基于DSP的智能型電力監(jiān)測(cè)儀的研究

1、2000年2月繼電器第28卷第2期RELAY33基于DSP的智能型電力監(jiān)測(cè)儀的研究李必濤1,文勁宇1,姜霞1,程時(shí)杰1,易永輝2,張望2(1.華中理工大學(xué),湖北武漢430074;2.許昌繼電器研究所,河南許昌461000)摘要:以具有快速浮點(diǎn)運(yùn)算能力的數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)為核心,研制出了一種智能型電力監(jiān)測(cè)裝置,該裝置集三相電力測(cè)量、最大/最小值記錄、定時(shí)記錄、自動(dòng)抄表與分時(shí)計(jì)費(fèi)、諧波分析、故障錄波及網(wǎng)絡(luò)通訊等功能于一體,并能方便地通過(guò)加入控制程序而具有控制功能。關(guān)鍵詞:數(shù)字信號(hào)處理器;智能;電力監(jiān)測(cè)裝置中圖分類號(hào):TM769文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1003-4897(2000)02-003

2、3-041引言為保證電網(wǎng)的安全運(yùn)行和了解電網(wǎng)運(yùn)行的狀況,需要對(duì)電網(wǎng)的各種運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),并能根據(jù)需要及時(shí)地將各種測(cè)量參數(shù)送往調(diào)度監(jiān)控中心,而在實(shí)際應(yīng)用中往往存在測(cè)量?jī)x表功能單一,這樣就造成現(xiàn)場(chǎng)布線結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護(hù)管理不便且費(fèi)用成本高。美國(guó)德儀(TexasInstruments)公司所推出的TMS320C32是一種32位浮點(diǎn)型的DSP,它具有強(qiáng)大的浮點(diǎn)計(jì)算能力,其處理能力可達(dá)60MFLOPS(60millionfloating-pointinstructionspersecond)和30MIPS(30millioninstructionspersecond)。近年來(lái),DSP技術(shù)已被應(yīng)用于某些

3、電力系統(tǒng)產(chǎn)品中,并充分發(fā)揮出了它的優(yōu)勢(shì)1。本文將TMS320C32用于電力系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)裝置研制中,充分利用DSP強(qiáng)大的運(yùn)算能力,采用先進(jìn)的軟件編程技術(shù),成功地開(kāi)發(fā)出了一種智能型電力監(jiān)測(cè)儀,由于該裝置集多種功能于一體,所以對(duì)進(jìn)一步提高電網(wǎng)的自動(dòng)化水平、提高供電的安全性和可靠性、增加電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)效益都將具有十分重要的意義。圖1裝置硬件配置圖作為CPU,承擔(dān)鍵盤的響應(yīng)和負(fù)責(zé)液晶的顯示以及2裝置硬件設(shè)計(jì)整個(gè)裝置的硬件配置如圖1所示,由數(shù)據(jù)處理單元(DSP)、人機(jī)接口單元(AMD186)和上層監(jiān)控單元等組成。DSP單元主要完成數(shù)據(jù)的采集和大量的數(shù)學(xué)運(yùn)算,發(fā)揮了其運(yùn)算能力強(qiáng)的特長(zhǎng),人機(jī)接口單元采用AMD186

4、芯片收稿日期:1999-07-06作者簡(jiǎn)介:李必濤(1976-),男,碩士,從事電力系統(tǒng)FACTS裝置的控制與仿真研究。圖2DSP單元原理框圖與監(jiān)控中心的通信,通過(guò)人機(jī)接口單元的控制,還可以使得PC機(jī)能夠直接和DSP進(jìn)行通信。人機(jī)接口單元還可以通過(guò)Lonworks網(wǎng)卡將數(shù)據(jù)送往監(jiān)控中心。上層監(jiān)控單元主要指的是PC機(jī)或監(jiān)控中心,通過(guò)PC機(jī)或監(jiān)控中心可以達(dá)到觀測(cè)和詳細(xì)分析采© 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.34基于DSP的智能型電力監(jiān)測(cè)儀的研究樣波形和數(shù)據(jù)的目的。DSP單元的原

