智能配电网监测系统的实现

摘  要：本文介绍了一种以ADC与DSP处理器相结合为基础的高可靠性配电网监测系统，该系统不仅硬件设计简洁，而且可靠性高、测量速度快。
关键词：电能质量；FFT；频谱泄漏；栅栏效应；谐波

引言
    电能质量是衡量电网质量的标准，电能质量问题包含电压凹陷（sag）、电压隆起（swell）、尖峰脉冲（spikes）、谐波畸变（harmonic aberration）和电气噪声(electric yawp)等，其中对电能质量影响最大的就是谐波畸变。因此，本系统的设计就是以对谐波畸变分析为主要目的。这方面的研究比较多，而且也开发出了相应的设备。以往的配电网监测设备多以51、96系列单片机为处理器，在精度和速度方面都不能满足电力系统的要求，还有就是用TI公司的DSP作为处理器，并配合ADC来完成系统设计。

    ADI公司先后上市了ADE7753、ADE7758等电力测量专用芯片，并成功地将它们应用到电网当中。最近，ADI公司又推出了高性能的强强组合，即DSP＋ADC的电力测量方案。此监控系统就是采用这一组合实现的。

图1 系统硬件设计框图

图2 软件框图

ADC简介
    AD73360是ADI公司推出的一款专门应用于电能质量监测的IC，与一般ADC相比，AD73360有如下优势：6路独立的A/D转换通道，不仅互不干扰，而且严格保证采样同步；高精度，6个16位转换精度转换通道非常适合电能质量监测的需要。采样速率可在8KHz、16KHz、32KHz范围内编程设置，适应范围广。AD73360为适应不同的场合提供了直流/交流、单端/差动4种不同的输入方式；采用串行接口，与DSP芯片的连接非常简单。

    无论从精度、速度、采样路数或者同步采样的实现来考虑，在电力监测系统中使用AD73360都是比较理想的选择。
　　
DSP简介
    系统采用的DSP处理芯片ADSP2191M是ADI公司的16位定点DSP。ADSP2191M处理器具有的资源概括如下：可访问的存储空间大小为16M words，分为256页，每页的大小为64K words，其中第0页是内部RAM，第255页是内部ROM，其它空间被分为4个部分，并由ms0~ms3进行选择。有256页I/O存储区间，每页的大小为1K words，其中前8页为内部I/O存储区间，其它为外部I/O存储区间。处理器有一个主机接口、3个同步串行接口、两个SPI接口、16个可编程标志引脚、1个异步串行接口和3个32位定时器。

    与AD73360连接必须采用串行总线方式，ADSP2191M就有3个这样的同步串口。
　　
硬件电路设计
    整个系统的硬件设计以ADSP2191M和AD73360为核心，再配以周边电路完成。硬件设计的框图如图1所示。

    由图1可以看出，系统的硬件设计非常简单，而且没有最麻烦的同步保持电路和系统存储空间的扩展。这是因为AD73360能够实现多通道的同步转换，免除了同步保持电路的设计、ADSP2191M内部具有64K RAM，能够满足系统设计的要求。在系统硬件设计中，传感器用来将配电网参数的电能信号转化为ADC的输入信号，然后送到AD73360进行同步采样，转换后的采样数据通过同步串口传入DSP处理器，进行数据处理、谐波分析和其它操作。最后，处理器将分析结果送到LCD进行显示，并通过串口送到PC进行相应的处理。Flash用来存放系统代码。

    整个系统设计中，Flash和LCD为基本的系统扩展，异步串口为基本的开发，这里只介绍一下DSP处理器与ADC的连接。它们必须通过串行接口，其中ADSP2191M为6线串行方式，而AD73360为5线的串行方式，它们的区别在于前者的串行时钟分为串口发送时钟和串口接收时钟，是彼此独立的，而后者合二为一。比较时序图会发现，二者时序基本相同，但要控制AD73360，处理器还必须能够满足下面的要求：串口工作方式可设置为外部时钟模式，串口字长可达到16bit，发送和接收的每个字都有同步帧信号，对处理器而言，接收同步帧信号为输入信号，发送同步帧信号为输入信号，帧同步信号产生在串口字高位出现的前一个时钟周期，帧同步信号为高有效。

