【正文】 BenQ M23 。雖然GPRS是作為現(xiàn)有GSM網(wǎng)絡(luò)向第三代移動(dòng)通信演變的過(guò)渡技術(shù)，但是它在許多方面都具有顯著的優(yōu)勢(shì)。此外，使用GPRS技術(shù)也十分經(jīng)濟(jì)，因?yàn)橹豁毨矛F(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)來(lái)即可。通俗地講，GPRS是一項(xiàng)高速數(shù)據(jù)處理的技術(shù)，方法是以分組的形式傳送資料到無(wú)線終端上。本文中的無(wú)線模塊采用了BenQ公司的M23GPRS無(wú)線模塊[43. BenQ M23A GSM/GPRS Wireless Module Technical Datasheet[M], BenQ Corporation, 2005, 2623]?？紤]到這種問(wèn)題，本文將GPRS無(wú)線傳輸方式引入了錄波設(shè)備的設(shè)計(jì)中。因此，可以方便地把NM7010A模塊看成是ARM的一個(gè)外擴(kuò)存儲(chǔ)器。 NM7010A以太網(wǎng)模塊電路設(shè)計(jì)原理圖 Circuit design schematic diagram of NM7010A Ethernet module在使用時(shí)通過(guò)ARM向以太網(wǎng)模塊寫(xiě)入數(shù)據(jù)，NM7010A便會(huì)自動(dòng)組織數(shù)據(jù)裝幀打包，遵守TCP/IP協(xié)議發(fā)送到以太網(wǎng)上去。支持MCU總線并行接口和I2C接口，由于內(nèi)嵌硬件以太網(wǎng)協(xié)議，所以將它與STR710數(shù)據(jù)總線相連把NM7010A簡(jiǎn)單地看 NM7010A以太網(wǎng)模塊結(jié)構(gòu)圖 Structure of NM7010A Ethernet module成一個(gè)外部存儲(chǔ)單元，對(duì)它進(jìn)行讀寫(xiě)數(shù)據(jù)操作以及有關(guān)的配置，而不必關(guān)心具體的以太網(wǎng)協(xié)議的實(shí)現(xiàn)。它涵蓋了TCP/IP MAC協(xié)議層、物理層和以太網(wǎng)連接器RJ45，支持10/100M ，可以很方便地接入以太網(wǎng)。本文直接選用WIZnet公司的NM7010A以太網(wǎng)模塊用極小的系統(tǒng)資源快速實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信功能。 以太網(wǎng)模塊STR710內(nèi)部沒(méi)有以太網(wǎng)控制器，要實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)功能并保證傳輸速率，主要有兩種方法，一是用ARM處理器運(yùn)行操作系統(tǒng)，使用系統(tǒng)自帶的TCP/IP協(xié)議棧，來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能，二是外擴(kuò)以太網(wǎng)控制模塊。I/O端口包括P0、PP2三個(gè)16位的端口，其他的外設(shè)接口引腳都與I/O端口的引腳功能復(fù)用。由于內(nèi)嵌ARM內(nèi)核，所以它與所有的ARM開(kāi)發(fā)工具和軟件兼容，同時(shí)ST公司還提供了一些軟件開(kāi)發(fā)包，使得開(kāi)發(fā)方便簡(jiǎn)單。這款芯片就是基于高性能的ARM7TDMI內(nèi)核的產(chǎn)品[41. STR71x Microcontroller Reference Manual[M], STMicroelectronics, 2004, 1621]，擁有豐富的外設(shè)和增強(qiáng)I/O功能。最成功的ARM內(nèi)核之一——ARM7TDMI，具有最高120 Dhrystone MIPS的性能、較高的代碼密度和低功耗等特點(diǎn)，使它成為嵌入式設(shè)備的最佳選擇。同時(shí)，ARM構(gòu)架又是面向低成本預(yù)算設(shè)計(jì)的第一款RISC處理器。這樣一來(lái)錄播設(shè)備就成為了DSP+ARM的設(shè)計(jì)體系。但是這一點(diǎn)卻是ARM處理器的強(qiáng)項(xiàng)。