專利名稱：面向數(shù)字化電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量分析儀及電能質(zhì)量分析方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是遵循正C61850^變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)的唯一國際標準及電力系統(tǒng) 無縫通信的基礎(chǔ)，基于數(shù)字信號處理器(TMS320C6713)、光纖以太網(wǎng)通信和通用分 組無線業(yè)務(wù)通信技術(shù)，并依據(jù)變電站、電力系統(tǒng)數(shù)字化的趨勢，而設(shè)計的一種新架構(gòu) 的電能質(zhì)量分析儀，屬于電能質(zhì)量方面的綜合分析技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著電力電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，電力電子器件及電力電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用，大量 非線性、沖擊性負荷的投運，公用電網(wǎng)中產(chǎn)生了大量的諧波干擾、電壓擾動，波動和 閃變，電能質(zhì)量不斷惡化；同時，越來越多的控制設(shè)備、自動化設(shè)備對電能質(zhì)量要求 敏感，且被廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人們的日常生活。這些都對電能質(zhì)量提出了越來 越高的要求，也賦予了電能質(zhì)量新的含義。為了保障電力系統(tǒng)的安全、可靠、經(jīng)濟運 行和電力用戶的合法權(quán)益，對電能質(zhì)量進行實時監(jiān)測和分析，并據(jù)此提出整改方案、 加強防范措施、限制干擾源有著十分重要的意義。
為了解決不同廠商產(chǎn)品的互操作問題，正C TC57最新制定了變電站通信網(wǎng)絡(luò)和 系統(tǒng)標準——正C61850，該標準在總結(jié)變電站自動化技術(shù)發(fā)展經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，對變電 站自動化系統(tǒng)的通信問題作了深入的分析和研究，以解決互操作為目的，從整體上對 變電站自動化系統(tǒng)的信息傳輸和處理給出了規(guī)范。IEC 61850采用分層分布式體系、 面向?qū)ο蟮慕＜夹g(shù)，數(shù)據(jù)自描技術(shù)，為不同廠商的智能電子設(shè)備實現(xiàn)互操作和系統(tǒng) 無縫集成提供了途徑，并將成為整個電力系統(tǒng)無縫通信的基礎(chǔ)。
與傳統(tǒng)的電磁式互感器相比，新型的電子式互感器(ECT/EVT)，具有無磁飽和、 無鐵磁諧振、抗電磁干擾強、頻帶響應(yīng)寬、絕緣簡單可靠、暫態(tài)特性好、體積小、重 量輕，綜合成本低等優(yōu)點。此外，電子式互感器采集的測量信息通過光纖通信傳輸， 能夠節(jié)約二次電纜的使用，并更易于實現(xiàn)測量信息的共享。上世紀80年代，國外就 已開始ECT/EVT的研制工作。1999年，國際電工委員會頒布了 ECT/EVT的國際標 準(IEC 60044-7/8)。目前，ABB、 ALSTOM和S正MENS等公司都具備了各系列的實用產(chǎn)品；國內(nèi)，ECT/EVT也已形成研究熱點，相關(guān)高校、互感器和自動化設(shè)備制 造廠商都積極開展了此方面的研究，目前已有相關(guān)產(chǎn)品問世。
變電站、電力系統(tǒng)數(shù)字化的趨勢是隨著數(shù)字式過程層設(shè)備(如電子式互感器、智 能斷路器)和通信技術(shù)的快速發(fā)展而出現(xiàn)的。在實現(xiàn)電力系統(tǒng)數(shù)字化、共享化的基礎(chǔ) 上，數(shù)字化變電站、電力系統(tǒng)強調(diào)信息的統(tǒng)一化和站內(nèi)設(shè)備之間、變電站與控制中心 之間協(xié)同操作、集成應(yīng)用的能力。未來的變電站、電力系統(tǒng)將從數(shù)字化的趨勢出發(fā)進 行建設(shè)。
