【正文】 連的物理硬件接口。]1[2 圖 34 神經(jīng)元芯片處理器功能 處理器 1為介質(zhì)訪問控制處理器（MAC） ，處理器 2為網(wǎng)絡處理器，處理器3為應用處理器。神經(jīng)元芯片內(nèi)部含有 3 個 8 位流水線作業(yè)的微處理器。]13[6 神經(jīng)元芯片的 CPU及 I/O功能使用 CMOS CLSI 技術制造的神經(jīng)元芯片是 LonWorks 總線技術的核心。在兩種芯片靜態(tài) RAM 中（2K 和 1K） ，設有數(shù)據(jù)堆棧，存儲有應用程序和系統(tǒng)數(shù)據(jù)，并開辟有 LonTalk 協(xié)議中的網(wǎng)絡緩沖區(qū)和應用緩沖區(qū) 。3120 本身為一完整的最小系統(tǒng)，它支持小型應用程序，適用于簡單的低成本系統(tǒng)；3150 芯片支持外部存儲器，可進行軟件的擴展，適用于大型復雜系統(tǒng)；兩種神經(jīng)元芯片主要硬件資源配置和結構框圖如表 32 和圖 33 所示。即處理所有LonTalk 通信協(xié)議消息，傳感信號輸入和控制信號輸出，實現(xiàn)各種應用功能等。一個典型的節(jié)點是以 Neurons 神經(jīng)元芯片為核心，外加供電電源電路、通過網(wǎng)絡介質(zhì)通信的收發(fā)器、擴展內(nèi)存（只有 3150 芯片具有） 、時鐘電路及 I/O電路、復位電路、安裝服務電路及被監(jiān)控設備接口的應用電路組成。Neuron 芯片具備通信和控制功能。網(wǎng)絡結構 能夠使用所有的網(wǎng)絡結構，如主從式、對等式以及客戶/服務式。LonWorks 技術在一個測控網(wǎng)絡上的節(jié)點可達 32022 個。LonWorks 網(wǎng)絡技術稱之為“網(wǎng)絡變量” ，它使網(wǎng)絡通信的設計簡化為參數(shù)設置，增加了通信的可靠性。增強了網(wǎng)絡的兼容性。通信介質(zhì) 可采用包括雙絞線、電力線、無線、紅外線、光纜等在內(nèi)的多種介質(zhì)進行通信，并且多種介質(zhì)可以在同一網(wǎng)絡中混合使用。該技術提供的 MIP（微處理器接口程序）軟件允許開發(fā)各種低成本網(wǎng)關，方便了不同系統(tǒng)的互聯(lián)。其協(xié)議已被一些國際標準組織確認為一些標準，如 EIA709 和 IEEE1473.互操作性 LonWorks 通信協(xié)議 LonTalks 是符合國際標準化組織（ISO）定義的開放互連（OSI）模型。智能設備或智能節(jié)點與他們所處的環(huán)境進行交互作用，通過不同的通信介質(zhì)與其他節(jié)點進行通信 ，這種通信采用一種通用的、基于消息的控制協(xié)議。網(wǎng)絡有傳輸介質(zhì)將智能設備或智能節(jié)點連接而構成。此系統(tǒng)中采用海灣的 HWBA5203 進行數(shù)據(jù)的計算處理與計算機間的通訊，它主要采用 LonWorks 技術。電壓互感器：35KV 變壓器一次側選擇 JDJ35,變比為 35000/5；變壓器二次側選擇 JDZ10Q，變比為 10000/100。按照以上標準和設計對象的電壓等級對互感器進行選型：電流互感器：35KV 變壓器一次側選擇 LMZD135，變比為 300/5。電力系統(tǒng)內(nèi)部互感器的 級電能表：不大于額定電壓的 %。測量用電壓互感器二次回路允許電壓降不應超過以下值：指示儀表：不大于額定電壓的 1～3%。