電力諧波治理裝置數據采集處理系統設計

1 引言

　　在信息科學(xué)中，數據采集技術(shù)已經(jīng)成為其重要的一個(gè)研究問(wèn)題，它已經(jīng)與計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )技術(shù)、傳感器技術(shù)、信號處理技術(shù)共同構成了現代檢測技術(shù)的基礎，隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和數據采集系統的廣泛應用，人們對數據采集的主要技術(shù)指標，如采樣速率、分辨率、精度、輸入電壓范圍、控制方式以及抗干擾能力等方面，都提出了越來(lái)越高的要求，尤其是采樣速率，更是數據采集系統設計者和使用者最關(guān)心的一項重要指標。在電力系統自動(dòng)化領(lǐng)域，實(shí)時(shí)數據采集是至關(guān)重要的環(huán)節，它直接影響整個(gè)自動(dòng)化裝置的性能。因此，提高采集速度和精度一直是電力系統軟件開(kāi)發(fā)人員要解決的難題。

　　2 系統結構

　　本文介紹的phcteeq-1型電力諧波綜合治理實(shí)驗裝置的實(shí)時(shí)數據采集系統結構示意如圖1所示。

　　圖1 采集系統結構示意圖

　　裝置采用電力諧波有源濾波和無(wú)源濾波的先進(jìn)理論和技術(shù)，以igbt-ipm智能模塊、dsp、工控機等核心部件為硬件基礎，進(jìn)行電力諧波綜合治理技術(shù)實(shí)驗，實(shí)時(shí)性好，實(shí)驗效果明顯。裝置采用公共基礎臺+功能掛件的設計方式，結構緊湊，集成度高，擴展性好，能夠完成單相/三相電力諧波的產(chǎn)生、在線(xiàn)檢測、分析、有源濾波和無(wú)源濾波等多項實(shí)驗。

　　2.1 數據采集卡

　　在該裝置中,模擬信號的采集主要通過(guò)數據采集卡，在這個(gè)裝置中采用的pci8360a數據采集卡：它具有32個(gè)模擬量輸入通道：ad0-ad31;輸入信號范圍：0～10v，-5v～+5v，0～20ma (0～10v為出廠(chǎng)默認設置)。輸入精度為12位。單通道最大采樣頻率：500khz,多通道最大采樣頻率為200khz。啟動(dòng)轉換方式為軟件啟動(dòng)/外觸發(fā)(定時(shí))啟動(dòng)。這里將模擬量輸入單雙端選擇跳線(xiàn)jp2設置為單端輸入，模擬量輸入范圍選擇跳線(xiàn)jp1，jp3設置為雙極性。

　　在這個(gè)實(shí)驗裝置中需要采集的模擬信號有十四路：三相負載電流信號，三相補償電流信號，三相電源電流信號，pwm波信號，變壓器原邊電流信號，三相電壓信號。采用dhpt、dhct高精度微型傳感器來(lái)完成數據采集的功能，采集到的數據經(jīng)處理后傳輸到數據采集卡與dsp中。傳輸到數據采集卡的信號，一方面，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示原始信號，另一方面，經(jīng)fft分析和基于單個(gè)人工神經(jīng)元的自適應電力諧波檢測方法分析后顯示各次諧波權值。

　　2.2 dsp部分

　　dsp采用tms320f2812，tms320x28xx信號處理器集成了事件管理器(281x處理器)，epwm, ecap, a/d轉換模塊，spi外設接口，sci通信接口，ecan總線(xiàn)通信模塊，看門(mén)狗，通用目的數字量io，pll時(shí)鐘模塊，多通道緩沖串口，外部中斷接口，存儲器及其接口，內部集成電路(i2c)等多種外設單元，使用戶(hù)能夠以很便宜的價(jià)格開(kāi)發(fā)高性能數字控制系統。傳輸給dsp的各種信號經(jīng)fft算法分析，將各次諧波權值發(fā)送給工控機。dsp與上位機采用232串口通信。數據幀的格式如下：

　　a相：aaaa 1次諧波權值 3次諧波權值 5次諧波權值 … 25次諧波權值 aaaa

　　b相：bbbb 1次諧波權值 3次諧波權值 5次諧波權值 … 25次諧波權值 bbbb

　　c相：cccc 1次諧波權值 3次諧波權值 5次諧波權值 … 25次諧波權值 cccc

　　當用戶(hù)選中了查看經(jīng)dsp分析的某相信號時(shí)(單選)，上位軟件發(fā)送相應需求信號給dsp，例如：上位機發(fā)送aaaa，dsp接收到該信號后，首先發(fā)送兩個(gè)字節的幀頭aaaa響應上位機，上位機判斷回傳的數據是否為aaaa，是，則接收并顯示，否，則不予理采。每次諧波權值采用32位表示，按照ieee 754 標準：

