研究电力监控系统的目的是为了让电能质量工程师进行电力特性的模拟实验。我们的研究并没有涉及传感器的选择和使用，而是关注于软件和硬件传输和处理信号的能力。实时监控系统通常用在自动电能质量监测，系统以数字信号处理器（DSP）与和其连接的个人电脑为核心。系统的框图如表一
4、所示。测试信号通过 A/D 转换模块传入监控系统，信号在 DSP 中实时分析处理，结果通过传输协议传送到电脑，电脑将结果显示给使用者。系统可以用于执行现场电能质量的研究。电能质量现象IEEE 在 1159-1995 之间已经对配网中出现的各种电能质量现象定义了标准。本篇论文的侧重点在短时间变化、长时间变化和波形畸变，因为这些现象在用户端经常发生，电能质量工程师们对它们也特别感兴趣。短时间波动：短暂的电压波动过程通常都是由于不正常的运行状态、重负荷投运产生的短时过电流、连接线接触不良等引起的。根据故障点和电力系统当前状态的不同，故障可能会造成电压升高或降低甚至短暂的失压。这些故障按照持续时间的长
5、短可分为瞬间、暂时、短时。长时间波动：电压有效值的偏差超过正常范围长达一分钟以上我们称之为长时间波动。电压长时间增加或减少的专业术语分别是过电压和欠电压。电压长时间波动是由增减负荷和投切无功补偿造成的，可以通过提高电力系统的电压调节特性来改善。故障会引起电压中断，通常波形缺失 30 个周期或者更长称为电压中断。波形畸变：波形畸变指的是在稳定波形相对于工频正弦波的一系列偏差。电能质量检测设备：处理电能质量问题的第一步是明确客户端出现的是怎样的电能质量问题。广泛的电能质量问题对于监视设备有特殊的要求，同时也需要复杂的软件系统辅助分析记录的数据。传统的电能检测系统在于稳定电压电流的测量，所以在综合调
6、节会影响客户设备的电能质量问题上是不足的。因此，我们研发了市场急需的一款能够快速、可靠地进行电能分析的设备。基于实时监控的可编程 DSP 是电能质量检测领域的重要突破。电能质量检测设备DSP 是我们在监控系统中使用的处理器。它特殊的结构和高性能使得他能够实现不一般的控制和算法需求。优化的设计能够满足在多频域的实时监控需求。接下来我们将对这些模块进行介绍。DSP 的构架：DSP 用的是哈弗结构，把程序、数据存储、关联数据、地址总线分离。这样的结构使得 DSP 拥有高速处理能力，因为指令和数据是并行处理的。DSP 也像其它先进的微处理器一样，使用多条流水线处理指令。DSP 还有其它很多构架特征，例
7、如：逻辑电路组、放大比例、饱和度、字符长度、良好的仿真模拟环境。特殊的 DSP 指令：DSP 类似与一台缩小指令集计算机，在里面有一套经常使用的用来优化数学计算的指令。DSP 能够通过不断的循环高效地处理多种数学算法。电脑的每一步运算都会涉及到乘除加减，在 DSP 中 MAC 指令就是扮演这样的作用。MAC 指令还能处理矩阵运算和傅里叶运算，MAC 指令是 DSP 区别于其它处理器最大的优点。实时系统实时系统指的是在明确的时间内完成明确的任务。实时系统的准确性不仅取决于逻辑计算的结果还与时序有关。输出结果的时间非常重要，因为，实时系统的输入是实时变化的对应的输出也是实时变化的。我们要分清硬件延
8、时和软件延时。在硬件延时中，硬件反应的时间是固定不变的。在软件延时中，延时取决于程序处理的时间。电能质量测试系统是一个硬件实时系统。所有的事件系统可以分为两个基本的类型：非周期和周期。非周期事件的发生的间隔是随机的，特点是需要得到及时的响应。对于每一个请求，都会有相应的运算规则来产生有效的反应，这些运算规则叫做请求响应算法（RR） 。实现非周期事件的关键在于两方面。首先，有效的请求信号不能丢失，其次，有效的响应必须在规定的时间内完成。典型的非周期事件过程有：键盘输入、显示输入输出、主从式通讯、警报。周期性事件发生的事件间隔是相同的，它的特征是动作序列会在一段特定的时间内反复执行。动作序列可能是
9、有限次的也可能是无限次的，最典型的周期事件是数据采集系统。动作序列和系统间的一般运算规则为输入电脑输出。在非周期和周期事件处理,大部分的时间花在等待下一个事件发生。这段空闲的时间可以用于其它实时事件服务。因此。多任务环境是可取的。这两种基本的事件允许实时事件处理轮询和中断驱动，混合这两种方法产生一个最优的解决方案，既保留了各自的优点，同时最小化了它们的缺点。实时处理内核：实时处理需要一个快速运转的多任务操作系统。内存管理、I/O 进程和数据资源共享在传统的操作系统中是不需要的，因为这些功能的开销对于系统的实时性是不利的。在这项研究中，研究的环境基础是实时处理内核(RTP)在 DSP 上的实现。
10、RTP 内核支持多任务处理的任务相关的数据收集、数据分析和沟通。图 2 显示了 RTP 的主要元素。程序初始化的部分负责初始化系统时钟、插入中断处理函数和设置前台进程。中断处理函数负责创建一个多任务处理环境。特定的中断处理函数是和前台程序分开的。这个函数在共享内存里会适当的设置旗帜，并听从前台程序的调度在后台运行。中断的后台运行策略体现了查询环境的理念。它通过共享内存使得预定的任务在后台执行。程序终止时，系统时钟自动重置，中断函数卸载，前台过程结束。系统构架：系统设计的目的是合成一个系统的结构来满足我们应用的需求。本研究的目标给设计的系统提出了几个要求。首先关注的是有足够的处理能力，能够满足电
