【正文】 點之一。在這個過程中常借助專門的設(shè)備，把被測對象直接或間接的與同類已知單位進行比較，取得用數(shù)值和單位共同表示的測量結(jié)果。廣義的說，任何實驗科學(xué)的結(jié)論，是對實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計推斷的結(jié)果，而數(shù)據(jù)的取得，就要靠測量。它通常包括：1．能量的測量。例如信號的波形和失真度、頻率、相位、脈沖參數(shù)、調(diào)制度、信噪比等；3．元件和電路參數(shù)的測量。國際上電測量理論和監(jiān)測儀器儀表技術(shù)大致經(jīng)歷了三個階段：第一個階段電測量技術(shù)主要是對模擬量進行測量；20世紀(jì)50年代以來，隨著數(shù)字電子技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，電測技術(shù)和儀表技術(shù)逐步向數(shù)字化方向發(fā)展，早期的模擬式電測儀表逐漸被數(shù)字式儀表代替，在這一階段，以微計算機、獨立操作系統(tǒng)、各種標(biāo)準(zhǔn)總線結(jié)構(gòu)為特征，可互相通訊、擴展式儀器和自動測試系統(tǒng)及相應(yīng)測量技術(shù)得到快速發(fā)展，并逐步走向成熟；第三階段，即20世紀(jì)80年代以來，大規(guī)模集成電路技術(shù)一方面使得控制芯片運算能力大大增強，另一方面使得芯片體積大幅度縮小，可以方便地植入儀器內(nèi)部，從而使儀器具有判斷、控制、存儲，運算甚至更高的智能化特性。還存在許多問題：1．處理功能較差、可擴展存儲空間較小、運算速度較慢、難以運用精確嚴(yán)格的算法進行大量的實時數(shù)據(jù)處理、不滿足電力監(jiān)測高實時性的要求；2．電力系統(tǒng)中最常用微處理器包括51系列和96系列等控制型器件，但隨著電力系統(tǒng)對實時性、數(shù)據(jù)量和計算要求的不斷提高，這些器件在計算能力方面已不能很好地適應(yīng)電力系統(tǒng)的要求，致使電力系統(tǒng)的高精度測量，實時監(jiān)控和先進算法的運用受到了限制；3．有的產(chǎn)品雖然直接引進了國外的技術(shù)模塊，功能較強，可是價格較高，且不完全適合我國市場：4．有的產(chǎn)品無通訊和控制輸出功能，不滿足電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、自動化的發(fā)展方向；5．人機交互性不好。本系統(tǒng)檢測的電力參數(shù)包括：1．前5次諧波的電壓有效值；2．前5次諧波的電流有效值；3．總電壓有效值；4．總電流有效值；5．總有功功率；6．總無功功率；7．各相的功率因數(shù)。本系統(tǒng)的研制將進一步推進電力系統(tǒng)的自動化水平，真正做到電力參數(shù)的實時采集和處理，便于電力系統(tǒng)管理人員正確掌握各項電力參數(shù)，對于保證電力系統(tǒng)運行的安全性，經(jīng)濟性和可靠性都具有重要意義。要求實現(xiàn)以下功能：1．實時對電網(wǎng)的電壓、電流波形進行采集；2．通過FFT算法對采集波形進行諧波分析，進而計算出所需特征值；3．實現(xiàn)特征值和波形在LCD上的實時顯示，并完成相應(yīng)的設(shè)置功能；4．能實時把處理后的數(shù)據(jù)上傳到PC機，完成數(shù)據(jù)的存儲，以便進一步的數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)分析?？紤]到以上技術(shù)要點，本設(shè)計采用TI公司的TMS320LF2407A作為本系統(tǒng)的主處理器，采用其豐富的片內(nèi)外設(shè)，來完成系統(tǒng)整體功能。圖21 總體結(jié)構(gòu)圖 DSP芯片的選擇本系統(tǒng)的主處理芯片采用TI公司的TMS320LF2407A，它集成了高性能的DSP內(nèi)核和片內(nèi)外設(shè)于一個芯片內(nèi)，是傳統(tǒng)的微控制單元與昂貴的多片外設(shè)的一種廉價替代品。