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基于PROFIBUS開發(fā)的FTU及同步采樣方法的研究
摘要：介紹了基于PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)、DSP技術(shù)和交流同步采樣技術(shù)研制的FTU（饋電自動化終端單元）。重點探討了PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)及交流同步采樣技術(shù)在系統(tǒng)中的應(yīng)用及實現(xiàn)。關(guān)鍵詞：饋電自動化終端單元現(xiàn)場總線同步采樣
電力系統(tǒng)由發(fā)電、輸電、變電、配電及用電等多個環(huán)節(jié)組成。配電環(huán)節(jié)以其不可取代的地位越來越受到人們的關(guān)注，如何利用現(xiàn)有的技術(shù)來提高配電自動化的水平已成為當(dāng)前設(shè)計人員所關(guān)注的重點。
PROFIBUS-DP是一種國際性的開放式現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，專為自動控制系統(tǒng)和設(shè)備級分散I/O之間的通信而設(shè)計。它性能穩(wěn)定、傳輸速度高、價格低廉，具有非常好的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)的FTU（FeederTerminalUnit，即饋電自動化終端單元）的通訊接口大多基于通用異步串口實現(xiàn)，通訊協(xié)議多種多樣，因此存在著通訊速度慢、協(xié)議不規(guī)范、不開放等缺點，而現(xiàn)場總線正好可解決此問題。為此，基于PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)、交流同步采樣技術(shù)和DSP技術(shù)等，研制了一種雙回線多功能FTU。該FTU除了具有傳統(tǒng)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(jiān)測等功能。所有檢測數(shù)據(jù)可通過由SPC3協(xié)議芯片實現(xiàn)的PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線接口傳送給主站，以滿足配電自動化系統(tǒng)的高集成度、智能化、網(wǎng)絡(luò)化和信息化的要求。
1數(shù)據(jù)處理算法及同步采樣方法
1.1FFT算法的選擇與實現(xiàn)
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(tǒng)的構(gòu)心算法，其速度直接影響著系統(tǒng)的速度。這里采用是基二時間抽�。―IT）FFT算法。由于系統(tǒng)的采樣值是電壓和電流，都為實函數(shù)，為提高運算速度，根據(jù)FFT的奇、偶、虛、實時稱特性，把兩個通道的采樣值組成一個復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)同時進行計算，從而同時得到兩個通道的各次諧波值。這樣不僅內(nèi)存空間節(jié)省了一半，而且速度又可提高近1倍。并且對三角函數(shù)進行了預(yù)先計算，求出了正弦函數(shù)在一個周波內(nèi)N個采樣點的值，并存儲在一個數(shù)組內(nèi)，而余弦函數(shù)的值可由滯后四分之一周期的正弦函數(shù)值得到。這樣避免了每次對正弦函數(shù)和余弦函數(shù)的繁瑣計算，提高了速度。
1.2同步采樣的實現(xiàn)
由于FFT是一種對非周期信號在周期延拓后進行的變換，所以采樣點必須均勻分布在一個信號周期內(nèi)，而且正交樣品函數(shù)的周期應(yīng)和信號的周期嚴格一致，即應(yīng)當(dāng)實現(xiàn)嚴格的同步采樣。否則會引起信號的頻譜泄漏，帶來很大的測量誤差，特別是對高頻分量，計算出來的值可信度極低。這一點從表1的仿真數(shù)據(jù)中可清楚地看郵。傳統(tǒng)同步采樣方法主要分為硬件同步和軟件同步兩大類。硬件同步方法是用鎖相環(huán)實時跟蹤信號基波頻率的變化，實時調(diào)整采樣頻率，實現(xiàn)同步采樣。它是一種預(yù)防式方法，硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，當(dāng)信號有較大的畸變或者有強噪聲時，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(zhǔn)同步采樣、尋找過零點、加窗插值等步驟對原始采樣數(shù)據(jù)進行重新采樣或修正。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(fù)雜費時，難以滿足實時系統(tǒng)的要求；而且當(dāng)信號有較大的畸變或者有強噪聲時，尋找過零點亦存在誤差問題。為此本文采用一種變采樣率同步采樣方法，原理如下：
當(dāng)信號頻率與樣品函數(shù)的頻率有偏差時，信號與樣品函數(shù)的相位會不斷改變，如圖1所示。圖中，實線為信號波形（基波），虛線為樣品函數(shù)波形。設(shè)相鄰的兩個樣位差分別是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為下一個采樣周期。若采樣點取為N個，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(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)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)點是硬件結(jié)構(gòu)簡單，不需要復(fù)雜的鎖相或測頻電路；同時計算簡單快速，存儲容量�。欢乙驗镕FT具有濾波特性，在信號較大的畸變或者強噪聲時，可以克服尋找過零點時的誤差問題。這種方法的缺點是每次補償需要兩個周期，且只有存在偏差時才能進行修正，有一定的滯后，當(dāng)頻率變化較大或者變化頻率時，會造成一定的誤差。但在實際的電網(wǎng)中，電網(wǎng)容量一般較大，頻率變化緩慢，若被測電源系統(tǒng)頻率變化率為每秒0.125Hz，即每秒0.25%，則每兩周期的變化只有0.0025/25=0.0001。從仿真數(shù)據(jù)第10行可看出，基波的設(shè)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足實際要求。
