- 相關(guān)推薦
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)。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)場總線標準,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(Feeder Terminal Unit,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
1.1 FFT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取(DIT)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;而且因為FFT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)
【基于PROFIBUS開發(fā)的FTU及同步采樣方法的研究】相關(guān)文章:
基于MOSFET內(nèi)阻的電流采樣及相電流重構(gòu)方法10-30
DNP3.0在基于DSP的FTU中的實現(xiàn)03-18
基于網(wǎng)格的聚類方法研究03-13
基于體驗經(jīng)濟的森林旅游產(chǎn)品開發(fā)研究03-21
基于IHS變換的遙感影像融合方法研究11-22
基于Profibus現(xiàn)場總線的煤礦井下膠帶監(jiān)控系統(tǒng)03-18
基于單目視覺的夜間車輛檢測方法研究03-07