減小了控制器的功耗；2．40MIPS的執(zhí)行速度使得指令周期縮短到25ns(40MHz)，從而提高了控制器的實時控制能力；3．片內(nèi)有高達(dá)32K的FLASH程序存儲器，程序RAM，544字雙口RAM(DARAM)和2K字的單口RAM(SARAM)；4．可擴展的外部存儲器總共192K字空間：64K字程序存儲器空間；64K字?jǐn)?shù)據(jù)存儲器空間；64K字I/O尋址空間；5．看門狗定時器模塊(WDT)；6．10位A/D轉(zhuǎn)換器最小轉(zhuǎn)換時間為500ns，可選擇由兩個事件管理器來觸發(fā)兩個8通道輸入A/D轉(zhuǎn)換器或一個16通道輸入的A/D轉(zhuǎn)換器；7．控制器局域網(wǎng)絡(luò)(CAN)；8．串行通信接口(SCI)模塊；9．16位的串行外設(shè)(SPI)接口模塊；10．基于鎖相環(huán)的時鐘發(fā)生器；11．高達(dá)40個可單獨編程或復(fù)用的通用輸入，輸出引腳(GPIO)；12．5個外部中斷(兩個電機驅(qū)動保護、復(fù)位和兩個可屏蔽中斷)；13．電源管理包括3種低功耗模式，能獨立地將外設(shè)器件轉(zhuǎn)入低功耗工作模式。而且因其豐富的片內(nèi)外設(shè)，性能價格比很高。 DSP編程DSP芯片的開發(fā)需要一套完整的軟、硬件開發(fā)工具。代碼生成工具的作用是將C語言、匯編語言或兩者的混合語言編寫的DSP源代碼程序編譯，匯編并鏈接成可執(zhí)行的DSP代碼。1．C編譯器(C piler)將C語言源代碼程序自動地編譯成C2000的匯編語言源代碼程序。3．鏈接器(1inker)把匯編生成的可重定位的COFF目標(biāo)模塊組合成一個可執(zhí)行的COFF目標(biāo)模塊。鏈接器的輸入是可重定位的COFF目標(biāo)文件和目標(biāo)庫文件，它也可以接受來自文檔管理器中的目標(biāo)文件以及鏈接以前運行時所產(chǎn)生的輸出模塊。CCS(Code Composer Studio)是TI推出的用于開發(fā)其DSP芯片的繼承開發(fā)調(diào)試工具，它采用Windows風(fēng)格的界面，集編輯、編澤、鏈接、軟件仿真、硬件調(diào)試及實時跟蹤等功能于一體，極大地方便了DSP程序的設(shè)計與開發(fā)。圖22 C語言DSP程序的開發(fā)流程CCS軟件開發(fā)系統(tǒng)提供幾個很好的調(diào)試工具如：Profiler(剖切)功能，可提供程序代碼特定區(qū)域的執(zhí)行時間統(tǒng)計，評估代碼的執(zhí)行效率并加以修改；顯示圖形功能，提供多種程序生成數(shù)據(jù)的顯示形式，包括時域／頻域波形顯示、圖形顯示等；C代碼優(yōu)化器，優(yōu)化程序員編寫C程序，提高程序編寫質(zhì)量；以及程序，數(shù)據(jù)區(qū)、程序中變量及CPU各寄存器的查看功能，方便查看程序執(zhí)行中間結(jié)果。開發(fā)一個DSP的C語言應(yīng)用程序，需要以下4種類型的文件：C語言文件、匯編語言文件、頭文件和命令文件。這些文件可以用Windows操作系統(tǒng)中的“記事本”書寫，也可以用其他一些長用的文本編輯器書寫，只要存儲成相應(yīng)的格式即可。頭文件為“.H”格式，命令文件為“.CMD”格式。除此之外還要把一個“”的庫文件復(fù)制到該目錄中。該文件經(jīng)常用到的偽指令有MEMORY偽指令和SECTIONS偽指令。MEMORY偽指令的一般語法為：MEMORY{PAGE0： namel[(atlr)]: origin=constant, length=constant；PAGEn: namel[(attlr)]: origin=constant, length=constant；}PAGE標(biāo)示存儲器空間。PAGEl規(guī)定數(shù)據(jù)存儲器。