表1仿真數(shù)據(jù)
行號修正次數(shù)信號頻/率樣品函數(shù)頻率基波計算值（實際值=1000)二次諧波計算值（實際值=100）計算值相對誤差（%）計算值相對誤差（%）1未修正0.900000944.183475.58142.6734042.67210.9965361000.998960.10104.183064.18320.9999751000.007870.00100.030160.03431.0000001002.904790.00100.000010.005未修正0.9900001000.065430.29111.9551411.96610.999792999.999940.01100.251760.25721.0000001000.312990.00100.000070.008未修正0.9990001000.000610.03101.207631.21910.9999981000.000610.00100.002530.0010未修正0.9999001000.031620.00100.120840.121111.0000001000.000000.0099.999980.00
1.3采樣次數(shù)的確定
在實際電力系統(tǒng)中，信號測量一般取1～19次諧波分量。19位次以上的諧波含量非常小，沒有實際應(yīng)用意義。從信號的保真度來看，采樣周期必須滿足香農(nóng)采樣定理，即采樣角頻率ωs≥2ωmax(ωmax是被采樣信號的最高角頻率)，才能避免出現(xiàn)頻譜混疊現(xiàn)象。另外，因采用基2-FFT算法，所以采樣次數(shù)必須是2的冪次，這里選擇每周期采樣64次。當(dāng)信號的頻率為50Hz時，采樣頻率應(yīng)為50Hz×64=3200Hz。因系統(tǒng)是兩回線系統(tǒng)，A/D變換分兩組交替進行，所以系統(tǒng)的采樣中斷頻率應(yīng)為6400Hz。當(dāng)信號頻率偏離50Hz時，采樣頻率跟蹤其變化，以保證64次采樣正好在一個信號周期內(nèi)。
2硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計
該裝置硬件主要由CPU、開關(guān)量輸入輸出通道、頻率量輸入通道、模擬量輸入通道、PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線通訊接口、實時時鐘、電源等部分組成，結(jié)構(gòu)框圖見圖3。
圖3硬件結(jié)構(gòu)框圖
現(xiàn)場總線通訊接口由SIEMENS公司的ASIC協(xié)議芯片SPC3來實現(xiàn)。SPC3集成了PROFIBUS-DP的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的完整協(xié)議，能自動監(jiān)測波特率，上電后自動維護PROFIBUS-DP的從站狀態(tài)機。片內(nèi)還集成一個保護監(jiān)視定時器。如果微處理器有故障，則禁止PROFIBUS-DP通道，因而不至于危及外圍設(shè)備。SPC3還有一個公共的中斷輸出，可通過讀取中斷寄存器來判斷中斷源的性質(zhì)。中斷源包括：NEW-SSA-DATA、NEW-PRM-DATA、NEW-CFG-DATA、NEW-GC-COMMAND、DX-OUT等。UART負責(zé)將并行數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)流或?qū)⒋袛?shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)流。
由于對各種電參數(shù)的測量和諧波分析不僅需要對交流信號進行高速采樣，而且還需要進行大量的實時計算，對CPU的運算速度要求非常高，普通的單片機難以勝任，因此本單元的CPU采用DSP。本次設(shè)計采用的DSP是美國TI公司的TMS320F206。
三相電源系統(tǒng)每回線需要3路電壓通道和3路電流通道，兩回線共需12路交流通道。本裝置共配置了16路模擬量輸入通道，剩下的4路作為直流通道，可作為溫度、壓力等信號的測量通道。為了測量相角及功率因數(shù)，必須同時采樣每一回線的6路信號，所以選用兩片DALLAS公司的MAX125A/D轉(zhuǎn)換器來完成此項工作。
在電壓和電流通道輸入端采用了小型PT或CT互感器進行隔離和信號變換，可直接接入220/380V低壓信號或100V/5A標(biāo)準(zhǔn)互感器信號來測量高壓或大電流系統(tǒng)。既可用3相4線Y型接法，也可用3相3線V形接法。在模擬量輸入通道前端還配置了二階有源低通濾波器，以消除高次諧波和噪聲信號，減輕諧波分析時出現(xiàn)的頻譜混疊現(xiàn)象。
3軟件設(shè)計
本裝置功能要求復(fù)雜，因而軟件系統(tǒng)采用了模塊化、由頂向下逐步細化的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。編程語言主要采用TI公司提供的優(yōu)化C語言，個別地方采用C2XX匯編語言，提高了軟件編程效率和程序的可讀性。
軟件主要包括主程序、SPC3通訊中斷服務(wù)程序、定時器中斷服務(wù)程序、A/D變換完成中斷服務(wù)程序等幾個部分。主程序完成硬件初始化、硬件自檢、中斷任務(wù)初始化、諧波分析、電參量計算、越限報警等功能；SPC3通訊中斷服務(wù)程序完成與上位機的通訊、定時器中斷服務(wù)程序完成各軟件定時器的定時、毫秒時鐘的維護等；A/D變換完成中斷服務(wù)程序完成數(shù)據(jù)的采集、采信通道的切換等。圖4為SPC3通訊中斷服務(wù)程序軟件流程圖。
本文主要從開發(fā)的角度探討了同步采樣技術(shù)及PROFIBUS-DP技術(shù)在配電自動化終端的應(yīng)用，介紹了配電自動化終端的軟硬件實現(xiàn)。經(jīng)實驗檢驗，現(xiàn)場總線接口運行穩(wěn)定可靠；系統(tǒng)采用的同步采樣技術(shù)計算快速準(zhǔn)確、簡單實用，完全滿足工程應(yīng)用的要求。但限于使用的是定點DSP，運算速度相對較慢，所以系統(tǒng)的計算精度和實時性還有待提高。
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