以太網(wǎng)通信技術(shù)自誕生至今一直不斷創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)帶寬由最初的10Mbps發(fā)展到 100Mbps、 1Gbps甚至10Gbps，傳輸介質(zhì)由同軸電纜發(fā)展出雙絞線和光纖；網(wǎng)絡(luò)拓撲
由總線型發(fā)展出星型、環(huán)型和網(wǎng)狀；特別是快速、交換式和光纖以太網(wǎng)的出現(xiàn)使以太
網(wǎng)的性能和可靠性得到顯著提高。目前，以太網(wǎng)不僅已經(jīng)成為局域網(wǎng)中的絕對主導(dǎo)技 術(shù)，而且也開始朝著廣域網(wǎng)和工業(yè)現(xiàn)場延伸。
通用分組無線業(yè)務(wù)是在全球移動通信系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展出來的一種新型無線通信 技術(shù)。由于通用分組無線業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)分組工作模式代替了全球移動通信系統(tǒng)的電路交
換模式，相對于全球移動通信系統(tǒng)具有以下幾個方面的優(yōu)勢信道由多個用戶共享， 不會被獨占，可以保證各用戶數(shù)據(jù)的實時傳輸；數(shù)據(jù)傳輸速率快，最快可達到
164kbps，而全球移動通信系統(tǒng)只有14.4kbps;采用針對數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的計費方法，即流
量計費方法，與上網(wǎng)時間無關(guān)，用戶可以時時在線；網(wǎng)絡(luò)接入速度快，數(shù)據(jù)傳輸更加 穩(wěn)定、抗干擾能力強。目前，通用分組無線業(yè)務(wù)已經(jīng)成為成熟而理想的無線通信方式。 因此，無論是為了滿足系統(tǒng)和用戶對電能質(zhì)量越來越高的要求，還是為了適應(yīng)變 電站、電力系統(tǒng)數(shù)字化的發(fā)展趨勢，都有必要借助最新的電子、通信技術(shù)對電能質(zhì)量 分析儀這一裝置的功能內(nèi)容、應(yīng)用技術(shù)和體系結(jié)構(gòu)重新做出審視、分析和設(shè)計。
發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明目的是滿足系統(tǒng)和用戶對電能質(zhì)量分析功能要求的不斷提高， 依據(jù)變電站、電力系統(tǒng)數(shù)字化的趨勢，基于數(shù)字信號處理器(TMS320C6713)、光纖 以太網(wǎng)通信和通用分組無線業(yè)務(wù)通信技術(shù)，設(shè)計的符合正C61850標準的面向數(shù)字化 電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量分析儀。
技術(shù)方案本發(fā)明從變電站和電力系統(tǒng)數(shù)字化的趨勢出發(fā)，同時兼顧現(xiàn)有變電站 的現(xiàn)狀，研制開發(fā)了基于數(shù)字信號處理器(TMS320C67B)、光纖以太網(wǎng)通信和通用分組無線業(yè)務(wù)通信技術(shù)，并符合正C61850標準的電能質(zhì)量分析儀。
本發(fā)明核心系統(tǒng)由五個模件組合而成(見附圖1):交流變換模件、主控模件、繼 電器模件、電源模件和人機接口模件。各模件采用前向插件式結(jié)構(gòu)，各插件通過母板 總線實現(xiàn)電氣聯(lián)系，只有人機接口模件與主控模件之間采用RS485通信，這樣可以提 高插件的可靠性。
該分析儀由主控模件、交流變換模件、繼電器模件、電源模件、人機接口模件、 以太網(wǎng)接口、通用分組無線業(yè)務(wù)模塊以及通用串行總線八個部分組合而成；各模件采 用插件通過母板總線實現(xiàn)電氣連接；人機接口模件與主控模件之間采用通用串行總線 連接，以太網(wǎng)接口、通用分組無線業(yè)務(wù)模塊通過信號線與主控模件連接，4路CT、 4 路PT信號與交流變換模件連接，交流變換模件與主控模件之間以及主控模件與繼電 器模件之間由開入/開出信號線連接，繼電器模件的輸出端為12路開出信號。