5、理框圖如圖2所示。TMS320C32具有兩路DMA控制器,其中一路DMA控制器被用來(lái)專門負(fù)責(zé)采樣數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)移。DSP通過(guò)定時(shí)器控制采樣,采樣數(shù)據(jù)在A/D中完成轉(zhuǎn)換后被暫時(shí)存放在緩沖器里,同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)觸發(fā)脈沖,觸發(fā)脈沖引起DMA中斷,DMA將自動(dòng)把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)中。當(dāng)DMA完成一個(gè)周波的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移后,觸發(fā)CPU,CPU隨后進(jìn)行一個(gè)周波的數(shù)據(jù)處理。由此可見(jiàn),整個(gè)數(shù)據(jù)采集和A/D轉(zhuǎn)換的過(guò)程都由DMA控制器協(xié)調(diào)完成而不需要CPU的參與,這為CPU節(jié)省了大量的時(shí)間,從而使得CPU有更多的時(shí)間用于其它事件的處理,達(dá)到了提高CPU利用率的目的。為了滿足通用性的要求和將來(lái)擴(kuò)展的需要,DSP單元的硬件設(shè)計(jì)預(yù)留

6、了開(kāi)入和開(kāi)出的接口,因而本裝置可根據(jù)不同的需要加入相應(yīng)的開(kāi)出而具有控制功能,減少了硬件的重復(fù)開(kāi)發(fā)工作。而基于該系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)工作也更快速和方便,并能滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求3。圖3DSP單元程序框圖3.3上層監(jiān)控單元的軟件設(shè)計(jì)43裝置軟件設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)的軟件共由三部分組成,包括DSP軟件、人機(jī)接口軟件設(shè)計(jì)和上層監(jiān)控軟件。三部分的軟件設(shè)計(jì)相對(duì)獨(dú)立,它們之間的信息交換通過(guò)通訊來(lái)完成。3.1DSP軟件設(shè)計(jì)DSP單元的軟件設(shè)計(jì)采用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編程,其軟件流程圖如圖3所示。其中,采樣中斷服務(wù)程序完成數(shù)據(jù)處理,串口中斷服務(wù)程序用于接收串口通訊信息,主程序則承擔(dān)自檢循環(huán)、通訊及其它任務(wù)。由于在采樣中斷服務(wù)程序

7、中DSP要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)運(yùn)算,因而在采樣中斷服務(wù)程序中采用匯編語(yǔ)言以提高程序代碼效率,節(jié)省CPU時(shí)間。為提高程序的可讀性和程序結(jié)構(gòu)的清晰性,主程序采用C語(yǔ)言編程。整個(gè)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)編程,可根據(jù)用戶的需求方便地添加或刪除各種功能。3.2人機(jī)接口單元的軟件設(shè)計(jì)2在AMD186的軟件設(shè)計(jì)中,引入了先進(jìn)的VRTX嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)內(nèi)核,它采用搶先算法和基本優(yōu)先級(jí)調(diào)度表來(lái)管理多任務(wù),系統(tǒng)響應(yīng)快,接口簡(jiǎn)單。人機(jī)界面的設(shè)計(jì)借鑒Windows風(fēng)格,所有操作都通過(guò)中文菜單來(lái)執(zhí)行。由于所有的硬件都是由成熟的VRTX操作系統(tǒng)管理,因而運(yùn)行安全可靠,上層監(jiān)控單元的軟件設(shè)計(jì)主要指的是PC機(jī)和監(jiān)控中心的軟件設(shè)計(jì)

8、。上層單元軟件建立在中文Windows95/98平臺(tái)上,采用功能強(qiáng)大的VC+語(yǔ)言編程。目前,Windows技術(shù)是微機(jī)軟件技術(shù)發(fā)展的主流和方向,可以應(yīng)用于各種不同的硬件平臺(tái),從而保證了應(yīng)用軟件的可移植性、兼容性,而且Windows提供的多任務(wù)并行機(jī)制、網(wǎng)絡(luò)功能和友好的多窗口圖形界面也是廣大操作人員所熟悉和易于掌握的。VC+是Microsoft公司推出的開(kāi)發(fā)Win2dows95/98和WindowsNT的32位應(yīng)用程序的可視化開(kāi)發(fā)工具,它提供了大量的MFC類和可視化的編輯工具,使得程序員的工作大為簡(jiǎn)化,而且VC+是面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)語(yǔ)言,這使得為應(yīng)用程序添加新的功能變得非常簡(jiǎn)單。本系統(tǒng)的上層軟件充

