電力諧波治理裝置數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)設(shè)計

1 引言

　　在信息科學(xué)中，數(shù)據(jù)采集技術(shù)已經(jīng)成為其重要的一個研究問題，它已經(jīng)與計算機(jī)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(gòu)成了現(xiàn)代檢測技術(shù)的基礎(chǔ)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，人們對數(shù)據(jù)采集的主要技術(shù)指標(biāo)，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，都提出了越來越高的要求，尤其是采樣速率，更是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計者和使用者最關(guān)心的一項(xiàng)重要指標(biāo)。在電力系統(tǒng)自動化領(lǐng)域，實(shí)時數(shù)據(jù)采集是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，它直接影響整個自動化裝置的性能。因此，提高采集速度和精度一直是電力系統(tǒng)軟件開發(fā)人員要解決的難題。

　　2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　本文介紹的phcteeq-1型電力諧波綜合治理實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

　　圖1 采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

　　裝置采用電力諧波有源濾波和無源濾波的先進(jìn)理論和技術(shù)，以igbt-ipm智能模塊、dsp、工控機(jī)等核心部件為硬件基礎(chǔ)，進(jìn)行電力諧波綜合治理技術(shù)實(shí)驗(yàn)，實(shí)時性好，實(shí)驗(yàn)效果明顯。裝置采用公共基礎(chǔ)臺+功能掛件的設(shè)計方式，結(jié)構(gòu)緊湊，集成度高，擴(kuò)展性好，能夠完成單相/三相電力諧波的產(chǎn)生、在線檢測、分析、有源濾波和無源濾波等多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。

　　2.1 數(shù)據(jù)采集卡

　　在該裝置中,模擬信號的采集主要通過數(shù)據(jù)采集卡，在這個裝置中采用的pci8360a數(shù)據(jù)采集卡：它具有32個模擬量輸入通道：ad0-ad31;輸入信號范圍：0～10v，-5v～+5v，0～20ma (0～10v為出廠默認(rèn)設(shè)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。啟動轉(zhuǎn)換方式為軟件啟動/外觸發(fā)(定時)啟動。這里將模擬量輸入單雙端選擇跳線jp2設(shè)置為單端輸入，模擬量輸入范圍選擇跳線jp1，jp3設(shè)置為雙極性。

　　在這個實(shí)驗(yàn)裝置中需要采集的模擬信號有十四路：三相負(fù)載電流信號，三相補(bǔ)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完成數(shù)據(jù)采集的功能，采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)處理后傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集卡與dsp中。傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集卡的信號，一方面，實(shí)時動態(tài)顯示原始信號，另一方面，經(jīng)fft分析和基于單個人工神經(jīng)元的自適應(yīng)電力諧波檢測方法分析后顯示各次諧波權(quán)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(zhuǎn)換模塊，spi外設(shè)接口，sci通信接口，ecan總線通信模塊，看門狗，通用目的數(shù)字量io，pll時鐘模塊，多通道緩沖串口，外部中斷接口，存儲器及其接口，內(nèi)部集成電路(i2c)等多種外設(shè)單元，使用戶能夠以很便宜的價格開發(fā)高性能數(shù)字控制系統(tǒng)。傳輸給dsp的各種信號經(jīng)fft算法分析，將各次諧波權(quán)值發(fā)送給工控機(jī)。dsp與上位機(jī)采用232串口通信。數(shù)據(jù)幀的格式如下：

　　a相：aaaa 1次諧波權(quán)值 3次諧波權(quán)值 5次諧波權(quán)值 … 25次諧波權(quán)值 aaaa

　　b相：bbbb 1次諧波權(quán)值 3次諧波權(quán)值 5次諧波權(quán)值 … 25次諧波權(quán)值 bbbb

　　c相：cccc 1次諧波權(quán)值 3次諧波權(quán)值 5次諧波權(quán)值 … 25次諧波權(quán)值 cccc

　　當(dāng)用戶選中了查看經(jīng)dsp分析的某相信號時(單選)，上位軟件發(fā)送相應(yīng)需求信號給dsp，例如：上位機(jī)發(fā)送aaaa，dsp接收到該信號后，首先發(fā)送兩個字節(jié)的幀頭aaaa響應(yīng)上位機(jī)，上位機(jī)判斷回傳的數(shù)據(jù)是否為aaaa，是，則接收并顯示，否，則不予理采。每次諧波權(quán)值采用32位表示，按照ieee 754 標(biāo)準(zhǔn)：

