2022年智能配电网监测系统的实现文 .pdf

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1、智能配电网监测系统的实现智能配电网监测系统的实现引言电能质量是衡量电网质量的标准，电能质量问题包含电压凹陷（sag ） 、电压隆起 （swell ） 、 尖峰脉冲（spikes ） 、 谐波畸变（harmonicaberration） 和电气噪声 (electricyawp) 等，其中对电能质量影响最大的就是谐波畸变。因此，本系统的设计就是以对谐波畸变分析为主要目的。这方面的研究比较多，而且也开发出了相应的设备。以往的配电网监测设备多以51 、96 系列单片机为处理器，在精度和速度方面都不能满足电力系统的要求，还有就是用TI 公司的 DSP作为处理器，并配合ADC 来完成系统设计。ADI公司先

2、后上市了ADE7753 、ADE7758等电力测量专用芯片，并成功地将它们应用到电网当中。最近，ADI 公司又推出了高性能的强强组合，即DSPADC 的电力测量方案。此监控系统就是采用这一组合实现的。图 1 系统硬件设计框图图 2 软件框图ADC 简介AD73360是 ADI 公司推出的一款专门应用于电能质量监测的IC，与一般 ADC 相比，AD73360有如下优势： 6 路独立的 A/D 转换通道， 不仅互不干扰， 而且严格保证采样同步；高精度，6 个 16 位转换精度转换通道非常适合电能质量监测的需要。采样名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - -

3、 - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 4 页 - - - - - - - - - 速率可在 8KHz 、16KHz 、32KHz范围内编程设置，适应范围广。AD73360为适应不同的场合提供了直流/ 交流、单端 / 差动 4 种不同的输入方式；采用串行接口， 与 DSP芯片的连接非常简单。无论从精度、速度、采样路数或者同步采样的实现来考虑，在电力监测系统中使用AD73360都是比较理想的选择。DSP简介系统采用的 DSP 处理芯 片 ADSP2191M是 ADI 公司的16 位定点DSP。ADSP2191M处理器具有的资源概括如下：可访问的存储

4、空间大小为16M words ，分为 256 页， 每页的大小为64K words ， 其中第 0 页是内部 RAM ， 第 255 页是内部 ROM ，其它空间被分为4 个部分，并由ms0ms3进行选择。有256 页 I/O 存储区间，每页的大小为 1K words ，其中前 8 页为内部 I/O 存储区间，其它为外部I/O 存储区间。处理器有一个主机接口、3 个同步串行接口、两个SPI 接口、 16 个可编程标志引脚、1 个异步串行接口和3 个 32 位定时器。与AD73360连接必须采用串行总线方式，ADSP2191M就有 3 个这样的同步串口。硬件电路设计整个系统的硬件设计以ADSP2

5、191M和 AD73360为核心，再配以周边电路完成。硬件设计的框图。由图 1 可以看出，系统的硬件设计非常简单，而且没有最麻烦的同步保持电路和系统存储空间的扩展。这是因为 AD73360能够实现多通道的同步转换，免除了同步保持电路的设计、ADSP2191M内部具有 64K RAM ，能够满足系统设计的要求。在系统硬件设计中，传感器用来将配电网参数的电能信号转化为ADC 的输入信号，然后送到 AD73360进行同步采样，转换后的采样数据通过同步串口传入DSP 处理器，进行数据处理、谐波分析和其它操作。最后，处理器将分析结果送到LCD 进行显示，并通过串口送到PC 进行相应的处理。Flash 用

6、来存放系统代码。整个系统设计中，Flash 和 LCD 为基本的系统扩展，异步串口为基本的开发，名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 4 页 - - - - - - - - - 这里只介绍一下DSP处理器与 ADC 的连接。它们必须通过串行接口， 其中 ADSP2191M为 6 线串行方式，而AD73360为 5 线的串行方式，它们的区别在于前者的串行时钟分为串口发送时钟和串口接收时钟，是彼此独立的，而后者合二为一。比较时序图会发现，二者时序基本相同，但要控制A