采用這種設(shè)計(jì)是出于保證錄波設(shè)備的實(shí)時(shí)性和精確性來(lái)考慮的。當(dāng)然它還有轉(zhuǎn)發(fā)遠(yuǎn)程監(jiān)控子系統(tǒng)下達(dá)的判據(jù)定制信息給信號(hào)處理模塊的功能。這樣一來(lái)就可以方便的存取32位數(shù)據(jù)信息了。這款芯片擁有256K 16bit的存儲(chǔ)能力，設(shè)計(jì)和使用都比較方便。 AD7656芯片工作時(shí)序圖 Time sequence diagram of AD7656AD7656采樣過(guò)程是DSP向CPLD發(fā)出訪問(wèn)ADC的信號(hào)，控制ADC完成采樣和轉(zhuǎn)換，具體過(guò)程是，首先將ADC芯片CONVSTx管腳置為高電平至少550ns，這時(shí)候ADC芯片會(huì)自動(dòng)完成采樣急轉(zhuǎn)換的工作，在此期間ADC會(huì)產(chǎn)生一個(gè)高電平BUSY信號(hào)，表示自己正在工作，接著，DSP就可以從ADC讀數(shù)據(jù)了，先產(chǎn)生低電平CS片選信號(hào)，再在RD讀信號(hào)低電平期間完成讀數(shù)據(jù)操作。兩片AD7656同時(shí)獲得的兩路轉(zhuǎn)換結(jié)果，分別作為數(shù)據(jù)總線上低16位和高16位直接送入DSP。AD7656支持并口和高速串口通信兩種方式，本設(shè)計(jì)為獲得較高的傳輸速率采用并口方式將轉(zhuǎn)換后的ADC數(shù)據(jù)線掛接到DSP數(shù)據(jù)總線上?！?，～，～。10V、177。AD7656具體參數(shù)為16位、23通道雙極性高阻模擬輸入，通道最高吞吐率可高達(dá)250ksps。該器件的功耗比最接近的同類雙極型ADC降低了60%，在每通道250kS/s的采樣速率下采樣精度 (177。它還包含一個(gè)低噪聲、寬帶采樣保持放大器(T/H)，以便處理輸入頻率高達(dá)8MHz的信號(hào)。 AD轉(zhuǎn)換電路AD7656是ADI公司生產(chǎn)的16位雙極性模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片[40. 250kSPS,6channel,simultaneous,Sampling,Bipolar 16bit AD7656[M], ANALOG DEVICES, 2006, 34]，它采用iCMOS工藝制造，是高集成度、6通道、16bit逐次逼近(SAR)型ADC。CPLD實(shí)現(xiàn)的控制信號(hào)包括：對(duì)DSP外部存儲(chǔ)空間的片選及讀寫(xiě)信號(hào)，軟件方式實(shí)現(xiàn)DSP看門(mén)狗，以及ADC的選通、啟動(dòng)和開(kāi)關(guān)量變化的檢測(cè)。其中頁(yè)選通信號(hào)是由芯片的地址線A22和A23經(jīng)過(guò)一碼產(chǎn)生的，外部存取選通信號(hào)也是由地址線決定的，RDY、HOLD是總線狀態(tài)的控制信號(hào)，R/W根據(jù)數(shù)據(jù)總線的輸入輸出狀態(tài)而取不同電平。TMS320C33采用了改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)[38. TMS320C33 Digital Signal Processor [M], Texas Instruments Incorporated, 2004,37]，首先是采用了獨(dú)立的程序總線和數(shù)據(jù)總線，但在程序總線和數(shù)據(jù)總線中采用了交叉連接，允許數(shù)據(jù)存放在程序存儲(chǔ)器中，并被算術(shù)運(yùn)算指令直接使用，增強(qiáng)了芯片的靈活性，提高了運(yùn)算速度，只要調(diào)度好連個(gè)獨(dú)立的總線就可使處理能力得到提高，實(shí)現(xiàn)全速運(yùn)行。、因此功耗比原有型號(hào)降低了大約一個(gè)數(shù)量級(jí)。TMS320C33 DSP芯片是TI公司的浮點(diǎn)處理器，是TMS320C3x系列的新一代浮點(diǎn)DSP。下面介紹詳細(xì)設(shè)計(jì)。有了信號(hào)處理模塊的這些任務(wù)，設(shè)計(jì)方向就比較明確了。 