基于DSP的電能質量檢測裝置的軟件設計方法

三峽電力職業學院 徐金雄

基于DSP的電能質量檢測裝置的軟件設計方法

三峽電力職業學院 徐金雄

為有效地測量電能質量，提出一種基于DSP（數字信號處理器）的電能質量在線檢測裝置的軟件設計方法。該方法以芯片TMS320VC33為硬件基礎，結合模塊化設計理念，使得新設計結構簡潔，實時性好。

電能質量實時檢測；DSP；FFT算法

1.引言

微電子技術的發展使得各種電氣自動裝置廣泛應用，極大的提高了社會生產力，而這些裝置對于系統中電能質量的下降極為敏感，因此在生產實踐活動中出現許多嚴重事故，造成許多巨大的損失。現在如何提高電能質量，確保用電設備安全穩定的運行，已成為國內外廣泛關注的焦點之一。本文概述了電能質量問題的背景，較為全面的論述了電能質量問題的現象。重點放在了電能質量的測量上，從有關標準入手，分析了基于DSP新型電能質量監測裝置的軟件設計。

2.軟件開發流程與設計原則

2.1 軟件開發流程

DSP的開發工具包括代碼產生工具和代碼調試工具。代碼產生工具對用戶開發的高級語言或匯編語言源代碼進行編譯，生成可以在目標DSP上運行的可執行代碼。代碼調試工具根據調試者的命令觀察DSP的狀態，控制DSP代碼的執行，進行結果顯示，對用戶的代碼進行調試或性能測試。

TMS320C3X/C4X的C編譯器是一個功能齊全的優化的編譯器。它的主要功能是把標準的ANSIC語言程序轉換成TMS320C3X/C4X能夠識別執行的匯編語言代碼。采用優化編譯可以生成高效率的匯編代碼，從而提高程序的運行速度，減少目標代碼的長度，TMS320VC33軟件開發過程如圖1所示。

2.2 軟件設計原則

本系統軟件設計采用模塊化設計方法，針對本系統要實現的是對電力系統數據實時采集、分析計算，并做到在線監測的目的，在軟件設計上有以下原則：

實時性：電能質量監測裝置要實現的是對電網數據實時采集分析計算，既要不間斷的采集數據，還要在運行期間實現同步計算。

快速性：在硬件上要求采樣和計算芯片的高速性，軟件上要求算法的高效率，從而可以在每64點采樣間隔的時間內完成各個電能質量參數的計算和數據存儲，以能實現計算和采樣的同步性。

可擴展性：對于軟件系統來說，CCS的函數庫十分完善，軟件系統可通過對DSP程序的更新來達到算法的升級，例如在將來系統中可以引入小波變換的算法等進行數據分析，實現對瞬態電能質量的分析。

高效性：在設計能實現系統功能的軟件時，采用模塊化設計的方法，利于功能的調整，使程序簡潔明了。

3.系統流程圖介紹

3.1 DSP主程序流程圖

DSP主程序框圖如圖2所示。開機后DSP進入引導程序開始系統初始化。首先，為了使串口能夠配合ADS8364開始工作，要對其與DSP的串口進行設置。ADS83b4與DSP采用硬件相連，ADS8364的時鐘信號CLK也由DSP控制產生。在系統啟動后，ADS8364的/HOLDA、/HOLDB、/HOLDC管腳直接由鎖相倍頻電路的輸出和DSP外部標記管腳XF共同控制。在數據轉換結束時，ADS8364向DSP的/INTl管腳輸入低電平申請中斷，系統進入中斷服務程序，將采樣數據輸入DSP芯片，DSP在接收采樣數據結束后，對接收數據進行FFT運算和各種電能質量指標分析，在分析出現異常時進行相應的處理。

