智能配電網監測系統的實現

摘要：本文介紹了一種以ADC與DSP處理器相結合為基礎的高可靠性配電網監測系統，該系統不僅硬件設計簡潔，而且可靠性高、測量速度快。
關鍵詞：電能質量；FFT；頻譜泄漏；柵欄效應；諧波

引言
電能質量是衡量電網質量的標準，電能質量問題包含電壓凹陷（sag）、電壓隆起（swell）、尖峰脈沖（spikes）、諧波畸變（harmonic aberration）和電氣噪聲(electric yawp)等，其中對電能質量影響最大的就是諧波畸變。因此，本系統的設計就是以對諧波畸變分析為主要目的。這方面的研究比較多，而且也開發出了相應的設備。以往的配電網監測設備多以51、96系列單片機為處理器，在精度和速度方面都不能滿足電力系統的要求，還有就是用TI公司的DSP作為處理器，并配合ADC來完成系統設計。

ADI公司先后上市了ADE7753、ADE7758等電力測量專用芯片，并成功地將它們應用到電網當中。最近，ADI公司又推出了高性能的強強組合，即DSP＋ADC的電力測量方案。此監控系統就是采用這一組合實現的。

圖1 系統硬件設計框圖

圖2 軟件框圖

ADC簡介
AD73360是ADI公司推出的一款專門應用于電能質量監測的IC，與一般ADC相比，AD73360有如下優勢：6路獨立的A/D轉換通道，不僅互不干擾，而且嚴格保證采樣同步；高精度，6個16位轉換精度轉換通道非常適合電能質量監測的需要。采樣速率可在8KHz、16KHz、32KHz范圍內編程設置，適應范圍廣。AD73360為適應不同的場合提供了直流/交流、單端/差動4種不同的輸入方式；采用串行接口，與DSP芯片的連接非常簡單。

無論從精度、速度、采樣路數或者同步采樣的實現來考慮，在電力監測系統中使用AD73360都是比較理想的選擇。
　　
DSP簡介
系統采用的DSP處理芯片ADSP2191M是ADI公司的16位定點DSP。ADSP2191M處理器具有的資源概括如下：可訪問的存儲空間大小為16M words，分為256頁，每頁的大小為64K words，其中第0頁是內部RAM，第255頁是內部ROM，其它空間被分為4個部分，并由ms0~ms3進行選擇。有256頁I/O存儲區間，每頁的大小為1K words，其中前8頁為內部I/O存儲區間，其它為外部I/O存儲區間。處理器有一個主機接口、3個同步串行接口、兩個SPI接口、16個可編程標志引腳、1個異步串行接口和3個32位定時器。

與AD73360連接必須采用串行總線方式，ADSP2191M就有3個這樣的同步串口。
　　
硬件電路設計
整個系統的硬件設計以ADSP2191M和AD73360為核心，再配以周邊電路完成。硬件設計的框圖如圖1所示。

由圖1可以看出，系統的硬件設計非常簡單，而且沒有最麻煩的同步保持電路和系統存儲空間的擴展。這是因為AD73360能夠實現多通道的同步轉換，免除了同步保持電路的設計、ADSP2191M內部具有64K RAM，能夠滿足系統設計的要求。在系統硬件設計中，傳感器用來將配電網參數的電能信號轉化為ADC的輸入信號，然后送到AD73360進行同步采樣，轉換后的采樣數據通過同步串口傳入DSP處理器，進行數據處理、諧波分析和其它操作。最后，處理器將分析結果送到LCD進行顯示，并通過串口送到PC進行相應的處理。Flash用來存放系統代碼。

整個系統設計中，Flash和LCD為基本的系統擴展，異步串口為基本的開發，這里只介紹一下DSP處理器與ADC的連接。它們必須通過串行接口，其中ADSP2191M為6線串行方式，而AD73360為5線的串行方式，它們的區別在于前者的串行時鐘分為串口發送時鐘和串口接收時鐘，是彼此獨立的，而后者合二為一。比較時序圖會發現，二者時序基本相同，但要控制AD73360，處理器還必須能夠滿足下面的要求：串口工作方式可設置為外部時鐘模式，串口字長可達到16bit，發送和接收的每個字都有同步幀信號，對處理器而言，接收同步幀信號為輸入信號，發送同步幀信號為輸入信號，幀同步信號產生在串口字高位出現的前一個時鐘周期，幀同步信號為高有效。