電壓信號(hào)調(diào)理電路原理圖 Schematic diagram ofvoltage regulation circuit 信號(hào)處理模塊設(shè)計(jì)信號(hào)處理模塊是整個(gè)錄波設(shè)備的核心，它負(fù)責(zé)數(shù)字測(cè)量算法的實(shí)施和信號(hào)的實(shí)時(shí)判據(jù)，錄波設(shè)備是否能正確判斷電力系統(tǒng)故障并且精確為故障點(diǎn)定時(shí)完全依靠信號(hào)處理模塊的處理能力。本系統(tǒng)選用兵字TV10131型微型精密交流電壓互感器，互感器變比為1:1。系統(tǒng)選用兵字TA1420立式穿芯小型精密交流電流互感器，互感器變比為6000：1，它具有全封閉、機(jī)械和耐環(huán)境性能好、電壓隔離能力強(qiáng)、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。這在很大程度上降低了系統(tǒng)復(fù)雜度和成本。與基于FIR濾波算法不同，在后續(xù)信號(hào)處理模塊采用的時(shí)頻分析方法分析得到電力信號(hào)中包含的不同頻段的頻率特征，這樣就可以省去在信號(hào)調(diào)理單元復(fù)雜的硬件濾波器設(shè)計(jì)，以濾除特定頻段范圍的高頻噪聲。 模擬前端電路在第三章中我們介紹了作為錄波判據(jù)依據(jù)的數(shù)字測(cè)量算法，這套算法的一些特性，一定程度上決定了信號(hào)調(diào)理模塊的設(shè)計(jì)。本章主要介紹信號(hào)處理模塊和通信調(diào)度模塊的設(shè)計(jì)，但是在這之前需要先了解一下信號(hào)調(diào)理模塊。在ARM端，由于數(shù)據(jù)保存的需要外擴(kuò)了非易失性存儲(chǔ)器NANDFLASH芯片。DSP內(nèi)部的存儲(chǔ)空間十分有限，因此需要片外存儲(chǔ)器的輔助，DSP計(jì)算過(guò)程中的數(shù)據(jù)保存在外擴(kuò)的SRAM芯片中。： 錄波設(shè)備整體結(jié)構(gòu)圖 Overall structure of power recorder，錄波設(shè)備采用DSP+ARM雙處理器[37. 鄭宏婕. 嚴(yán)桂. 基于DSP和ARM的電力故障錄波器的設(shè)計(jì)[J]，電測(cè)與儀表，2007，44(502)：4547]的體系結(jié)構(gòu)，兩個(gè)處理的地位平等，通過(guò)雙端口RAM進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，相互獨(dú)立互不影響，保證了DSP的快速運(yùn)行和ARM對(duì)數(shù)據(jù)通信的調(diào)度管理。其中硬件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)主要在信號(hào)處理模塊和通信調(diào)度模塊上。內(nèi)容包括錄播設(shè)備整體設(shè)計(jì)框圖、主要部分芯片選型、各功能模塊設(shè)計(jì)等。其次，本章提出了電力系統(tǒng)故障實(shí)時(shí)錄波通信系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，并對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)和各個(gè)模塊的功能作了簡(jiǎn)單的闡述。這些測(cè)量算法是在對(duì)電能質(zhì)量國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)深入研究的基礎(chǔ)上，以電能質(zhì)量衡量方法的計(jì)算要求為思路提出的。通信模塊集成了以太網(wǎng)、GPRS無(wú)線網(wǎng)、CAN總線、485總線等通信方式與設(shè)備結(jié)點(diǎn)通信，用戶可以根據(jù)條件選擇其中的一種或多種。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息共享，相關(guān)人員也可以訪問(wèn)服務(wù)器上的故障記錄，做進(jìn)一步的故障分析。 通信調(diào)度模塊結(jié)構(gòu)圖Fig Stucture of munication scheduling module 遠(yuǎn)程監(jiān)控子系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控子系統(tǒng)由數(shù)據(jù)服務(wù)器及網(wǎng)絡(luò)客戶端組成。