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基于PROFIBUS開(kāi)發(fā)的FTU及同步采樣方法的研究
摘要：介紹了基于PROFIBUS現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)、DSP技術(shù)和交流同步采樣技術(shù)研制的FTU（饋電自動(dòng)化終端單元）。重點(diǎn)探討了PROFIBUS現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)及交流同步采樣技術(shù)在系統中的應用及實(shí)現。電力系統由發(fā)電、輸電、變電、配電及用電等多個(gè)環(huán)節組成。配電環(huán)節以其不可取代的地位越來(lái)越受到人們的關(guān)注，如何利用現有的技術(shù)來(lái)提高配電自動(dòng)化的水平已成為當前設計人員所關(guān)注的重點(diǎn)。
PROFIBUS-DP是一種國際性的開(kāi)放式現場(chǎng)總線(xiàn)標準，專(zhuān)為自動(dòng)控制系統和設備級分散I/O之間的通信而設計。它性能穩定、傳輸速度高、價(jià)格低廉，具有非常好的應用前景。傳統的FTU（Feeder Terminal Unit，即饋電自動(dòng)化終端單元）的通訊接口大多基于通用異步串口實(shí)現，通訊協(xié)議多種多樣，因此存在著(zhù)通訊速度慢、協(xié)議不規范、不開(kāi)放等缺點(diǎn)，而現場(chǎng)總線(xiàn)正好可解決此問(wèn)題。為此，基于PROFIBUS現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)、交流同步采樣技術(shù)和DSP技術(shù)等，研制了一種雙回線(xiàn)多功能FTU。該FTU除了具有傳統的三遙功能外，還具有故障錄波、諧波分析、SOE（事件順序記錄）、電源品質(zhì)監測等功能。所有檢測數據可通過(guò)由SPC3協(xié)議芯片實(shí)現的PROFIBUS-DP現場(chǎng)總線(xiàn)接口傳送給主站，以滿(mǎn)足配電自動(dòng)化系統的高集成度、智能化、網(wǎng)絡(luò )化和信息化的要求。
1 數據處理算法及同步采樣方法
1.1 FFT算法的選擇與實(shí)現
諧波分析的經(jīng)典方法是傅立葉分析方法�？焖俑盗⑷~變換（FFT）作為系統的構心算法，其速度直接影響著(zhù)系統的速度。這里采用是基二時(shí)間抽�。―IT）FFT算法。由于系統的采樣值是電壓和電流，都為實(shí)函數，為提高運算速度，根據FFT的奇、偶、虛、實(shí)時(shí)稱(chēng)特性，把兩個(gè)通道的采樣值組成一個(gè)復數數據同時(shí)進(jìn)行計算，從而同時(shí)得到兩個(gè)通道的各次諧波值。這樣不僅內存空間節省了一半，而且速度又可提高近1倍。并且對三角函數進(jìn)行了預先計算，求出了正弦函數在一個(gè)周波內N個(gè)采樣點(diǎn)的值，并存儲在一個(gè)數組內，而余弦函數的值可由滯后四分之一周期的正弦函數值得到。這樣避免了每次對正弦函數和余弦函數的繁瑣計算，提高了速度。
1.2 同步采樣的實(shí)現
由于FFT是一種對非周期信號在周期延拓后進(jìn)行的變換，所以采樣點(diǎn)必須均勻分布在一個(gè)信號周期內，而且正交樣品函數的周期應和信號的周期嚴格一致，即應當實(shí)現嚴格的同步采樣。否則會(huì )引起信號的頻譜泄漏，帶來(lái)很大的測量誤差，特別是對高頻分量，計算出來(lái)的值可信度極低。這一點(diǎn)從表1的仿真數據中可清楚地看郵。傳統同步采樣方法主要分為硬件同步和軟件同步兩大類(lèi)。硬件同步方法是用鎖相環(huán)實(shí)時(shí)跟蹤信號基波頻率的變化，實(shí)時(shí)調整采樣頻率，
實(shí)現同步采樣。它是一種預防式方法，硬件結構復雜，當信號有較大的畸變或者有強噪聲時(shí)，誤差較大，可靠性不高。軟件同步方法是一種初償式方法，主要采用準同步采樣、尋找過(guò)零點(diǎn)、加窗插值等步驟對原始采樣數據進(jìn)行重新采樣或修正。這種技術(shù)雖然在很大程度上能消除頻譜泄漏等非步誤差的影響，但需要存儲容量大，計算復雜費時(shí)，難以滿(mǎn)足實(shí)時(shí)系統的要求；而且當信號有較大的畸變或者有強噪聲時(shí)，尋找過(guò)零點(diǎn)亦存在誤差問(wèn)題。為此本文采用一種變采樣率同步采樣方法，原理如下：
當信號頻率與樣品函數的頻率有偏差時(shí)，信號與樣品函數的相位會(huì )不斷改變，如圖1所示。圖中，實(shí)線(xiàn)為信號波形（基波），虛線(xiàn)為樣品函數波形。設相鄰的兩個(gè)樣位差分別是φ1和φ2，則
Δφ=φ2-φ1
ΔT=Tk3·Δφ/2π
Tk 1=Tk ΔT
式中，ΔT為采樣周期修正量，Tk 1為下一個(gè)采樣周期。若采樣點(diǎn)取為N個(gè)，則信號的周期T=N×Tk 1，于是可計算出信號的頻率為：
f=1/(N×Tk 1)
同步采樣流程如圖2所示。
表1為該方法的仿真數據。數據表明這種方法可以在一到兩次修正后快速地跟蹤信號的頻率變化，達到同步采樣的目的。此種方法的優(yōu)點(diǎn)是硬件結構簡(jiǎn)單，不需要復雜的鎖相或測頻電路；同時(shí)計算簡(jiǎn)單快速，存儲容量��；而且因為FFT具有濾波特性，在信號較大的畸變或者強噪聲時(shí)，可以克服尋找過(guò)零點(diǎn)時(shí)的誤差問(wèn)題。這種方法的缺點(diǎn)是每次補償需要兩個(gè)周期，且只有存在偏差時(shí)才能進(jìn)行修正，有一定的滯后，當頻率變化較大或者變化頻率時(shí)，會(huì )造成一定的誤差。但在實(shí)際的電網(wǎng)中，電網(wǎng)容量一般較大，頻率變化緩慢，若被測電源系統頻率變化率為每秒0.125Hz，即每秒0.25%，則每?jì)芍芷诘淖兓挥?.0025/25=0.0001。從仿真數據第10行可看出，基波的設計誤差小于0.01%，二次諧波計算誤差為0.12%，所以此種同步測量方法完全可以滿(mǎn)足實(shí)際要求。
表1 仿真數據
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