主控模件由數(shù)字信號處理器和復(fù)雜可編程邏輯器件以及一些外擴存儲器如并行 閃存、同步動態(tài)隨機存取存儲器構(gòu)成；并且在數(shù)字信號處理器與外擴器件之間連接了 一復(fù)雜可編程邏輯器件幫助數(shù)字信號處理器實現(xiàn)10擴展、地址譯碼、接口及時序匹 配、輸入輸出信號緩沖；數(shù)字信號處理器的管腳"32"與緩沖器SN74LVC125A的管 腳"2"相連、復(fù)雜可編程邏輯器件的管腳"82"與緩沖器SN74LVC125A的管腳"5" 相連完成主控模件與人機接口模件的通信；復(fù)雜可編程邏輯器件的管腳"87"與以太 網(wǎng)控制器LAN91C111的管腳"32"、復(fù)雜可編程邏輯器件的管腳"88"與以太網(wǎng)控制 器LAN91C111的會'31"、復(fù)雜可編程邏輯器件的管腳89與以太網(wǎng)控制器LAN91C111 的管腳29、復(fù)雜可編程邏輯器件的管腳卯與以太網(wǎng)控制器LAN91C111的管腳38、 復(fù)雜可編程邏輯器件的管腳91與以太網(wǎng)控制器LAN91C111的管腳30、復(fù)雜可編程 邏輯器件的管腳92與以太網(wǎng)控制器LAN91C111的管腳41和95分別相連完成主控模 件與以太網(wǎng)接口的通信。復(fù)雜可編程邏輯器件的管腳30與通用串行總線控制器 CY7C68001的管腳36、復(fù)雜可編程邏輯器件的管腳29與通用串行總線控制器 CY7C68001的管腳37、復(fù)雜可編程邏輯器件的管腳28與通用串行總線控制器 CY7C68001的管腳38、復(fù)雜可編程邏輯器件的管腳134與通用串行總線控制器 CY7C68001的管腳41、復(fù)雜可編程邏輯器件的管腳117與通用串行總線控制器 CY7C68001的管腳49、復(fù)雜可編程邏輯器件的管腳132與通用串行總線控制器 CY7C68001的管腳51、復(fù)雜可編程邏輯器件的管腳32與通用串行總線控制器 CY7C68001的管腳47、復(fù)雜可編程邏輯器件的管腳142與通用串行總線控制器CY7C68001的管腳8和42、復(fù)雜可編程邏輯器件的管腳34與通用串行總線控制器 CY7C68001的管腳9、復(fù)雜可編程邏輯器件的管腳36與通用串行總線控制器 CY7C68001的管腳40分別相連完成主控模件和通用串行總線2.0的通信。
交流變換模件由PT/CT采集模塊、有源濾波器、模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7665組成。其 中PT/CT采集模塊包含四個CT、四個PT，其輸出分別與有源濾波器的管腳8相連。 有源濾波器的輸出與多路開關(guān)MAX355的管腳4、 5、 6、 7、 10、 11、 12、 13相連， 多路開關(guān)MAX355的管腳8、9分別與運放器AD8022的管腳3、5相連，運放器AD8022 的管腳l、 7分別與模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7665的管腳42、 43相連。電源模件采用模擬電 源和數(shù)字電源兩大塊。模擬電源由第一電源芯片MAX1856和第二電源芯片 TPS767D301組成，數(shù)字電源由第三電源芯片MAX1644和第四電源芯片TPS70345 組成。人機接口模件包括顯示設(shè)備和指點輸入設(shè)備兩部分。液晶屏由單片機 WINBOND77E58、液晶屏DMF50081、液晶控制器SED1335組成。數(shù)字信號處理器 通過復(fù)雜可編程邏輯器件的10 口與相應(yīng)的繼電器模件、模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7665、人機 接口模件、以太網(wǎng)接口、通用分組無線業(yè)務(wù)模塊以及通用串行總線2.0相連，所需的 不同電壓輸入標準由電源模件供給。
在軟件實現(xiàn)流程中，首先關(guān)閉數(shù)字信號處理器全部中斷，然后對數(shù)字信號處理 器本身及外圍器件進行初始化；其中數(shù)字信號處理器本身的初始化包括以下幾個初始 化子模塊①數(shù)字信號處理器工作主頻、②內(nèi)部時鐘、③GPI0、 等待周期、⑤內(nèi) 部定時器工作方式、⑥多通道緩沖串口、⑦模擬多路開關(guān)首通道的切入；外部器件的 初始化包括實時時鐘DS1511W、以太網(wǎng)控制器LAN91C111、通用串行總線控制器 CY7C68001 ;這部分軟件是底層的器件驅(qū)動程序，和硬件直接接口；接著進行模件的 全面自檢，包括電源電壓、數(shù)字信號處理器內(nèi)部RAM、并行閃存、模數(shù)轉(zhuǎn)換通道、 以太網(wǎng)通信。