　　(1) 第1位為符號位，1 代表負，0代表正;

　　(2) 接下來(lái)用8位來(lái)表示指數部分;

　　(3) 接下來(lái)的23位用來(lái)表示有效數位。

　　幀尾為aaaa，表示一幀數據發(fā)送完畢。

　　2.3 plc部分

　　plc采用s7-200，主要完成掛件識別功能。將各變量狀態(tài)通過(guò)opc技術(shù)與上位機軟件通信。上位機軟件組態(tài)顯示電路狀態(tài)，可以直觀(guān)查看電路當前狀態(tài)。

　　3 上位機軟件

　　3.1 軟件開(kāi)發(fā)方式

　　軟件采用delphi 7.0完全面向對象的可視化平臺開(kāi)發(fā)，它是borland公司最優(yōu)秀的windows開(kāi)發(fā)工具之一,它的可視化開(kāi)發(fā)環(huán)境和面向對象的快速應用程序開(kāi)發(fā)(rad)工具,使程序開(kāi)發(fā)人員能在windows平臺上快速開(kāi)發(fā)出32位的windows應用程序。它采用面向對象的程序設計語(yǔ)言object pascal。下面對上位機軟件中的關(guān)鍵技術(shù)加以說(shuō)明。

　　在pci8360a的使用中有三種可行的軟件開(kāi)發(fā)方式：

　　(1) 使用廠(chǎng)家提供的開(kāi)發(fā)軟件。廠(chǎng)家提供的軟件只能作為測試采集卡是否正常的工具。

　　(2) 自己動(dòng)手編制程序完成底層的數集和指令的輸出。此方法工作量大。

　　(3) 利用開(kāi)發(fā)商所提供的windows標準動(dòng)聯(lián)接庫文件。使用動(dòng)態(tài)鏈接庫有如下優(yōu)點(diǎn)：

　　l應用程序編譯鏈接后的可執行文件較小;

　　l應用程序所需用到的內存較小;

　　l對應用程某一模塊的修改，更換不會(huì )影響到其它模塊。本系統的開(kāi)發(fā)此種方式。動(dòng)態(tài)鏈接庫主要有兩種調用方法：靜態(tài)調用和動(dòng)態(tài)調用。

　　動(dòng)態(tài)鏈接庫的靜態(tài)調用是最簡(jiǎn)單的調用方法。它主要使用external指令來(lái)聲明外部的函數或過(guò)程。為了方便使用和維護動(dòng)態(tài)鏈接庫，可以將工程中所用到的所有不同動(dòng)態(tài)鏈接庫中的函數統一定義在一個(gè)單元中，并且還可以在該單元中定義調用庫中函數或過(guò)程時(shí)所使用的常量或數據類(lèi)型。

　　動(dòng)態(tài)鏈接庫的動(dòng)態(tài)調用主要是使用windows api函數進(jìn)行相應的操作，比靜態(tài)調用復雜的多。因此，這里采用動(dòng)態(tài)鏈接庫的靜態(tài)調用的方向。

　　3.2 連續ad采集的編程思路

　　(1)首先在程序初始化時(shí)調用 zt8360a_opendevice函數，用于打開(kāi)設備，只調一次即可。

　　(2) 調用 zt8360a_disablead 函數，禁止ad;調用zt8360a_clearhfifo函數，清硬件緩沖區(hfifo);調用 zt8360a_clearsfifo 函數，清軟件緩沖區(sfifo);調用zt8360a_aiinit 函數，做一些ad初始化工作;調用 zt8360a_openirq函數，打開(kāi)hfifo半滿(mǎn)中斷。

　　(3)在一個(gè)循環(huán)中不斷調用zt8360a_getsfifodata count判斷sfifo中數據的個(gè)數，申請一個(gè)數組，并把這個(gè)數組中傳入 zt8360a_ aisfifo 用于接收數據,把讀出的數據保存到文件或直接顯示。注意：sfifo的默認大小為 819200，用戶(hù)要不斷讀數，使sfifo有空間放入新的來(lái)自hfifo的數，如果sfifo中的有效數據的個(gè)數接近819200，會(huì )使整個(gè)ad過(guò)程停止。如果想重新采集，必須重復2—3步。

　　(4) 調用 zt8360a_closeirq函數，停止采集過(guò)程。

　　(5) 在程序退出前調用 zt8360a_closedevice函數。