3.2 數據采集流程圖

數據采集程序框圖如圖3所示。系統運行后，ADS8364的數據輸出方式被確定為16位循環方式，其采樣頻率和過程由鎖相倍頻電路和DSP芯片共同控制。CD4046和CD4040組成鎖相倍頻電路，其中的CD4046對所要檢測的交流信號進行鎖相，然后進行128倍頻，如果系統設置為64次/周期采樣速率，則用分頻器CD4040對此信號進行2分頻后與DSP芯片共同控制ADS8364的/HOLDA，/HOLDB，/HOLDC管腳，這樣就可以保證每周期均勻采樣64點，避免了頻譜的泄漏。ADS8364的/EOC信號連接到DSP的中斷引腳/INT1上，在數據轉換結束時，引腳/EOC變為低電平，觸發/INT1中斷，進入中斷服務程序，由DSP控制ADS8364的/RD和/CS管腳，進行數據的讀操作。在讀取數據完6組數據后，由DSP的外部標記管腳XF向ADS8364發出復位信號，并關閉中斷。至此，數據采集結束。

圖1 TMS320VC33軟件開發過程

圖2 主程序流程圖

圖3 數據采集流程圖

圖4 數據處理流程圖

圖5 FFT數據倒位序流程圖

圖6 按時間抽選的基-2FFI算法流程

3.3 數據處理流程圖

數據處理部分主要對數據采集部分所得到的離散信號進行處理，運用各種算法實現電能質量指標以及其它電氣量的計算與分析。即進行時域的電壓擾動、頻率偏差、三相不平衡度，以及功率、電流等計算；而離散化信號經過FFT運算可實現其頻域內的基波和各次諧波分量的數值計算。

采樣數據處理如圖4所示。時域的離散值計算主要實現三相電壓、電流的有效值計算，即對64點采樣值進行均方根值計算。對于計算能力很強的DSP來講，其占用的處理時間很短，很容易實現。

在頻域的計算中，主要是進行FFT運算，該算法與傳統的DFT算法比較起來，大大減少了運算的次數，并可以由DSP完成。FFT算法有按時間抽選的基-2FFT算法(DIT)和按頻率抽選的基-2FFT算法(DFT)，在此采用按時間抽選的基-2FFT算法(DIT)來計算，并使其輸入為倒位序、輸出為自然順序。這樣FFT程序包括變址(倒位序)和L級遞推計算( N = 2L，L為正整數)兩大部分。

FFT變址(倒位序)流程圖如圖5所示。由圖5可知，在進行倒位序變址處理時，設A(I)表示存放原自然順序輸入數據的內存單元，A(J)表示存放倒位序數的內存單元，I，J=0.，1，2，…，N-1(N=64)。按倒位序規律，當I=J時，不用變址；當IJ時，就不需要變址，否則變址兩次等于不變址。

在實現倒位序轉換后，按時間抽選的基-2FFT算法流程圖如圖6所示。從圖中可知，FFT整個L級遞推過程由三個嵌套循環構成。外層的一個循環控制L( L = l og2N= l og64 = 6)級的順序運算；內層的兩個循環控制同一級(M相同)各碟形的運算，其中最內一層循環控制同一種(即 Wr中的r相同)碟形運算，而中間一層

N循環控制不同種碟形結的運算。I，IP是一個碟形結兩個結點。

針對電能質量監測系統的特殊要求，采用以上軟件設計，結合系統的硬件連接，可以實現對電能質量各項指標的實時采集和分析。并通過判據整定，記錄超差數值，為電力系統的運行狀況的改善提供科學依據。由于DSP的軟件編程有其本身的特點，在算法實現的過程中還注意了以下幾點：仔細研究DSP器件內部結構并靈活使用其指令系統，充分發揮了芯片的性能；盡可能使用并行指令、寄存器，用內部存儲器代替外部存儲器；應用單指令和塊重復結構，避免循環花費附加的時間；計算時盡量避免指令系統本身沒有提供的運算，在必須進行迭代運算時，注意迭代次數與計算精度的關系。

4.結論

本文在分析了電能質量的基本理論后，通過具體了解國內外現有監測儀器的結構、性能，選用了具有計算處理能力強、運算速度快等優點的DSP芯片，確定了電能質量監測系統的實施解決方案，重點進行系統軟件的優化設計。針對系統所要完成的功能，進行了主程序及實現各部分功能的子程序設計。首先考慮系統程序應該作到功能完善，盡量簡潔，以減少運行時間。其次為了既能實時采樣，還能實時分析，應用了中斷技術，盡量減少DSP主程序運行的時間開銷。

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徐金雄（1984—），湖北黃梅人，三峽電力職業學院助理講師，研究方向：電力系統自動化。