摘  要： 設(shè)計了一種基于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。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閃變等,，被普遍接受的主要性能指標(biāo)有電壓短時變動(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)測的實時性,、高速性和連續(xù)性,，本文選用高速數(shù)字信號處理器DSP和復(fù)雜可編程邏輯器件FPGA實現(xiàn)了采樣和數(shù)據(jù)分析同步進行，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。
1 硬件設(shè)計
    本文設(shè)計的風(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)實現(xiàn)了對風(fēng)電場運行過程中各性能指標(biāo)的實時監(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、電壓短時閃變計算),。同時建立良好通信,，以便上位機存儲數(shù)據(jù)，控制數(shù)據(jù)的采集、計算和分析,。

    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以及風(fēng)速風(fēng)向信號,，由模數(shù)芯片ADS836進行同步采樣,、保持、A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,，傳送至DSP進行分類計算和數(shù)據(jù)處理,，然后通過CAN通信接口傳送至上位機，進行數(shù)據(jù)的分析管理,。
    DSP采用TI公司一款高性價比的2000系列DSP處理器TMS320F28335,，TMS320F28335是基于TMS320Cxx 內(nèi)核的浮點數(shù)字信號處理器，是一款功能強大的32位浮點DSP芯片,。TMS320F28335具有150 MHz的高速處理能力,，具備32位浮點處理單元，6個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)的實時分析處理,，進行各電能質(zhì)量指標(biāo)計算,，并將計算結(jié)果傳送至上位機。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,，主要完成對風(fēng)電場的三相電壓電流以及風(fēng)速風(fēng)向進行采樣,，采樣數(shù)據(jù)發(fā)送至DSP進行實時分析處理。FPGA采用T2C35-V3,，主要實現(xiàn)整個系統(tǒng)的邏輯控制,，控制A/D采樣與芯片譯碼。
2 軟件設(shè)計
    從軟件設(shè)計角度看,，DSP系統(tǒng)主要完成實時數(shù)據(jù)的采集,、小波消噪和計算，同時通過CAN總線響應(yīng)上位機系統(tǒng)的通信請求,，把各種計算結(jié)果和信息傳送至上位機,，而上位機對整個系統(tǒng)進行控制和管理,，在需要數(shù)據(jù)的時候，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)計使大量的實時采樣和計算與系統(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,，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,，在一個周波內(nèi)實現(xiàn)對電壓電流,、風(fēng)速風(fēng)向8路信號的128個采樣點進行FFT分析。由FFT運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,，電壓短時閃變計算等測量結(jié)果，運算流程如圖3所示,。

3 小波消噪仿真
    小波消噪分為3個步驟進行：
    (1)信號的小波分解：本文選用db4小波進行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18軟閾值并進行量化處理,。
    (3)小波的重構(gòu),，即消噪后的信號恢復(fù)。
    假設(shè)疊加有白噪聲的待分析原始信號為：
   

    對上述存在噪聲的信號選用db4小波進行消噪處理后的結(jié)果如圖4(b)所示,。比較圖4中的(a)和(b)的信號可以看出,，用小波消噪可以較好地保存原信號中的高次諧波部分,，并且去掉了白噪聲。
    風(fēng)電場電能質(zhì)量實時監(jiān)測與分析,、管理是電能質(zhì)量監(jiān)測的一個的發(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。本文針對風(fēng)電場電能質(zhì)量監(jiān)測與分析實時性的特點,，設(shè)計了基于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,。
參考文獻(xiàn)
[1] Rahim bin Abdullah A,， Zuri bin Sha′ameri A. Real-Time Power Quality Monitoring System Based On TMS320CV5416 DSP Processor[C]. International Conference on Power Electronics and Drives Systems， 2005:1668-1672.
[2] Stephen G. Kochan. Programming inC[M].北京:電子工業(yè)出版社,，2006.
[3] 戴逸民,，梁曉雯，裴小平.基于DSP的現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計[M].北京:電子工業(yè)出版社,，2003.
[4] 張雄偉,，曹鐵勇.DSP芯片的原理與開發(fā)應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社，2000.
[5] 張德豐.Matlab小波分析與工程應(yīng)用[M].北京:國防工業(yè)出版社,，2008.
[6] 張勇,，曾君，王世聞,，等.風(fēng)力發(fā)電機組便攜式電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)[J].控制理論與應(yīng)用,，2008，25(2).
[7] 崔錦泰.小波分析導(dǎo)論[M].西安:西安交通大學(xué)出版社,，1995.