自檢不正常則報警，正常則開放數(shù)字信號處理器相應(yīng)中斷之后進入主循 環(huán)流程；在主流程循環(huán)中有"A/D部分自檢"模塊，為模擬量通道自檢；其方法是兩個 模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入口都接入固定2.5V參考電平，自檢時將此路電壓通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器 轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，對其結(jié)果進行判斷，如果超出了誤差允許范圍，則認為此部分電路發(fā) 生了異常，立即進入故障報警流程；主循環(huán)流程的運行分主程序流程和中斷流程兩部 分；當沒有中斷時，系統(tǒng)運行主程序； 一旦收到中斷，則系統(tǒng)將首先保存當前處理現(xiàn) 場，然后進入相應(yīng)的中斷流程；系統(tǒng)中斷任務(wù)主要包括準同步測頻、啟動模數(shù)轉(zhuǎn)換器 轉(zhuǎn)換、GPS校時。若接入的是傳統(tǒng)的電磁式互感器，由二次電纜將現(xiàn)場PT和CT采集的模擬量八 路三相電壓和電流信號(Ua、 Ub、 Uc、 U0、 Ia、 Ib、 Ic、 10)輸入交流變換模件，經(jīng) 過模擬濾波、高精度A/D轉(zhuǎn)換后送入主控模件，由數(shù)字信號處理器進行計算分析，實 現(xiàn)如下功能
1) 電壓電流有效值、峰值、相位角、頻率、波峰因數(shù)；
2) 直流分量、基波、各次諧波、電壓電流THD :
3) 總功率、有功、無功、功率因數(shù)、諧波功率、功率THD;
4) 瞬態(tài)尖峰、跌落、浪涌大小，時間；
5) 三相不平衡度、電壓波動和閃變；
6) 判斷是否滿足電能質(zhì)量五項指標諧波、電壓允許偏差、電網(wǎng)頻率、三相不平 衡度、電壓波動和閃變；
7) 用戶指定次數(shù)間諧波的計算(最高計算到50次諧波)。
若接入的是電子式互感器，則直接由光纖以太網(wǎng)將電子式互感器采集的信號送入
主控模件，由數(shù)字信號處理器進行計算分析，同樣實現(xiàn)上述7項功能。
人機接口模件包括顯示設(shè)備(液晶屏和指示燈)和指點輸入設(shè)備(鍵盤)兩部分。 顯示設(shè)備可顯示多級功能菜單和各種數(shù)據(jù)、參數(shù)、波形、 一次系統(tǒng)圖、斷路器狀態(tài)、 事件記錄表等信息；并設(shè)有液晶休眠功能，當無故障、無告警狀態(tài)下5分鐘后，LCD 自動休眠。當有鍵盤操作或有故障、告警信號時，自動打開LCD顯示。上位機也可 發(fā)信號打開LCD顯示。
本發(fā)明電路設(shè)計上主要包括電流/電壓的三相四路采集、濾波和看門狗電路、A/D 轉(zhuǎn)換電路、數(shù)字信號處理器+復(fù)雜可編程邏輯器件處理器電路、RAM電路，RS232 和RS485串行通信、10/100Mbps以太網(wǎng)通信模塊、通用分組無線業(yè)務(wù)通信模塊和通 用串行總線通信模塊等。
本發(fā)明除了能在現(xiàn)場監(jiān)測電能質(zhì)量的各項參數(shù)外，還可通過通用分組無線業(yè)務(wù)無 線通信將監(jiān)測數(shù)據(jù)、事件記錄實時傳送至遠方用電管理部門，以供監(jiān)視和査詢；也可 通過構(gòu)建以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)電能質(zhì)量的分布式管理或集成應(yīng)用。
有益效果大部分電能質(zhì)量分析儀通常只具備電能檢測分析的能力，與現(xiàn)有技術(shù) 水平相比，本裝置具有以下有益效果
1)本發(fā)明從變電站和電力系統(tǒng)數(shù)字化的趨勢出發(fā)，同時兼顧現(xiàn)狀，設(shè)計了一種 具有良好兼容性的新型架構(gòu)，不僅能應(yīng)用于新型的電子式互感器、智能斷路器，亦可應(yīng)用于傳統(tǒng)的電磁互感器和斷路器。
2) 本發(fā)明利用CPU豐富的IO資源，增加了 12路開關(guān)量輸出控制繼電器，及與 之配合的12路開關(guān)量輸入， 一旦發(fā)現(xiàn)電能質(zhì)量嚴重不合格，具備簡單的保護動作能 力。
3) 本發(fā)明采用的數(shù)字信號處理器(TMS320C6713)為TI公司新推出的專門用于 數(shù)字信號處理的高速浮點數(shù)字信號處理器，工作主頻200MHz，單指令執(zhí)行周期僅為 5ns，具有強大的定點浮點運算能力，運算速度可達1600MIPS，可快速進行FFT運算， 從而實現(xiàn)真正的實時監(jiān)測。