7、D73360，处理器还必须能够满足下面的要求：串口工作方式可设置为外部时钟模式，串口字长可达到16bit ，发送和接收的每个字都有同步帧信号， 对处理器而言， 接收同步帧信号为输入信号，发送同步帧信号为输入信号，帧同步信号产生在串口字高位出现的前一个时钟周期，帧同步信号为高有效。作为AD73360的同类处理器，ADSP2191M可以通过设置轻易地达到上述要求。图 3 硬件系统分析与理论分析对比系统软件设计系统的软件设计比较复杂，分为A/D 采样控制、 LCD 控制、串口传输、数据处理和谐波分析算法等几个部分。整个软件框图。其中，谐波分析算法代码量最大，也最重要，系统对配电网电能质量的分析就由它

8、来完成；Flash 驱动代码用于对 Stm29w040进行驱动，它不在系统监测中使用，而是用来实现程序代码的下载。在系统开发代码的语言选择上，采用DSP汇编语言和C 语言相结合的方式，以C 语言为主，汇编语言为辅。219x_int_tab.asm文件的处理：在介绍整个系统流程之前，先介 绍 一 下 219x_int_tab.asm文 件 。 当 软 件 主 函 数 存 在 于 C 文 件 的 时 候 ，219x_int_tab.asm文件被系统默认为项目的一部分，并对项目进行中断向量初始化。当中断发生后，程序指针跳转到该文件的相应位置，通过_lib_int_determiner函数来寻找中断服

9、务程序的入口，一旦找不到服务程序入口，就会造成程序死锁，无法正常运行，而采用 C 语言实现中断函数比较复杂。为了提高系统开发速度，减少系统程序代码，系统开发时要先对219x_int_tab.asm中的中断向量表进行修改，将中断服务程序入口直接给中断向量表就可以完成该函数的功能。系统软件的开发工具为名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 4 页 - - - - - - - - - ViusalDSP 3.0 。在软件设计中，最重要的是谐波分析算法的设计。因为它是软件

10、设计的核心，不仅代码量比较大，而且也是系统测量精度的决定性因素之一。本方案采用成熟的 FFT（快速傅立叶算法）作为系统的谐波分析算法，同时，为了抑制FFT 算法自身的栅栏效应和频谱泄露问题，加入了汉宁窗和插值算法。由于代码量较大，这里就不给出源代码了。在系统的软件设计中，用到了两个中断：同步串口发送中断和同步串口接收中断。 前者用来实现对AD73360的配置，后者用来实现从AD73360读取转换后的采样数据。它们的代码也不在此详述了。除此之外，系统还开发了异步串口、可编程标志引脚和LCD 控制等待，使整个系统更加智能化、人性化。这里就不一一介绍了。系统分析与软件分析的比较系统开发完毕后，为了对

11、系统分析的结果进行检测，使用与软件分析进行比较的方法。将时域原始数据导入Matlab软件，通过该软件内的FFT 算法对数据进行分析，可以得到一组相应的时域波形、幅值谱和相位谱图形。将这些图形与系统硬件分析在DSP 系统中所得到的对应图型进行比较，就可以看出本设计的硬件系统分析与理论分析的差异。图 3 就是这些图形的对比情况。DSP 硬件系统与Matlab软件所分析的原始数据是相同的，但是它们所采用的分析方法是不同的：一个是系统开发的算法、一个是软件自带的工具，所以，可以通过对比来审核开发系统算法的可靠性。可以看出，在对比图中，开发系统得到的时域信号的波形和幅值、相位谱与Matlab软件的分析结

12、果具有相当的一致性。限于篇幅，最终的分析数据不再详述了。为了比较系统的可信度，可采用多次分析的方法，分析比较数据可以看出，虽然采用不同的分析系统，但是二者结果误差很小，基本相同，这就说明系统的硬件监测结果有相当的可靠性。结语以 AD73360和 ADSP2191M处理器为系统硬件核心，系统具有如下特点：1、系统硬件设计简洁，不仅容易实现而且成本较低。2、系统没有外部扩展SRAM，对硬件要求比较低。3、使用 DSP 处理器未用接口资源，系统软件方便升级。4、系统的软件设计采用汇编和C 语言相结合的方法和加窗插值FFT 算法，可以提高代码的开发速度和系统整体的测量精度。由比较结果来看， 该方案符合电力系统的要求，可靠性高，而且至少可以满足每周期160 点的实时采样。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 4 页 - - - - - - - - -