在功率因數(shù)為 （滯后）時，額定輸出標準值為1250、7100、150、200、250、300、400、500VA。對于某些指示儀表，為示儀表在正常運行時指示在刻度標尺的 3/4 左右，并且過負荷運行時能有適當指示，可選用 ，其中 ?b路最大負荷電流； 為故障是一次回路短路時通過過大短路電流不致?lián)p壞測量儀表，測量用電流互感器可選用具有儀表保安限值的互感器，儀表保安系數(shù)（FS）宜選擇10，必要時也可選 5. 必要時可采用具有電流擴大值特性的電流互感器，其連續(xù)熱電流可選用額定一次電流的 120%，特殊情況可選用 150%或 200%。在設計基于海灣模塊的監(jiān)測系統(tǒng)時，要注意對互感器的選擇，互感器的精度間接地影響到了系統(tǒng)的精度，因此將嚴格遵循國家標準 GB 1208 和 GB 16847對電流互感器和電壓互感器進行選擇。]5[ 海灣監(jiān)測系統(tǒng)硬件設計在上面的文字中談到了在電力部門普遍應用的監(jiān)測模塊結構，從中知道了如果按上面所設計的系統(tǒng)來構架監(jiān)測系統(tǒng)會有很多繁瑣的工作，例如：器件的選擇，每一個元器件都對整個監(jiān)測系統(tǒng)有一定的精度影響，中間的環(huán)節(jié)越多，監(jiān)測到的數(shù)據(jù)誤差就越大。根據(jù)工作原理的不同，A/D 轉(zhuǎn)換器主要有以下幾種類型：逐次逼近型、積分型、計數(shù)型、并行比較型、電壓頻率型。由于第二類具有工作頻率高、體積小、壽命長等優(yōu)點，因此本設計采用第二類多路開關。 在對模擬量進行采集和 A/D 轉(zhuǎn)換時，為了簡化電路和節(jié)約硬件投資，多采用多路轉(zhuǎn)換開關輪流切換被測量和 A/D 轉(zhuǎn)換器的通路，以達到共用 A/D 轉(zhuǎn)換器的目的。因此必須使用采樣保持器，以保證在 A/D 完成一次轉(zhuǎn)換周期內(nèi)其采樣轉(zhuǎn)換的對象大小保持不變。對 電壓互 感器 電流互 感器 低 通 濾 波 器 采 樣 保 持 器 多 路 轉(zhuǎn) 換 開 關 A/D 轉(zhuǎn) 換 MCU此變化較快的模擬信號來說，如果不使用采樣保持器，那么在 A/D 轉(zhuǎn)換器完成一次采樣轉(zhuǎn)換的時間內(nèi)，采樣值發(fā)生變化，會造成很大的轉(zhuǎn)換精度誤差。 由于模擬信號是連續(xù)變化的，而 A/D 轉(zhuǎn)換器要完成一次轉(zhuǎn)換是需要時間的，這段時間稱為轉(zhuǎn)換時間。改變一次或二次繞組的匝數(shù)，可以產(chǎn)生不同的一次電壓與二次電壓比，這就可組成不同比的電壓互感器。主要由一、二次線圈、鐵心和絕緣組成。一次繞組直接串接于系統(tǒng)線路中，流過負荷電流；二次繞組上串接各種保護裝置和計量表，負載阻抗很小，接近于短路狀態(tài)。因此系統(tǒng)想要得到較高的精確性，就必須注意對系統(tǒng)中每一個環(huán)節(jié)硬件的選擇。電力參數(shù)可以間接的反映出用電情況，根據(jù)數(shù)據(jù)進行分析，從而使電力系統(tǒng)安全運行，為終端用戶的安全用電提供保障，實現(xiàn)電力系統(tǒng)自動化，以及達到電力設備的用電要求，降低用電過程中的損耗，提高用電效率，改善電氣環(huán)境，準確、快速的了解和監(jiān)控電力的質(zhì)量。