    作为AD73360的同类处理器，ADSP2191M可以通过设置轻易地达到上述要求。

图3 硬件系统分析与理论分析对比

系统软件设计
    系统的软件设计比较复杂，分为A/D采样控制、LCD控制、串口传输、数据处理和谐波分析算法等几个部分。整个软件框图如图2所示。

    其中，谐波分析算法代码量最大，也最重要，系统对配电网电能质量的分析就由它来完成；Flash驱动代码用于对Stm29w040进行驱动，它不在系统监测中使用，而是用来实现程序代码的下载。在系统开发代码的语言选择上，采用DSP汇编语言和C语言相结合的方式，以C语言为主，汇编语言为辅。

    219x_int_tab.asm文件的处理：在介绍整个系统流程之前，先介绍一下219x_int_tab.asm文件。当软件主函数存在于C文件的时候，219x_int_tab.asm 文件被系统默认为项目的一部分，并对项目进行中断向量初始化。当中断发生后，程序指针跳转到该文件的相应位置，通过___lib_int_determiner函数来寻找中断服务程序的入口，一旦找不到服务程序入口，就会造成程序死锁，无法正常运行，而采用C语言实现中断函数比较复杂。为了提高系统开发速度，减少系统程序代码，系统开发时要先对219x_int_tab.asm中的中断向量表进行修改，将中断服务程序入口直接给中断向量表就可以完成该函数的功能。系统软件的开发工具为ViusalDSP＋＋3.0。

    在软件设计中，最重要的是谐波分析算法的设计。因为它是软件设计的核心，不仅代码量比较大，而且也是系统测量精度的决定性因素之一。本方案采用成熟的FFT（快速傅立叶算法）作为系统的谐波分析算法，同时，为了抑制FFT算法自身的栅栏效应和频谱泄露问题，加入了汉宁窗和插值算法。由于代码量较大，这里就不给出源代码了。

    在系统的软件设计中，用到了两个中断：同步串口发送中断和同步串口接收中断。前者用来实现对AD73360的配置，后者用来实现从AD73360读取转换后的采样数据。它们的代码也不在此详述了。

    除此之外，系统还开发了异步串口、可编程标志引脚和LCD控制等待，使整个系统更加智能化、人性化。这里就不一一介绍了。

系统分析与软件分析的比较
    系统开发完毕后，为了对系统分析的结果进行检测，使用与软件分析进行比较的方法。将时域原始数据导入Matlab软件，通过该软件内的FFT算法对数据进行分析，可以得到一组相应的时域波形、幅值谱和相位谱图形。将这些图形与系统硬件分析在DSP系统中所得到的对应图型进行比较，就可以看出本设计的硬件系统分析与理论分析的差异。图3就是这些图形的对比情况。

    DSP硬件系统与Matlab软件所分析的原始数据是相同的，但是它们所采用的分析方法是不同的：一个是系统开发的算法、一个是软件自带的工具，所以，可以通过对比来审核开发系统算法的可靠性。可以看出，在对比图中，开发系统得到的时域信号的波形和幅值、相位谱与Matlab软件的分析结果具有相当的一致性。限于篇幅，最终的分析数据不再详述了。

    为了比较系统的可信度，可采用多次分析的方法，分析比较数据可以看出，虽然采用不同的分析系统，但是二者结果误差很小，基本相同，这就说明系统的硬件监测结果有相当的可靠性。

结语
以AD73360和ADSP2191M处理器为系统硬件核心，系统具有如下特点：
•系统硬件设计简洁，不仅容易实现而且成本较低。
•系统没有外部扩展SRAM，对硬件要求比较低。
•使用DSP处理器未用接口资源，系统软件方便升级。
•系统的软件设计采用汇编和C语言相结合的方法和加窗插值FFT算法，可以提高代码的开发速度和系统整体的测量精度。由比较结果来看，该方案符合电力系统的要求，可靠性高，而且至少可以满足每周期160点的实时采样