11、能质量监测的计算和实时任务的要求。系统必须易于实现、灵活、经济，而 I 且应该有一个良好的用户界面。双处理架构满足这些需求。这个架构是基于 DSP 与主机的互动，如图 3 所示。实时系统被委派到最优的 DSP 硬件上处理，而系统级的要求，如用户界面，在主机上实现。在这个应用程序中，主机是一台个人电脑。在现场调试测试的时候，主机是电能质量工程师的笔记本电脑。DSP 软件开发高性能的 DSP 处理器为软件的运行提供了便利，因为可编程 DSP 构架和本身的属性在运行 DSP 的时候会出现一些独特的问题。使用高级语言如 C 可以大幅度削减开发工作。但是，高级语言编程产生的代码效率低。汇编语言产生高效的
12、代码，但是在编写大型的应用程序往往很难。在编写大型实时应用程序的时候，最好使用高级语言和汇编语言混合编程。高级语言代码用于初始化和非实时代码。时序要求严格的代码用汇编来写。RTP 就是使用这种方法开发的。对于电能质量检测中的应用框架的开发使用 C，实时数据采集、数据分析和通讯任务用汇编。Windows 作为应用程序开发的环境已经被普遍接受。它提供了一个多任务处理、基于图形窗口的编程环境。程序在 PC 上的加工环境是 MFC 开发库的 windows3.1 系统。Windows 并非天生就是一个实时操作系统,但它提供了大量的功能,如果合理地使用,可以用来创建一个基于 Windows 的实时应用程
13、序。用 FFT 进行频谱分析的时候 windows 系统的使用会减少频谱的丢失。在进行电能质量测试的时候建议用汉宁窗，因为这个窗口能够很好地处理正弦波或者正弦波的组合。Windows 程序的目的是应对来自 Windows 内核信息。消息循环从内核接收消息并调用相应的消息处理程序。此应用程序中的消息循环主要有 2 个责任；响应用户选择的菜单和处理由空闲循环处理程序发布的更新消息。实时的结果可以通过对话框获得，例如图 4 所示的电能质量指标对话框。更新消息的处理程序被并入主窗口。在识别数据更新消息后，会执行以下操作。1、来自 DSP 的结果进行缩放，以应用 Hann 窗时和计算 FFT。2、功率质
14、量计算。3、平滑滤波器用于处理信号，产生实时结果。4、显示定期更新。测试结果电能质量测试系统首先进行了校准以满足精度要求。然后进行测试确定衰减能力，在不同的正弦和方波输入下输出光谱，观察并与相应的理论光谱进行比较，最后得出不同电能质量指标下的测量误差。采样速率的频率决定了可以分解的最高次谐波。电能质量标准建议使用的采样速率要能够分解出 50 或者更高次谐波的，然而，大多数的商业测量仪器只能测量到 31 次谐波。测试系统的校正满足甲级仪器的精度要求。由于电压测量的要求更加严格，该系统被校准，以满足这些要求。我们用一个峰值为 1V 的单频信号对应于谐波在操作系统的范围。使用校正因子去读 1v 信号
15、来调整输出的频率，这个过程被重复直达 31 次谐波。测试系统的衰减能力。输入不同的信号用频谱查看输出信号。输入信号的幅值设置为 1v，信号发生器的精度在这个范围内是 0.01v，所以只有前两位是有效位，测试系统的分辨率为 0.1mv。图 5 示出了用于 60 赫兹的方波的频谱。表 1 比较了此输入理论和实验幅度 1 到 15 次波的谱信号。结果是对于较低次谐波相当准确。然而，由于谐波次数的增大，实验幅度小于理论值。对应于采样速率的基本频率（61.04 赫兹）不匹配的输入信号（60 赫兹）的基频可以解释这一现象。所以，FFT 算法会把功率分配到与输入信号相近的频率内。这种扩频的效果是在较高频率更
16、为显着，因为采样速率的信号的谐波频率和相应的谐波频率之间的差较大。图 6 示出了用于一个 180 赫兹的方波的频谱。在实验光谱一个显著特点是，在较高的频率，扩频效应导致相邻频率的衰减差。电能质量指标在输入 1v 峰值频率为 60 赫兹方波的情况下观察电能质量指标。对指数的理论值进行了计算。表 2 示出了理论和实验值的比较。该误差是在所有的情况下小于 2。试验结果表明，该系统满足精度和衰减的要求。为测试信号，实验谱匹配相应的理论光谱。用于测试信号计算出的功率质量指标中的错误在 5的范围内。一些限制还应注意。用来消除仪器的操作范围之外频率的抗混叠低通滤波器，并没有在测试过程中使用，因为测试信号本身是带频带限制的。使用仪器来进行电源质量调查之前，有必要对包括抗混叠滤波器。由于采样速率和信号的基频之间没有严格的同步，更高频率的谐波出现衰减。这个问题可以通过使用在前端一个锁相环（PLL）来克服。结论在这个项目中，完成了实时电能质量检测系统的设计、实施和评估。原型可连续监测一个标称全刻度为 2V P-P，动态范围为 4V P