9、分利用了以上的優(yōu)點(diǎn),使得應(yīng)用程序具有友好的人機(jī)界面,操作方便,功能強(qiáng)大,可移植性好,并具有網(wǎng)絡(luò)功能5。上層監(jiān)控軟件由兩個(gè)線程組成,其中主線程專門管理用戶界面,以便及時(shí)響應(yīng)用戶的操作。另外,在程序中創(chuàng)建了一個(gè)工作者線程,這個(gè)工作者線程專門管理和下層的通訊工作。主線程和工作者線程之間利用事件對(duì)象來(lái)進(jìn)行通信,即工作者線程首先使用等待函數(shù)堵塞其自身運(yùn)行,在接收到下層的數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理之后,再發(fā)消息給主線程;主線程根據(jù)當(dāng)前窗口的需要進(jìn)行數(shù)據(jù)更新。這樣的多線程機(jī)制提高了系統(tǒng)的響應(yīng)能力。© 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. A

10、ll rights reserved.2000年2月繼電器第28卷第2期RELAY354裝置主要原理與功能本裝置充分發(fā)揮了DSP強(qiáng)大的運(yùn)算能力,因?yàn)镈SP具有單周期乘法指令,這使得在軟件編程時(shí)對(duì)算法沒(méi)有太苛刻的要求,編程者的注意力更多地集中在提高計(jì)算結(jié)果的精度上;同時(shí)也使得在高頻率采樣數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,可以同時(shí)計(jì)算出多種電氣參數(shù),裝置功能大為增加,性能價(jià)格比也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一般的裝置。在通常情況下,該裝置以每周波32點(diǎn)采樣,通過(guò)傅立葉變換,可以得到015次分量的實(shí)部、虛部及模值,然后利用下列公式計(jì)算各電氣量:(1)電壓電流相量的計(jì)算Vi=V2n,iIi=I2n,inn其中,i表示相別(ABC),n表示諧

11、波次數(shù)。(2)功率及功率因數(shù)的計(jì)算Pi=6VIcosn,i2nn,in,iQi=6VIsinn,i2nn,in,i6P=6Pi6Q=6Qiii其中,kWhi表示i相消耗的總有功能量;kVarhi表示i相消耗的總無(wú)功能量;Pi(t)和Qi(t)分別表示i相在t時(shí)刻的有功功率和無(wú)功功率;t1和t2分別表示起始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間;Pn,i和Qn,i分別表示i相在離散時(shí)間點(diǎn)n的有功功率和無(wú)功功率;t為時(shí)間間隔;n1和n2分別為在時(shí)間段(t1,t2)內(nèi)的起始和結(jié)束時(shí)的離散點(diǎn);con,i為i相的電壓和電流的合成相角。在獲得了多種電氣量的實(shí)時(shí)值的基礎(chǔ)上,可以使該裝置具有以下主要功能:(1)可測(cè)出一回線路的所有三

12、相交流電量:相電壓、線電壓、相電流、相電壓THD、相電流THD、有功功率、無(wú)功功率、視在功率、電度及頻率等。(2)可以以一秒一次的刷新速度記錄所有電量的最大/最小值。(3)可根據(jù)用戶選擇的電量類型、電量個(gè)數(shù)以及時(shí)間長(zhǎng)度定時(shí)記錄多組電量值。(4)可根據(jù)用戶要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抄表和分時(shí)計(jì)費(fèi)的功能。(5)可根據(jù)記錄的多個(gè)時(shí)間段的電量值自動(dòng)繪制負(fù)荷曲線。(6)可對(duì)采樣值進(jìn)215次諧波分析,另外還可以每周波128點(diǎn)的速度記錄采樣數(shù)據(jù),以供進(jìn)行高達(dá)63次的諧波分析。(7)可根據(jù)用戶設(shè)定的定值啟動(dòng)錄波功能,記錄多個(gè)周波的采樣數(shù)據(jù)。(8)裝置帶有RS232和Lonworks網(wǎng)卡,可與微機(jī)聯(lián)網(wǎng)組成一個(gè)綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。c