通信調(diào)度的核心任務(wù)主要是負(fù)責(zé)一系列事務(wù)性的處理工作，在這方面ARM微處理器具有明顯的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，它負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)處理單元的故障記錄，然后把數(shù)據(jù)緩存到FLASH中，同時(shí)通過(guò)以太網(wǎng)、CAN總線、485總線等通信接口上傳至上位機(jī)，供專家進(jìn)一步的故障分析。那么這部分功能就是由通信調(diào)度模塊來(lái)管理里。信號(hào)處理模塊的數(shù)據(jù)通過(guò)DPRAM芯片與通信調(diào)度模塊交換。為保證模塊的精確性，選用了ADI公司的AD7656芯片作為模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。信號(hào)處理模塊必須具有實(shí)時(shí)性與精確性的特點(diǎn)，能夠快速完成作為判據(jù)依據(jù)的數(shù)字測(cè)量算法，對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與分析，并在電力系統(tǒng)故障時(shí)快速準(zhǔn)確地對(duì)故障數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。本系統(tǒng)中每個(gè)錄波設(shè)備支持同時(shí)分析8路模擬量，包括4路電流信號(hào)和4路電壓信號(hào)，并支持32路開(kāi)頭量采集，來(lái)監(jiān)測(cè)開(kāi)關(guān)變位情況。 信號(hào)調(diào)理模塊信號(hào)調(diào)理模塊的功能是負(fù)責(zé)電力系統(tǒng)數(shù)字量與模擬量信號(hào)的隔離與變換以供信號(hào)處理模板進(jìn)行采樣，對(duì)模擬量還要進(jìn)行濾波處理，以消除5kHz以上的干擾?？紤]到錄波子系統(tǒng)的功能要求，它的設(shè)計(jì)主要以信號(hào)處理和數(shù)據(jù)調(diào)度為主，并附有一定的控制功能。 錄波子系統(tǒng)錄波子系統(tǒng)有多個(gè)錄波設(shè)備節(jié)點(diǎn)組成，工作在電力系統(tǒng)的各個(gè)點(diǎn)上。GPS對(duì)時(shí)系統(tǒng)包含在錄波子系統(tǒng)當(dāng)中，提供了標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一時(shí)間，保證整個(gè)系統(tǒng)時(shí)間同步。錄播子系統(tǒng)與遠(yuǎn)程監(jiān)控子系統(tǒng)構(gòu)成C/S模式。錄波子系統(tǒng)分布在電力系統(tǒng)的各點(diǎn)上，對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行多點(diǎn)故障診斷[36. 肖馳. 電力系統(tǒng)振蕩實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)研究[D]，山東，山東大學(xué)，2005]，記錄故障發(fā)生時(shí)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)電參量及開(kāi)關(guān)量的狀態(tài)。其選擇原則是： 適應(yīng)分析數(shù)據(jù)的要求、滿足運(yùn)行部門(mén)故障分析和系統(tǒng)分析的需要、盡可能只記錄和輸出滿足實(shí)際需要的數(shù)據(jù)、各安裝點(diǎn)記錄及輸出的數(shù)據(jù)，應(yīng)能在時(shí)間上同步，以適應(yīng)集中處理系統(tǒng)全部信息的要求。 所記錄的數(shù)據(jù)可靠安全、滿足要求、不失真?