4) 本發(fā)明采用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(AD7665)為Analog Device公司生產(chǎn)的高速、低 功耗16位逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，能保證采樣和計算的高精度和高速率。
5) 本發(fā)明不僅能夠單獨實現(xiàn)電能質(zhì)量分析功能，而且能通過10/100Mbps以太網(wǎng) 實現(xiàn)裝置之間以及裝置與工作站之間的高速通信，避免了在每臺分析儀處都加裝上位 機接入以太網(wǎng)的情況，縮減了投資，并方便對地區(qū)電能質(zhì)量進行整體監(jiān)控；同時還可 通過通用分組無線業(yè)務(wù)無線通信將監(jiān)測數(shù)據(jù)、事件記錄實時傳送至遠方用電管理部 門。
6) 本發(fā)明體積重量適中，結(jié)構(gòu)簡單，既可以攜帶使用也可固定安裝。采用基于 數(shù)字信號處理器的插件式結(jié)構(gòu)，各模件協(xié)同工作，性能比單板結(jié)構(gòu)提高很多。同時結(jié) 構(gòu)靈活，所有模件通過模板進行通信，可擴展性強，為進一步開發(fā)升級產(chǎn)品提供了方 便。
7) 本發(fā)明支持變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)的唯一國際標準及電力系統(tǒng)無縫通信的基 礎(chǔ)~~IEC61850標準，具備無縫接入系統(tǒng)，以及與其它電力自動化設(shè)備互操作能力。
圖l是裝置各模件連接圖，其中有主控模件l，交流變換模件2， PT/CT采集 模塊21、有源濾波器22、 AD7665 23,繼電器模件3，電源模件4、模擬電源41、數(shù) 字電源42，人機接口模件5、WINBOND77E58芯片51、大規(guī)模液晶屏DMF50081 52、 SED1335 53,以太網(wǎng)接口 6，通用分組無線業(yè)務(wù)模塊7，通用串行總線8。
圖2是人機接口工作原理圖，
圖3是主控模件整體連接框圖，其中有主控模塊l、數(shù)字信號處理器ll、復(fù)雜 可編程邏輯器件12、并行閃存13、同步動態(tài)隨機存取存儲器14。圖4是數(shù)字信號處理器核心處理模塊功能框圖， 圖5是復(fù)雜可編程邏輯器件工作原理，
圖6a是核心處理模塊電路圖一，圖6a為上半部分，圖6b為下半部分， 圖7是核心處理模塊電路圖二，圖7a為上半部分，圖7b為下半部分， 圖8是通用分組無線業(yè)務(wù)MC351功能模塊， 圖9是通用串行總線控制結(jié)構(gòu)圖。
具體實施例方式
面向數(shù)字化電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量分析儀由主控模件1、交流變換模件2、繼電器 模件3、電源模件4、人機接口模件5、以太網(wǎng)接口6、通用分組無線業(yè)務(wù)模塊7以及 通用串行總線8八個部分組合而成；各模件采用插件通過母板總線實現(xiàn)電氣連接；人 機接口模件5與主控模件1之間采用通用串行總線8連接，以太網(wǎng)接口6、通用分組 無線業(yè)務(wù)模塊7通過信號線與主控模件1連接，4路CT、 4路PT信號21與交流變換 模件2連接，交流變換模件2與主控模件1之間以及主控模件1與繼電器模件3之間 由開入/開出信號線連接，繼電器模件3的輸出端為12路開出信號。
一.電能質(zhì)量分析儀的硬件結(jié)構(gòu) 1、 DSP核心處理模塊
本分析裝置的主控模塊1由數(shù)字信號處理器11和復(fù)雜可編程邏輯器件12以及一
些外擴存儲器如并行閃存n、同步動態(tài)隨機存取存儲器i4等構(gòu)成，由于數(shù)字信號處 理器很多時候?qū)Ｓ糜谔幚頂?shù)字信號，其計算能力很強，而控制能力相對較弱。并且部
分信號數(shù)字信號處理器11跟某些外擴器件不能無縫接口 ，因此在TMS320C6713與外 擴器件之間連接了一復(fù)雜可編程邏輯器件12幫助TMS320C67I3實現(xiàn)10擴展、地址 譯碼、接口及時序匹配、輸入輸出信號緩沖等功能，其整體功能框圖如圖4所示。 (1) TMS320C6713芯片介紹