13、osi=cosavr=Pi+Qi22P2+6Q2其中,n,i表示i相第n次諧波電壓和電流之間的夾角;Pi表示i相的合成有功功率;Qi表示i相的合成無(wú)功功率;6P表示三相合成有功功率;6Q表示三相合成無(wú)功功率。(3)總諧波畸變率THD的計(jì)算THDi=T2n,iT1,i其中,THDi表示i相的畸變率;THDn,i表示i相第n次諧波的畸變率。(4)能量的計(jì)算5結(jié)語(yǔ)本文介紹了一種功能強(qiáng)大的智能型電力監(jiān)測(cè)儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。由于該裝置采用了32位浮點(diǎn)型的kWhi=Pi(t)dt t6Pn,i1n1高速DSP芯片,使得該裝置能對(duì)各種電氣參量進(jìn)行n22實(shí)時(shí)高精度的測(cè)量,同時(shí)設(shè)計(jì)時(shí)考慮了將來(lái)擴(kuò)展的()kVarhi

14、=Qitdt t6Qn,i需要和通用性的要求,預(yù)留了開(kāi)入開(kāi)出接口,從而可1n1以方便地加入控制功能。由于這種裝置體積小,安coscon,i=22i+kVarhi裝方便,多臺(tái)裝置互聯(lián)可以構(gòu)成性能優(yōu)越的實(shí)時(shí)綜2n2© 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.36基于DSP的智能型電力監(jiān)測(cè)儀的研究集,北京:1998.3北京麥克泰軟件技術(shù)公司.VRTX嵌入式實(shí)時(shí)操作系合監(jiān)測(cè)系統(tǒng),所以它非常適用于電力自動(dòng)化系統(tǒng)、工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)和樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)等。參考文獻(xiàn):統(tǒng).4姜霞,何海波等.實(shí)時(shí)多任務(wù)電能質(zhì)

15、量監(jiān)測(cè)軟件的研究5VisualC+5開(kāi)發(fā)使用手冊(cè).機(jī)械工業(yè)出版社.工程學(xué)會(huì)繼電保護(hù)專業(yè)委員會(huì)第七屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文TheresearchonDSPbasedintelligentpowersupervisordeviceLIBi-tao1,WENJin-yu1,JIANGXia1,CHENGShi-jie1,YIYong-hui2,ZHANGWang2(1.HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074,China;2.XuchangRelayResearchInstitute,Xuchang461000,China)(上接第16頁(yè))努力,

16、還是無(wú)法挽回失步系統(tǒng)失步時(shí),解列也得值得考慮的一種防止事故擴(kuò)大的最后應(yīng)急措施。但必須有計(jì)劃地安排解列點(diǎn),使解列后的系統(tǒng)容量盡可能地平衡,所以在超高壓大電網(wǎng)中,滿足要求時(shí)采用。5結(jié)束語(yǔ)針對(duì)我國(guó)電力系統(tǒng)的實(shí)際情況,電源的發(fā)展超前網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展,電源點(diǎn)距負(fù)荷中心較遠(yuǎn),網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系相對(duì)薄弱,穩(wěn)定儲(chǔ)備低;當(dāng)借助于一些完善的反事故對(duì)策時(shí),可以提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性,取得良好的運(yùn)行效果。參考文獻(xiàn):1996.必須特別注意安排好解列點(diǎn)的問(wèn)題。以上各類措施可單獨(dú)采用,也可同時(shí)采用,由于加速故障切除速度及進(jìn)行適當(dāng)?shù)闹睾祥l費(fèi)用低、效果好,所以應(yīng)優(yōu)先采用。對(duì)于發(fā)電機(jī)的強(qiáng)行勵(lì)磁、串(并)聯(lián)電容強(qiáng)補(bǔ)償和切除并聯(lián)電抗器,主要是控制

17、電壓和無(wú)功功率,容易靈活實(shí)現(xiàn)控制,也可優(yōu)先考慮;而對(duì)于減少送受端的功率不平衡程度的措施,如切機(jī)、快關(guān)汽門、電阻制動(dòng)、切負(fù)荷等,主要是控制有功功率,提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性,實(shí)現(xiàn)起來(lái)較困難,同時(shí)對(duì)電力系統(tǒng)影響也較大,通常是前兩類控制不能Analysisofcountermeasuresforsimplepowersysteminout-of-stepconditionsYANGBing-yuan1,ZHANGBao-hui2,WUJi-guang1(1.ElectricPowerCollegeofInnerMongoliaPolytechnicUniversity,Huhehaote010080;2.XianJiaotongUniversity,Xian710049,China)Abstract:Inthispaper,anoverviewofthevariableschangeregularityafterthedisturbanceofequivalenttwo-generatorpowersystemssta2bilityisgiven.Ba