2.1 軟件流程

　　首先是DSP相應(yīng)功能的初始化，包括串口、定時(shí)中斷、部分用作控制線(xiàn)的I/O口。在數(shù)據(jù)處理之前首先要開(kāi)啟一個(gè)EVA模塊用于捕捉電網(wǎng)的頻率。隨后的工作就是讀取來(lái)自A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)，一組128個(gè)分別對(duì)應(yīng)兩個(gè)周期的電壓電流和末屏電流值。每128個(gè)數(shù)據(jù)分別進(jìn)行FFT運(yùn)算，運(yùn)算的結(jié)果將進(jìn)一步分析以得出功率因素、介損角等值。IED數(shù)據(jù)采集、運(yùn)算、上傳過(guò)程如圖3所示。

　　圖3 IED數(shù)據(jù)采集、運(yùn)算、上傳過(guò)程

　　需要DSP計(jì)算的參數(shù)是高壓A、B、C三相電壓、三相電流的有效值，中壓A、B、C三相電壓、三相電流的有效值，各相電壓電流的2～13諧波的幅值和諧波畸變率，以及高中壓三相的功率因素、介損角值。DSP算法要解決的難題是計(jì)算出2～13諧波和各相的功率因數(shù)。算法的核心是FFT算法。

　　智能電網(wǎng)最少也需要采集20路信號(hào)。首先是DSP的相關(guān)功能初始化，包括串口、GPIO、EVA事件捕捉模塊和定時(shí)中斷。然后通過(guò)普通I/O引腳作為觸發(fā)信號(hào)，依次選擇多路A/D輸入信號(hào)，這些信號(hào)通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路在信號(hào)波形穩(wěn)定后可以經(jīng)過(guò)MAX125被采樣。通過(guò)數(shù)據(jù)總線(xiàn)傳遞給DSP，DSP經(jīng)過(guò)一系列運(yùn)算后得到功率因素、介損基波諧波含量，并將這些數(shù)據(jù)按照一定的數(shù)據(jù)格式打包，通過(guò)串口發(fā)送到ARM微控制器。AR M再將這些數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)監(jiān)控軟件。

　　具體代碼如下：

　　2.2 電網(wǎng)參數(shù)的計(jì)算

　　DSP接收到A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)之后就立刻進(jìn)行計(jì)算。在本設(shè)計(jì)中，電網(wǎng)的諧波含量和諧波因素是計(jì)算的一個(gè)重點(diǎn)。在電力系統(tǒng)中諧波產(chǎn)生的根本原因是非線(xiàn)性負(fù)載所致。當(dāng)電流流經(jīng)負(fù)載時(shí)，與所加的電壓不呈線(xiàn)性關(guān)系，形成非正弦電流，即電路中有諧波產(chǎn)生。諧波頻率是基波頻率的整倍數(shù)，根據(jù)傅里葉分析原理可知，任何重復(fù)的波形都可以分解為含有基波頻率和一系列為基波倍數(shù)的諧波的正弦波分量。諧波是正弦波，每個(gè)諧波都具有不同的頻率、幅度與相角。

　　諧波可以區(qū)分為偶次與奇次性，一般地講，奇次諧波引起的危害比偶次諧波更多、更大。在平衡的三相系統(tǒng)中，由于對(duì)稱(chēng)關(guān)系，偶次諧波已經(jīng)被消除了，只有奇次諧波存在。利用FFT算法可以將電網(wǎng)電壓/電流分解為50 Hz基波和多次諧波的疊加。如此一來(lái)某個(gè)特定頻段上的諧波就顯而易見(jiàn)了。

　　除了諧波的計(jì)算需要使用到FFT算法之外，系統(tǒng)還有其他參量的計(jì)算。由于調(diào)用的功能模塊十分復(fù)雜，只對(duì)部分參數(shù)的計(jì)算過(guò)程進(jìn)行描述。多數(shù)參數(shù)都是通過(guò)對(duì)采集點(diǎn)的離散積分求得的。

　　高壓A相電壓有效值：

　　高壓A相電流有效值：

　　單相電壓/電流諧波畸變率：

　　中壓A相電流諧波含量：

　　高壓三相電壓總諧波畸變率：計(jì)算出各相電壓的各諧波含量和基波含量，用總諧波含量除以基波分量。

　　單相電壓功率因數(shù)：由FFT算法得出基波有效值的(虛部/實(shí)部)的反正切值。

　　單相介損：將末屏電流和對(duì)應(yīng)相電壓分別作FFT運(yùn)算，所得的相位作差，該相位差角度為介損角。

　　3 總結(jié)

　　該系統(tǒng)應(yīng)用于智能變壓器系統(tǒng)中，可多個(gè)通道同步采集，轉(zhuǎn)換精度高。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，信號(hào)采集模塊的實(shí)時(shí)性和精度上都取得良好的效果，且工作穩(wěn)定可靠。該系統(tǒng)采用高速14位并行A/D轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)化了接口設(shè)計(jì)，提高了讀取速度以及數(shù)據(jù)處理速度。通過(guò)CPLD實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜控制信號(hào)，通過(guò)改變XF引腳的電平，可以將外擴(kuò)SRAM、Flash映射到數(shù)據(jù)空間或程序空間。DSP芯片通過(guò)CPLD芯片連接高精度數(shù)據(jù)采集芯片MAX125實(shí)現(xiàn)信號(hào)的多路高速同步實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，抗干擾能力強(qiáng)，并利用FFT算法準(zhǔn)確計(jì)算出電網(wǎng)諧波因數(shù)、功率角、介損角。