圖31 變電站簡要結構圖 在以下的設計中會緊緊圍繞該對象進行設計，硬件方面的器件選擇也會依照該對象進行器件選擇，從而進行硬件電路連接的設計，最后達到設計目標。變電站有兩條35KV 線路供電，正常運行方式為1條 35KV 線路主供，1臺變壓器運行，另一條線路為單向備用電源自投。農(nóng)村正常負荷為11MW ，在農(nóng)灌時負荷達到50MW。第 3章 系統(tǒng)的硬件平臺設計 設計對象本設計針對某35KV 電壓等級的變電站進行設計，該變電站安裝了兩臺變壓器。其中論述了實時的測頻算法，電壓和電流有效?BC?uACBCuABiABiC圖 24 三相三線制輸電方式示意圖值算法，有功功率、無功功率和實在功率算法，功率因數(shù)算法的原理。三相三線制電路，無論是否對稱，都可以使用二表法測有功功率，二表法的測量原理圖如圖 25 所示。則三相四線電路的總功率的數(shù)字算法為：有功功率： （213）PCBA???無功功率： （214）Q視在功率： （215）SCBA功率因數(shù)： （216）??? 在三相三線制方式中，我們所測得電壓參數(shù)都是線電壓，電流同樣是線電流。圖 23 是三線四線制輸電方式的示意圖 圖 23 三相四線輸電方式的示意圖 就三相四線制電路而言，無論電路對稱與否，電路的總的功率都可以分解三個單相電路的功率的疊加。 （2IUNiNiQ410?????11）其中：Q——無功功率，VarN——每周期波形的采樣點數(shù)、 ——電壓、電流的瞬時采樣值，V、AUiIi使用(211)計算無功功率的原理為：在離散序列中，在一個周期的采樣范圍內(nèi)，在第 i 點的電壓瞬時采樣值 和電流在該點瞬時采樣值 平移 點后的電i Ii4N流采樣值 進行相乘，然后對此乘積進行求和后，在進行平均。而使用公式 計PSQ2??算無功功率，同樣無法確認無功功率的符號。確定負載的性質(zhì)對于無功功率補償具有重要意義。根據(jù)功率因數(shù)的定義，對于激勵信號為純正弦量的電路而言功率因數(shù) λ 可以表示為電壓和電流信號相位差余弦，即： （28）??cos?但是由于現(xiàn)實電路中含有各次諧波，因此不能使用該公式計算功率因數(shù)。]4[3根據(jù)視在功率的定義，視在功率 S 可以有電壓有效值 U 和電流 I 有效值的乘積求得。利用類此有效值的計算方法，我們可以得到有功功率的離散表達式： （25）IUiNiP????10其中：P——有功功率，WN——每周期波形的采樣點數(shù)、 ——電壓、電流的瞬時采樣值，V、AiIi使用該公式的最大優(yōu)點就是省去了測量各次諧波的電壓和電流之間的相角，但是同時也帶來了新的要求，就是電壓和電流的采樣值必須是同時進行采樣所得到的，這里面隱含了電壓和電流不僅要在每周波內(nèi)是等間隔采樣的，而且要求參與計算的數(shù)值是同時進行采樣所得到的電壓和電流的采樣值。由以上分析可知從以上的定義式]2[很難進行功率的測量。但是電壓和電流相位差不容易計算，原因是現(xiàn)實電路中的波形不僅含有基波分量，還含有二次諧波和三次諧波等高次諧波量，此時(23)應該表達為： （24）?iiiIUPcos10??????其中： P——有功功率，W 、 ——電壓、電流的直流分量， V、AU0I 、 ——第 i 次諧波的電壓、電流有效值，V、Aii ——第 i 次諧波的電壓和電流的相位差， Rad?i由此可以，用此公式計算有功功率，需要測得各次諧波電壓和電流之間的相位差。對于激勵信號為純正弦量的電路而言，根據(jù)有功功率的定義可知，有功功率可以表示為： (23)?cosUIP?