TMS320C6713是TI新推出的高速浮點數(shù)字信號處理器，工作主頻200MHz，其 單指令執(zhí)行周期僅5ns;具有強大的定點浮點運算能力，運算速度可達1600MIPS。 TMS320C67B片內(nèi)外設(shè)資源非常豐富，片內(nèi)集成了一個32位的外部存儲器接口 EMIF (External Memory Interface),可以外擴8位、16位、32位并行存儲器，內(nèi)部的16 個獨立的擴展的直接存儲器訪問通道EDMA (Enhanced Direct-Memory-Access)很大提高了存儲器訪問的效率；兩個McASP (multichannel audio serial port);兩個McBSP (multichannel buffered serial port)，可以模擬幾乎所有形式的串行接口 ；兩個I2C總 線接口；兩個32位的通用定時器；16通道通用10 口 GPIO (general-purpose input/output); —個16位的主機接口 HPI (Host-Port Interface)。這樣的硬件資源對于 電能質(zhì)量分析儀來說是足夠的。
(2) 復(fù)雜可編程邏輯器件XC95144PQ160
本設(shè)計中采用XILINX公司生產(chǎn)的型號為XC95144的復(fù)雜可編程邏輯器件，內(nèi) 含M4個宏單元，封裝有100PIN和160PIN兩種，考慮到擴展IO的能力，最終選擇 160PIN，其可用管腳133PIN。復(fù)雜可編程邏輯器件在插件中主要實現(xiàn)如下功能(見 附圖5):
■完成傳統(tǒng)意義上的地址譯碼功能。 ■擴展開入量和開出量的通道；
■在3.3V的DSP和5V光耦之間起隔離和電平轉(zhuǎn)換作用。 ■作為DSP與被控器件間的信號緩沖。
(3) EMIF的應(yīng)用
TMS320C6713的EMIF具有很強的接口能力，不僅具有很高的數(shù)據(jù)吞吐率(最 高可達1200MB/s)，而且可以與目前幾乎所有類型的存儲器接口。
TMS320C6713的外部存儲器接口(EMIF)分為4個空間，即CE0 CE3，每個CE 空間最大可尋址空間為128MB;本設(shè)計將模數(shù)轉(zhuǎn)換器配置在CE0，地址線AD[21:12] 通過復(fù)雜可編程邏輯器件模擬的地址譯碼器分別產(chǎn)生兩片模數(shù)轉(zhuǎn)換器的CNVSTV CS\、 RDX等控制信號；并行閃存用作引導(dǎo)TMS320C6713，將其配置在CE1空間；外 擴同步動態(tài)隨機存取存儲器在CE2，其余如實時時鐘、以太網(wǎng)、通用串行總線等均配 置在CE3空間。
TMS320C6713的每個EMIF管腳都串聯(lián)了一個33Q電阻，作為數(shù)字信號處理器 與外設(shè)之間的阻抗匹配電阻，有助于減少串擾，保持信號的完整。
(4) 通過EDMA實現(xiàn)從并行閃存芯片的自啟動 TMS320C6713片內(nèi)只有RAM沒有ROM,因此，在主控板最終脫離仿真器運行
的數(shù)字信號處理器系統(tǒng)中，用戶代碼需要在加電后自行裝載運行。數(shù)字信號處理器系 統(tǒng)的EDMA在系統(tǒng)加電時將配置在CE1空間(對應(yīng)片外FLASH地址)的1K-Byte 引導(dǎo)代碼(BootLoader)移植到內(nèi)部的高速存儲單元中去執(zhí)行。這1K-Byte的代碼必須存儲在外部的非易失性存儲器中。這樣既利用了外部的存儲單元擴展數(shù)字信號處理 器本身資源，又充分發(fā)揮了數(shù)字信號處理器內(nèi)部資源的效能。 2、通信模塊
本設(shè)計充分利用了數(shù)字信號處理器多接口，多信道的特點，通信模塊非常豐富， 其中包含串口通訊、以太網(wǎng)通訊、通用串行總線2.0通信等等手段，保證了裝置與 控制、顯示終端的正常通信,。
(1) 串口通信
TMS320C6713有兩個多通道緩沖串行口 (McBSP)。 McBSP是由標準串口發(fā)展 而來，支持全雙工通信，擁有雙緩沖寄存器，允許連續(xù)的數(shù)據(jù)流。此外，McBSP具 有獨立的時鐘輸入和幀同步信號，使用者可以選擇內(nèi)部時鐘或是外部時鐘。由于 McBSP有著極其靈活的硬件接口，設(shè)計者可以根據(jù)不同的需求將其配置為各種串口 形式，使用非常方便。本裝置將McBSPl配置為RS485，與液晶及鍵盤模塊通信，另 一串口 McBSPO配置為RS232供面板及打印機使用。
(2) 以太網(wǎng)