，F(xiàn)將電力系統(tǒng)故障錄播通信系統(tǒng)所應(yīng)滿足的要求總結(jié)如下：當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生大擾動(dòng)，包括在遠(yuǎn)方故障時(shí)，能自動(dòng)地對(duì)擾動(dòng)的全過(guò)程按要求進(jìn)行記錄，并當(dāng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程基本終止后，自動(dòng)停止記錄。這樣就可以避免頻率偏移對(duì)電壓擾動(dòng)算法的影響，保證測(cè)量的準(zhǔn)確性。但是此時(shí)電力信號(hào)可能并沒(méi)有出現(xiàn)很大的突變，錄波設(shè)備可能會(huì)誤動(dòng)。不過(guò)使用式(343)來(lái)對(duì)突變量進(jìn)行測(cè)量存在缺陷。可用數(shù)學(xué)公式表達(dá)為： (343)式中——相電壓突變量；——相電壓當(dāng)前周期瞬時(shí)值；——與對(duì)應(yīng)的前一周期相電壓瞬時(shí)值；——每周期的采樣點(diǎn)數(shù)。以相電壓擾動(dòng)引起的突變量測(cè)量為例，當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，電壓是穩(wěn)定的，或者說(shuō)負(fù)荷雖時(shí)時(shí)有變化，但不會(huì)在一個(gè)工頻周期這樣短的時(shí)間內(nèi)突然變化發(fā)生很大變化，因此兩周期對(duì)應(yīng)點(diǎn)的電壓應(yīng)當(dāng)接近相等，突變量等于或近似等于零。因此需要有一種算法和Fourier變換配合使用來(lái)對(duì)電力信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。 電壓擾動(dòng)測(cè)量，電力信號(hào)中除包含各次諧波外還伴隨著各種干擾與突變，為了正確反映信號(hào)的突變時(shí)刻的頻率成分，就要求我們?cè)诜治鲭娏π盘?hào)時(shí)要進(jìn)行突變量[35. 張志剛. 王憲杰. 多通道高速數(shù)據(jù)采集故障錄波裝置[J]，電測(cè)與儀表，2002，39(3)：1721]的分析。第二種方法就是直接把式(340)離散化，用離散求和的方法代替積分運(yùn)算，可以得到： (342)式中——電壓u在第s個(gè)采樣點(diǎn)處的采樣值； ——每周期的采樣點(diǎn)數(shù)。電壓有效值(即均方根值)的定義為： (340)由式(340)可以導(dǎo)出有效值的兩種計(jì)算方法：第一種是直接把式(339)代入式(340)中并離散化，可以求出： (341)式中——k次諧波有效值。 電壓有效值測(cè)量為了測(cè)量電壓偏差，需要進(jìn)行電壓有效值計(jì)算。 (a) 正序分量 (b) 負(fù)序分量 (c) 零序分量 三相不對(duì)稱向量對(duì)應(yīng)的三組對(duì)稱分量Fig Corresponding three symmetrical ponent of threephase unbalance vector在實(shí)際應(yīng)用中，向量、來(lái)自迭代DFT的結(jié)果，它們表示三相電量的基波分量。由電工學(xué)知識(shí)可知，與、這三個(gè)向量分別稱為零序、正序與負(fù)序。則根據(jù)式(332)、 (333)(a)來(lái)表示。不同時(shí)滿足這三個(gè)條件的是不對(duì)稱三相系統(tǒng)。三相系統(tǒng)可以分為對(duì)稱三相系統(tǒng)和不對(duì)稱三相系統(tǒng)。由式(23)、(24)可知，要計(jì)算三相不平衡度，必須計(jì)算出正序和負(fù)序的有效值。即： (326)令： (327)利用r對(duì)式(323)、(324)進(jìn)行修正，得： (328)根據(jù)式(318)我們最終得到系統(tǒng)實(shí)際頻率為： (329)這種頻率測(cè)量算法具有較強(qiáng)的抗干擾能力，在實(shí)際使用中需要的諧波分量的實(shí)部虛部可以利用迭代DFT運(yùn)算的結(jié)果，并采用自適應(yīng)采樣，可以保證運(yùn)算的實(shí)時(shí)性和精確性。因此我們需要對(duì)算法做一定的修正[33. 唐建輝. 胡敏強(qiáng). 吳在軍. 一種基于修正采樣序列的電力系統(tǒng)頻率測(cè)量方法[J]，電力系統(tǒng)及自動(dòng)化