即有功功率等于電壓、電流有效值和電壓、電流相位差的余弦的乘積。對于電流的有效值計算和電壓有效值的計算方法類似，因此電流有效值的計算可以采用下面的公式計算。dtTUu??021 由于本系統(tǒng)屬于實時測量系統(tǒng)，因此所有算法都是實時算法。]1[對于數(shù)字算法我們可以對信號進行每周期 N 點的等間隔采樣，獲得整周期波形的采樣序列，就得到下面公式。因此，對于有效值，采用一個周期中所有采樣點的平方和除以采樣點數(shù)，然后開方的方法計算。從有效值定義可知，是按照功率來定義的，即被測電壓(或電流)與一直流電壓(或電流)在相同阻值的電阻上在相同時間發(fā)熱相等，就認為被測電壓(或電流)的有效值等于該直流電壓(或電流)的幅值。這樣，采用軟件和硬件共同的抗干擾措施后，可以計算出較為準確、實時的信號周期值。鑒十實時測量系統(tǒng)的需要，因為系統(tǒng)的頻率變化又是相對緩變的，因此采用了加權平均的方法，即越新的周期測量值使用的權值越大。怎樣才能既消除單次的測量誤差，又能使測得的頻率更接近十下一周期的頻率呢?因此本系統(tǒng)采用的方法一，是運用了數(shù)據(jù)篩選法，從最新的 5 個采樣周期數(shù)值中篩選出最接近的 3 個數(shù)值進行計算，通過此法來去除因干擾產(chǎn)生的錯誤周期測量值。如果采用單次測量周期的來確定下一周期的采樣間隔的方法，顯然響應速度快，但會受到單次測量誤差的影響，導致測量不準確。鑒十單次測量總是產(chǎn)生誤采樣保 持數(shù)模轉(zhuǎn) 換 MCU比較整 形差，又由十電網(wǎng)頻率的變化具有相對穩(wěn)定性，因此本系統(tǒng)采用了以下的測頻方案。盡管在該電路中采用了施密特比較器電路，并進行了有效的 EMC 設計，也不能避免單次測量產(chǎn)生誤差，該誤差產(chǎn)生的原因如下:原因之一，由十計數(shù)器的計數(shù)間隔不可能無限小，因此計數(shù)器的測量會帶來 1 個計數(shù)誤差。具體的硬件電路結構在硬件設計部分進行說明。軟件同步的原理框圖如圖 22 所示。該方法省去硬件環(huán)節(jié)，結構簡單，因而得到了廣泛的應用?，F(xiàn)在電力系統(tǒng)中多使用軟件同步采樣的方法進行頻率跟蹤。二是用軟件實現(xiàn)，常規(guī)的軟件同步采樣法首先要測量被測信號的周期 T，然后除以一個周期內(nèi)的采樣點數(shù) N，得到采樣間隔 TS，并確定定時器的計數(shù)值，用定時中壓控震 蕩采樣保 持模數(shù)轉(zhuǎn) 換 MCU比較整 形相位比 較低通濾 波N 分頻器被測信號f Nf斷方式實現(xiàn)同步采樣。但是這種電路較復雜，實現(xiàn)起來成本較高。 圖 21 鎖相環(huán)同步采樣原理同步采樣法有兩種實現(xiàn)方法，一是用硬件實現(xiàn)，由硬件同步電路向 CPU 提出中斷實現(xiàn)同步。數(shù)字采樣是數(shù)字測量技術中關鍵的一環(huán)，除了要對采樣點進行精確的 A/D 轉(zhuǎn)換以外，各種電參數(shù)的算法都要求滿足同步采樣。第 2章 電力交流參數(shù)測試的關鍵算法研究由于本系統(tǒng)屬于實時處理系統(tǒng)，因此所有算法都必須采用實時算法來進本章在電力參數(shù)定義的基礎上對系統(tǒng)涉及的實時測頻算法，實時有效值算實時功率算法，實時功率因數(shù)算法進行分析，為測量軟件的設計提供依行