摘  要： 設(shè)計(jì)了一種基于title="DSP" target="_blank">DSP的風(fēng)電場電能質(zhì)量檢測裝置,。采用TMS320F28335作為處理器，通過FPGA來完成整個(gè)系統(tǒng)的邏輯控制,；采用了工業(yè)控制中通用的CAN通信方式與上位機(jī)通信,。
關(guān)鍵詞： DPS；FPGA,；風(fēng)電場,；電能質(zhì)量

    隨著全世界新能源風(fēng)力發(fā)電的大力發(fā)展，電能質(zhì)量的監(jiān)測成為風(fēng)電場的研究熱點(diǎn),。風(fēng)電場電能質(zhì)量問題可以分為穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量與暫態(tài)電能質(zhì)量問題,。暫態(tài)電能質(zhì)量問題通常以頻譜和持續(xù)時(shí)間為特征，分為脈沖暫態(tài)和振蕩暫態(tài)兩大類,，其主要表現(xiàn)形式有:電壓脈沖,、浪涌、暫態(tài)振蕩,、電壓跌落,、毛刺或尖峰、電壓突起,、電壓中斷及電壓短時(shí)閃變等,，被普遍接受的主要性能指標(biāo)有電壓短時(shí)變動(dòng)(上升、下降,、中斷),、電磁暫態(tài)(脈沖、振蕩),。
    為了滿足電能質(zhì)量監(jiān)測的實(shí)時(shí)性,、高速性和連續(xù)性，本文選用高速數(shù)字信號(hào)處理器DSP和復(fù)雜可編程邏輯器件FPGA實(shí)現(xiàn)了采樣和數(shù)據(jù)分析同步進(jìn)行,，達(dá)到了同步不間斷地監(jiān)測電能質(zhì)量的目的,，并采用CAN總線通信方式與遠(yuǎn)方控制中心通信，使分析的數(shù)據(jù)結(jié)果可以快速可靠地傳到上位機(jī),。
1 硬件設(shè)計(jì)
    本文設(shè)計(jì)的風(fēng)電場電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)采用DSP,、FPGA、CAN等控制器組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1,。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)風(fēng)電場運(yùn)行過程中各性能指標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)測,，這些指標(biāo)分為穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量(包括電壓有效值、電流有效值,、有功功率,、無功功率等)及暫態(tài)電能質(zhì)量(包括電壓波動(dòng)、電壓短時(shí)閃變計(jì)算),。同時(shí)建立良好通信,，以便上位機(jī)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，控制數(shù)據(jù)的采集,、計(jì)算和分析,。

    本系統(tǒng)采用的是“DSP+FPGA”的模式結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)采樣芯片是16位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS8364,。經(jīng)過電流變換器和電壓變換器后的風(fēng)電場三相電壓電流信號(hào)以及風(fēng)速風(fēng)向信號(hào),，由模數(shù)芯片ADS836進(jìn)行同步采樣、保持,、A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),，傳送至DSP進(jìn)行分類計(jì)算和數(shù)據(jù)處理，然后通過CAN通信接口傳送至上位機(jī),，進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析管理,。
    DSP采用TI公司一款高性價(jià)比的2000系列DSP處理器TMS320F28335，TMS320F28335是基于TMS320Cxx 內(nèi)核的浮點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器,，是一款功能強(qiáng)大的32位浮點(diǎn)DSP芯片,。TMS320F28335具有150 MHz的高速處理能力，具備32位浮點(diǎn)處理單元,，6個(gè)DMA通道支持ADC,，有多達(dá)18路的PWM輸出，其中有6路為TI特有的更高精度的PWM輸出,，12位16通道ADC,，DSP片內(nèi)內(nèi)置256 K×16 bit Flash，8 K×16 bit Boot ROM,。本文中的TMS320F28335主要完成采樣數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析處理,，進(jìn)行各電能質(zhì)量指標(biāo)計(jì)算,，并將計(jì)算結(jié)果傳送至上位機(jī),。ADS8364是一種高速、低功耗,、六通道同步采樣和轉(zhuǎn)換的16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器,，采用+5 V工作電壓，主要完成對(duì)風(fēng)電場的三相電壓電流以及風(fēng)速風(fēng)向進(jìn)行采樣，采樣數(shù)據(jù)發(fā)送至DSP進(jìn)行實(shí)時(shí)分析處理,。FPGA采用T2C35-V3,，主要實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的邏輯控制，控制A/D采樣與芯片譯碼,。
2 軟件設(shè)計(jì)
    從軟件設(shè)計(jì)角度看,，DSP系統(tǒng)主要完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集、小波消噪和計(jì)算,，同時(shí)通過CAN總線響應(yīng)上位機(jī)系統(tǒng)的通信請求,，把各種計(jì)算結(jié)果和信息傳送至上位機(jī)，而上位機(jī)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制和管理,，在需要數(shù)據(jù)的時(shí)候,，向DSP系統(tǒng)發(fā)出通信請求，獲取各種數(shù)據(jù)和信息,。這樣的設(shè)計(jì)使大量的實(shí)時(shí)采樣和計(jì)算與系統(tǒng)的管理和控制可以并行執(zhí)行,，通過通信使雙方在任務(wù)執(zhí)行上同步。其中小波消噪可以較好保存原信號(hào)中的高頻突變部分,。軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示,。