以太網(wǎng)(Ethernet)是目前一種使用廣泛的、采用總線拓撲的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。本設(shè)計 選用SMSC公司的10/100Mbps的以太網(wǎng)控制器LAN91C111 (6)作為以太網(wǎng)接口的 控制芯片。它是SMSC公司為嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計的第3代快速以太網(wǎng)控制器。 LAN91C111支持兩種不同的網(wǎng)絡(luò)接口。一種是利用內(nèi)置的物理層模塊PHY的收發(fā)口。 另一種則是基MII (介質(zhì)無關(guān))標準，可與外部收發(fā)器連接接口。為提高裝置的通用 性，本系統(tǒng)設(shè)計時將接口一作為雙絞線端口。另一接口由收發(fā)器LXT971接光線。
附圖9給出了本裝置中LAN91C111數(shù)據(jù)的發(fā)送流程，數(shù)據(jù)的發(fā)送分為寄存器的 設(shè)置，數(shù)據(jù)的寫入準備，數(shù)據(jù)的觸發(fā)發(fā)送等幾個部分。LAN91C111與TMS320C6713 之間通過16位并行線連接，控制信號均由地址線通過復(fù)雜可編程邏輯器件譯碼。 LAN91C111內(nèi)部含RAM,可以為數(shù)據(jù)傳輸提供緩沖。數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收都首先在 FIFO內(nèi)排隊，然后進行編碼或解碼。向數(shù)據(jù)寄存器寫入數(shù)據(jù)的基本順序為狀態(tài)字、 字節(jié)數(shù)、目標地址、源地址、報文長度、發(fā)送報文、控制字。其中字節(jié)數(shù)的大小為發(fā) 送包的長度加上狀態(tài)字、字節(jié)數(shù)、控制字，即，包長度+6bytes。其中，發(fā)送源地址、 目標地址所占字節(jié)數(shù)包括在報文長度中。數(shù)據(jù)讀取的過程與發(fā)送相似。
(3) 通用分組無線業(yè)務(wù)模塊
通用分組無線業(yè)務(wù)無線模塊(7)采用的是Siemens公司的MC35I無線模塊。MC351由全球移動通信系統(tǒng)基帶處理器、全球移動通信系統(tǒng)射頻、ZIF連接器等部分組成(附 圖10)。該模塊在支持全球移動通信系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上，支持通用分組無線業(yè)務(wù)。該 模塊基帶處理器由C166MCU和數(shù)字信號處理器雙核構(gòu)成，數(shù)據(jù)處理速度塊；提供 卯0M/1800M雙頻制式選擇；支持語音、數(shù)據(jù)傳輸、短消息、傳真業(yè)務(wù)；通訊速率多 重選擇，支持1200bps 115200bps的波特率；工作溫度范圍大，抗干擾能力強，適用 于工業(yè)應(yīng)用場合；AT指令進行控制；對外接口簡單，采用標準的RS232串行接口。 另外MC351供電電壓范圍為3.3 4.8￥,而開關(guān)電源的供電電壓為5V，故需要電平 匹配電路實現(xiàn)5V電源電壓與MC351供電電壓的匹配。電平匹配電路用DC-DC集成 模塊和輔助電路構(gòu)成，由于MC351在發(fā)送數(shù)據(jù)的瞬間電流可達到2A，這里選用 LM2576作為DC-DC集成模塊。 (4)通用串行總線2.0
系統(tǒng)對外通信還有配置有一個通用串行總線2.0接口。系統(tǒng)選取CYPRESS公司 的CY7C68001 EZ-USB SX2 (8)作為通用串行總線2.0接口芯片。
SX2內(nèi)置一個通用串行總線收發(fā)器， 一個串行接口引擎(S正)，以及一個收發(fā)數(shù) 據(jù)用的命令解碼器。支持8位或16位外部主機接口，能與DSPs、 ASICs、 FPGAs等 絕大多數(shù)微處理器實現(xiàn)無縫連接，并且支持同步及異步兩種接口方式。SX2接口設(shè)計 如圖9所示。
CY7C68001提供給DSP兩種接口 ①FIFO接口 ， CY7C68001內(nèi)部4Kbyte的RAM 通過編程，分配給EP2、 EP4、 EP6和EP8直接作為FIFO;②命令接口，用于設(shè)置 CY7C68001讀狀態(tài)、加載描述符和訪問端點。
數(shù)字信號處理器與CY7C68001之間的通信主要包括
■數(shù)字信號處理器自身初始化；