存儲器可以是l~8個字符，在不同頁上的存儲器范圍可以具有相同的名字，但在一頁內(nèi)所有的存儲器范圍必須具有唯一的名字且必須不重疊。未規(guī)定屬性的存儲器具有所有4個屬性。origin規(guī)定存儲器范圍的起始地址。SECTIONS偽指令的作用是：描述輸入段怎樣被組合到輸出段內(nèi)；在可執(zhí)行程序內(nèi)定義輸出段；規(guī)定在存儲器內(nèi)何處放置輸出段；允許重命名輸出段。在段名之后是特性列表，定義段的內(nèi)容以及它們是怎樣被分配的。本設(shè)計中的命令文件如下： /*電力參數(shù)檢測系統(tǒng)命令文件 */MEMORY{PAGE O: VECS: origin=0h, length= 40h /*程序復(fù)位*/PVECS l origin=40h, length=70h /*外圍模塊中斷向量*/PROG : origin=0boh, length=7F50h /*在片F(xiàn)LASH*/PAGE l: MMRS: origin=0h, 1ength=05Fh /*MMRS*/B2: origin=0060h, length=020h /*DARAM B2塊*/B0: origin=0200h, length=100h /*DARAMBO塊*/B1: origin=0300h, length=100h /*DARAM BI塊*/SARAM: origin=0800h, length=0800h /*SARAM塊*/EXT: origin=8000h, length=8000h /*外部存儲器*/}/* SECTIONS ALLOCTION */SECTIONS {.reset: {}VECS PAGE0 /*復(fù)位中斷向量表*/.vectors: {}VECS PAGE0 /*中斷向量表*/.pvecs: {)PVECS PAGE0 /*外圍模塊中斷向量表*/.text: {}PROG PAGE0 /*代碼*/.cinit: {)PROG PAGE0.bss: {)EXT PAGE1 /*塊B2*/.const: {}SARAM PAGE1 /*塊B2*/.ccb0: {}B0 PAGE1}第三章 電力參數(shù)測量及其計算原理第三章 電力參數(shù)測量及其計算原理電力系統(tǒng)基本參數(shù)的測量主要包括：電流有效值、電壓有效值、諧波分量、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)等。用微機測量電氣信號的首要環(huán)節(jié)是對輸入的電氣信號進行離散化，即采樣。根據(jù)被采集信號的不同，數(shù)據(jù)采集可分為直流采樣和交流采樣兩大類。此方法軟件設(shè)計簡單，計算簡便，對采樣值只需作一次比例變換即可得到被測量的數(shù)值。例如，可采用低速的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片或不需保持電路等。但直流采樣存在以下問題：1．不能及時反應(yīng)被測量的突變，具有較大的時間常數(shù)，如電流變送器的上升速度一般在150毫秒以上；2．測量精度直接受變送器的精確度和穩(wěn)定性影響。一個變送器一般只能用于測量一個或兩個同量綱的電參量。 電力參數(shù)的交流采樣算法交流采樣是按一定的規(guī)律對被測交流電氣信號的瞬時值進行采樣，獲得用數(shù)字量表示的離散時間采樣值序列，并通過對采樣值序列進行數(shù)值分析計算獲取被測信號的信息。交流采樣理論上可包含交流信號中的全部信息，因而可通過不同的算法獲取所關(guān)心的多種信息(如有效值，相位，諧波分量等)。近年來，A/D轉(zhuǎn)換芯片和微處理器芯片性能顯著提高而價格大幅度下降，為交流采樣的普遍應(yīng)用提供了有利條件。因此，后文討論的采樣，均指交流采樣。積分值和積分的起始角a無關(guān)，計算式： （31）式(31)可以用梯形算法近似求出：式中—第K次采樣值；N—周期的采樣點。求出積分S后，應(yīng)用式(31)可以求得有效值。