    DSP系統(tǒng)的軟件程序采用匯編語言和C語言混合編程，其中主程序和一部分子程序用C語言編寫,，而一些運(yùn)算量比較大的算法子程序使用匯編語言編寫,，這樣可以提高軟件的執(zhí)行效率，更好利用DSP芯片的軟硬件資源,。程序使用模塊化設(shè)計(jì),，主要包括數(shù)據(jù)采集、電能質(zhì)量算法和數(shù)據(jù)分析程序,。用匯編語言編制FFT算法部分,，在一個(gè)周波內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓電流、風(fēng)速風(fēng)向8路信號(hào)的128個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行FFT分析,。由FFT運(yùn)算得到基波的幅值和相位以及各次諧波的幅值和相位,，可求出三相電壓的正序、負(fù)序分量,，從而確定三相不平衡度,。本DSP系統(tǒng)程序還可分析計(jì)算得到電壓有效值、電流有效值,、有功功率,、無功功率、功率因數(shù),、頻率,、電壓波動(dòng),，電壓短時(shí)閃變計(jì)算等測量結(jié)果，運(yùn)算流程如圖3所示,。

3 小波消噪仿真
    小波消噪分為3個(gè)步驟進(jìn)行：
    (1)信號(hào)的小波分解：本文選用db4小波進(jìn)行3層分解,。
    (2)小波分解高頻系數(shù)的閾值量化。本文選擇一個(gè)18軟閾值并進(jìn)行量化處理,。
    (3)小波的重構(gòu),，即消噪后的信號(hào)恢復(fù)。
    假設(shè)疊加有白噪聲的待分析原始信號(hào)為：
   

    對(duì)上述存在噪聲的信號(hào)選用db4小波進(jìn)行消噪處理后的結(jié)果如圖4(b)所示,。比較圖4中的(a)和(b)的信號(hào)可以看出,，用小波消噪可以較好地保存原信號(hào)中的高次諧波部分，并且去掉了白噪聲,。
    風(fēng)電場電能質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測與分析,、管理是電能質(zhì)量監(jiān)測的一個(gè)的發(fā)展方向，其中風(fēng)電場暫態(tài)電能質(zhì)量監(jiān)測是大力發(fā)展的重點(diǎn),。本文針對(duì)風(fēng)電場電能質(zhì)量監(jiān)測與分析實(shí)時(shí)性的特點(diǎn),，設(shè)計(jì)了基于FPGA、DSP和A/D硬件結(jié)構(gòu)的電能質(zhì)量監(jiān)測裝置,，以及基于小波變換與高速DSP的電能質(zhì)量監(jiān)測方法,。
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