摘 要: 設(shè)計(jì)了一種基于title="DSP" target="_blank">DSP的風(fēng)電場(chǎng)電能質(zhì)量檢測(cè)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(chǎng);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(cè)成為風(fēng)電場(chǎng)的研究熱點(diǎn)。風(fēng)電場(chǎng)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(cè)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(cè)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(chǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)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(chǎng)運(yùn)行過程中各性能指標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),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(chǎng)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(chǎng)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(qǐng)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(qǐng)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(cè)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(chǎng)電能質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與分析、管理是電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)的一個(gè)的發(fā)展方向,其中風(fēng)電場(chǎng)暫態(tài)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)是大力發(fā)展的重點(diǎn)。本文針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)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(cè)裝置,以及基于小波變換與高速DSP的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)方法。
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