　　(1) 第1位為符號位，1 代表負(fù)，0代表正;

　　(2) 接下來用8位來表示指數(shù)部分;

　　(3) 接下來的23位用來表示有效數(shù)位。

　　幀尾為aaaa，表示一幀數(shù)據(jù)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opc技術(shù)與上位機(jī)軟件通信。上位機(jī)軟件組態(tài)顯示電路狀態(tài)，可以直觀查看電路當(dāng)前狀態(tài)。

　　3 上位機(jī)軟件

　　3.1 軟件開發(fā)方式

　　軟件采用delphi 7.0完全面向?qū)ο蟮目梢暬脚_開發(fā)，它是borland公司最優(yōu)秀的windows開發(fā)工具之一,它的可視化開發(fā)環(huán)境和面向?qū)ο蟮目焖賾?yīng)用程序開發(fā)(rad)工具,使程序開發(fā)人員能在windows平臺上快速開發(fā)出32位的windows應(yīng)用程序。它采用面向?qū)ο蟮某绦?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/設(shè)計">設(shè)計語言object pascal。下面對上位機(jī)軟件中的關(guān)鍵技術(shù)加以說明。

　　在pci8360a的使用中有三種可行的軟件開發(fā)方式：

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

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

　　(3) 利用開發(fā)商所提供的windows標(biāo)準(zhǔn)動聯(lián)接庫文件。使用動態(tài)鏈接庫有如下優(yōu)點(diǎn)：

　　l應(yīng)用程序編譯鏈接后的可執(zhí)行文件較小;

　　l應(yīng)用程序所需用到的內(nèi)存較小;

　　l對應(yīng)用程某一模塊的修改，更換不會影響到其它模塊。本系統(tǒng)的開發(fā)此種方式。動態(tài)鏈接庫主要有兩種調(diào)用方法：靜態(tài)調(diào)用和動態(tài)調(diào)用。

　　動態(tài)鏈接庫的靜態(tài)調(diào)用是最簡單的調(diào)用方法。它主要使用external指令來聲明外部的函數(shù)或過程。為了方便使用和維護(hù)動態(tài)鏈接庫，可以將工程中所用到的所有不同動態(tài)鏈接庫中的函數(shù)統(tǒng)一定義在一個單元中，并且還可以在該單元中定義調(diào)用庫中函數(shù)或過程時所使用的常量或數(shù)據(jù)類型。

　　動態(tài)鏈接庫的動態(tài)調(diào)用主要是使用windows api函數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的操作，比靜態(tài)調(diào)用復(fù)雜的多。因此，這里采用動態(tài)鏈接庫的靜態(tài)調(diào)用的方向。

　　3.2 連續(xù)ad采集的編程思路

　　(1)首先在程序初始化時調(diào)用 zt8360a_opendevice函數(shù)，用于打開設(shè)備，只調(diào)一次即可。

　　(2) 調(diào)用 zt8360a_disablead 函數(shù)，禁止ad;調(diào)用zt8360a_clearhfifo函數(shù)，清硬件緩沖區(qū)(hfifo);調(diào)用 zt8360a_clearsfifo 函數(shù)，清軟件緩沖區(qū)(sfifo);調(diào)用zt8360a_aiinit 函數(shù)，做一些ad初始化工作;調(diào)用 zt8360a_openirq函數(shù)，打開hfifo半滿中斷。

　　(3)在一個循環(huán)中不斷調(diào)用zt8360a_getsfifodata count判斷sfifo中數(shù)據(jù)的個數(shù)，申請一個數(shù)組，并把這個數(shù)組中傳入 zt8360a_ aisfifo 用于接收數(shù)據(jù),把讀出的數(shù)據(jù)保存到文件或直接顯示。注意：sfifo的默認(rèn)大小為 819200，用戶要不斷讀數(shù)，使sfifo有空間放入新的來自hfifo的數(shù)，如果sfifo中的有效數(shù)據(jù)的個數(shù)接近819200，會使整個ad過程停止。如果想重新采集，必須重復(fù)2—3步。

　　(4) 調(diào)用 zt8360a_closeirq函數(shù)，停止采集過程。

　　(5) 在程序退出前調(diào)用 zt8360a_closedevice函數(shù)。