對要求不高的電壓電流保護功能可以采用此類算法。離散后的電壓、電流、有功功率的交流采樣計算公式為，其中，U，I為電壓、電流的有效值，為電壓、電流的同時刻的等間隔采樣值，T為信號周期，N為每周期信號的采樣點數(shù)。這也是均方根算法在諧波分析中的局限性。傅立葉變換法是將離散的采樣值經(jīng)過離散傅立葉變換(DFT)轉(zhuǎn)換到頻域，求出基波和諧波分量，再求出有效值及功率，實際使用中可以采用快速傅立葉變換(FFT)以提高運算速度。在本設(shè)計中采用TI公司的TMS320LF2407A作為信號處理器，可以進行FFT運算，所以本設(shè)計選擇的是快速傅立葉算法(FFT)。盡管它是可數(shù)值計算的，但計算量很大，占用內(nèi)存也很大。對N點序列，其DFT變換定義為： ，1，…，N1， （36）式中，反變換(IDFT)為 =0，1，…，N1 （37）對比(36)和式(37)，其差別在于的指數(shù)符號不同，以及差一個常數(shù)因子1/N。與式(36)對比，只要將取共軛，然后直接利用DFT公式(36)，最后再將運算結(jié)果取一次共軛，并乘以l/N。這是利用DFT正變換計算DFT反變換的方法。通常、和帶都是復(fù)數(shù)。而共N個值(0≤k≤N1)，所以要完成全部DFT的運算要進行N2次復(fù)數(shù)乘法和N(N1)次復(fù)數(shù)加法。通常復(fù)數(shù)運算是通過實數(shù)運算來完成的：由此可見，每運行一個X(k)值需要進行4N次實數(shù)乘法和2N+2(N1)=2(2N1)次實數(shù)加法，當(dāng)然這里包括了和以及等不需要做乘法運算的項。因而，直接運算DFT，乘法次數(shù)與加法次數(shù)都與N2成正比。當(dāng)N=8時，需要64次復(fù)數(shù)乘法，而當(dāng)N=1024時。如果信號處理要求實時進行，對硬件或軟件計算速度的要求確實是太高了。因此，迫切需要進行降低DFT的計算量，以減小總的運算次數(shù)。N越大，效果越明顯。先看當(dāng)N為偶數(shù)時，N點DFT如何分解為N/2點的DFT。要用X1(k)， X2(k)來表達(dá)全部X(k)的值，可以推出，N個點對應(yīng)的DFT。 k=0，1，2，…，N1這樣用X1(k)，X2(k)可完整的表示X(k)。令r=2l，r=2l1，l=0，l，…，N/4l則令 k=0，1，2，…，N/41 k=0，1，2，…，N/41那么 k=0，1，2，…，N/41 k=0，1，2，…，N/41同理，令 k=0，1，2，…，N/41 k=0，1，2，…，N/41則 k=0，12，…，N/41 k=0，1，2，…，N/41若N=16，32或2的更高次冪，可按上述方法繼續(xù)分下去，直到兩點的DFT為止。但這時輸入?yún)s不能按自然的順序存入存儲單元，而是按，…，的順序存儲單元，因而是亂序的。但實際上是有規(guī)律可尋的，我們稱為倒位序。碼位倒序的排列規(guī)律是由FFT的算法決定的。一般的系統(tǒng)都是令輸入為碼位倒敘，而輸出為自然順序。DSP控制器就是針對這些需求而設(shè)計的，具有這樣的指令和運算能力。另外，DSP控制器能在一個指令周期內(nèi)完成乘和累加的工作。在本系統(tǒng)中，用交流采樣技術(shù)進行數(shù)據(jù)采集時，需要兼顧精度和成本兩個方面的問題。該算法不需要增加硬件濾波裝置，就具有很強的濾波能力，這樣就減少了前向通道的誤差，降低了系統(tǒng)成本，適合于進行電力線路的繼電保護、諧波分析。在本設(shè)計中，采用先進的芯片TMS320LF2407A具有DSP核心，運行FFT的速度很快，完全滿足系統(tǒng)要求，所以本設(shè)計選擇的是快速傅立葉算法(FFT)。短窗傅里葉變換的時域窗口沒有自適應(yīng)性，而且難以實現(xiàn)高效的算法。但小波變換方法在電能質(zhì)量研究領(lǐng)域的應(yīng)用還處于起步階段，現(xiàn)有的小波變換均無法實現(xiàn)諧波的精確測量，必須建立分頻嚴(yán)格、能量集中的小