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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)。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（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。快速傅立葉變換（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(yán)格一致，即應(yīng)當(dāng)實現(xiàn)嚴(yán)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，存儲容量小；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(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)
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