作為AD73360的同類處理器，ADSP2191M可以通過設置輕易地達到上述要求。

圖3 硬件系統分析與理論分析對比

系統軟件設計
系統的軟件設計比較復雜，分為A/D采樣控制、LCD控制、串口傳輸、數據處理和諧波分析算法等幾個部分。整個軟件框圖如圖2所示。

其中，諧波分析算法代碼量最大，也最重要，系統對配電網電能質量的分析就由它來完成；Flash驅動代碼用于對Stm29w040進行驅動，它不在系統監測中使用，而是用來實現程序代碼的下載。在系統開發代碼的語言選擇上，采用DSP匯編語言和C語言相結合的方式，以C語言為主，匯編語言為輔。

219x_int_tab.asm文件的處理：在介紹整個系統流程之前，先介紹一下219x_int_tab.asm文件。當軟件主函數存在于C文件的時候，219x_int_tab.asm 文件被系統默認為項目的一部分，并對項目進行中斷向量初始化。當中斷發生后，程序指針跳轉到該文件的相應位置，通過___lib_int_determiner函數來尋找中斷服務程序的入口，一旦找不到服務程序入口，就會造成程序死鎖，無法正常運行，而采用C語言實現中斷函數比較復雜。為了提高系統開發速度，減少系統程序代碼，系統開發時要先對219x_int_tab.asm中的中斷向量表進行修改，將中斷服務程序入口直接給中斷向量表就可以完成該函數的功能。系統軟件的開發工具為ViusalDSP＋＋3.0。

在軟件設計中，最重要的是諧波分析算法的設計。因為它是軟件設計的核心，不僅代碼量比較大，而且也是系統測量精度的決定性因素之一。本方案采用成熟的FFT（快速傅立葉算法）作為系統的諧波分析算法，同時，為了抑制FFT算法自身的柵欄效應和頻譜泄露問題，加入了漢寧窗和插值算法。由于代碼量較大，這里就不給出源代碼了。

在系統的軟件設計中，用到了兩個中斷：同步串口發送中斷和同步串口接收中斷。前者用來實現對AD73360的配置，后者用來實現從AD73360讀取轉換后的采樣數據。它們的代碼也不在此詳述了。

除此之外，系統還開發了異步串口、可編程標志引腳和LCD控制等待，使整個系統更加智能化、人性化。這里就不一一介紹了。

系統分析與軟件分析的比較
系統開發完畢后，為了對系統分析的結果進行檢測，使用與軟件分析進行比較的方法。將時域原始數據導入Matlab軟件，通過該軟件內的FFT算法對數據進行分析，可以得到一組相應的時域波形、幅值譜和相位譜圖形。將這些圖形與系統硬件分析在DSP系統中所得到的對應圖型進行比較，就可以看出本設計的硬件系統分析與理論分析的差異。圖3就是這些圖形的對比情況。

DSP硬件系統與Matlab軟件所分析的原始數據是相同的，但是它們所采用的分析方法是不同的：一個是系統開發的算法、一個是軟件自帶的工具，所以，可以通過對比來審核開發系統算法的可靠性?？梢钥闯?，在對比圖中，開發系統得到的時域信號的波形和幅值、相位譜與Matlab軟件的分析結果具有相當的一致性。限于篇幅，最終的分析數據不再詳述了。

為了比較系統的可信度，可采用多次分析的方法，分析比較數據可以看出，雖然采用不同的分析系統，但是二者結果誤差很小，基本相同，這就說明系統的硬件監測結果有相當的可靠性。

結語
以AD73360和ADSP2191M處理器為系統硬件核心，系統具有如下特點：
系統硬件設計簡潔，不僅容易實現而且成本較低。
系統沒有外部擴展SRAM，對硬件要求比較低。
使用DSP處理器未用接口資源，系統軟件方便升級。
系統的軟件設計采用匯編和C語言相結合的方法和加窗插值FFT算法，可以提高代碼的開發速度和系統整體的測量精度。由比較結果來看，該方案符合電力系統的要求，可靠性高，而且至少可以滿足每周期160點的實時采樣