■數(shù)字信號處理器對CY7C68001初始化，C6713通過命令口訪問SX2的寄存
器，完成USB的相關(guān)設(shè)置； ■數(shù)字信號處理器協(xié)助HOST計算機枚舉CY7C68001; ■中斷處理；
■對CY7C68001的各狀態(tài)監(jiān)控。
以上通信模塊不僅可以實現(xiàn)分析儀與工作站之間的數(shù)據(jù)通信，而且在必要的時候 可以利用它們同時數(shù)據(jù)上傳至PC機進行數(shù)據(jù)分析記錄。如計算間諧波時，需要相應(yīng) 增加分析窗的寬度，如果在嵌入式系統(tǒng)上實現(xiàn)將會占用大量的存儲空間和CPU執(zhí)行時間。數(shù)字信號處理器通過SX2對PC通信最快可以達到480Mbps，實時地將采樣數(shù)據(jù)上 傳至PC機，利用PC機的強大功能和海量存儲，可以輕松實現(xiàn)。
主控模件1由數(shù)字信號處理器11和復(fù)雜可編程邏輯器件12以及一些外擴存儲器 如并行閃存13、同步動態(tài)隨機存取存儲器14構(gòu)成；并且在數(shù)字信號處理器11與外擴 器件之間連接了一復(fù)雜可編程邏輯器件12幫助數(shù)字信號處理器實現(xiàn)IO擴展、地址譯 碼、接口及時序匹配、輸入輸出信號緩沖；數(shù)字信號處理器11的管腳"32"與緩沖 器SN74LVC125A的管腳"2"相連、復(fù)雜可編程邏輯器件12的管腳"82"與緩沖器 SN74LVC125A的管腳"5"相連完成主控模件1與人機接口模件5的通信；復(fù)雜可編 程邏輯器件12的管腳"87"與以太網(wǎng)控制器LAN91C111的管腳"32"、復(fù)雜可編程 邏輯器件12的管腳"88"與以太網(wǎng)控制器LAN91C111的管"31"、復(fù)雜可編程邏輯 器件12的管腳89與以太網(wǎng)控制器LAN91C111的管腳29、復(fù)雜可編程邏輯器件12 的管腳90與以太網(wǎng)控制器LAN91C111的管腳38、復(fù)雜可編程邏輯器件12的管腳91 與以太網(wǎng)控制器LAN91C111的管腳30、復(fù)雜可編程邏輯器件12的管腳92與以太網(wǎng) 控制器LAN91C111的管腳41和95分別相連完成主控模件1與以太網(wǎng)接口 6的通信。 復(fù)雜可編程邏輯器件12的管腳30與通用串行總線控制器CY7C68001的管腳36、復(fù) 雜可編程邏輯器件12的管腳29與通用串行總線控制器CY7C68001的管腳37、復(fù)雜 可編程邏輯器件12的管腳134與通用串行總線控制器CY7C68001的管腳41、復(fù)雜 可編程邏輯器件12的管腳117與通用串行總線控制器CY7C68001的管腳49、復(fù)雜 可編程邏輯器件12的管腳132與通用串行總線控制器CY7C68001的管腳51、復(fù)雜 可編程邏輯器件12的管腳32與通用串行總線控制器CY7C68001的管腳47、復(fù)雜可 編程邏輯器件12的管腳142與通用串行總線控制器CY7C68001的管腳8和42、復(fù) 雜可編程邏輯器件12的管腳34與通用串行總線控制器CY7C68001的管腳9、復(fù)雜 可編程邏輯器件12的管腳36與通用串行總線控制器CY7C68001的管腳40分別相連 完成主控模件1和通用串行總線2.08的通信。
交流變換模件2由PT/CT采集模塊21 、有源濾波器22、模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD766523 組成。其中PT/CT采集模塊21包含四個CT、四個PT，其輸出分別與有源濾波器22 的管腳8相連。有源濾波器的輸出與多路開關(guān)MAX355的管腳4、 5、 6、 7、 10、 11、 12、 13相連，多路開關(guān)MAX355的管腳8、 9分別與運放器AD8022的管腳3、 5相 連，運放器AD8022的管腳1、 7分別與模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7665的管腳42、 43相連。
電源模件4采用模擬電源41和數(shù)字電源42兩大塊。模擬電源41由第一電源芯片MAX1856和第二電源芯片TPS767D301組成，數(shù)字電源42由第三電源芯片 MAX1644和第四電源芯片TPS70345組成。
人機接口模件5包括顯示設(shè)備和指點輸入設(shè)備兩部分。液晶屏由單片機 WINBOND77E58、液晶屏DMF50081 、液晶控制器SED1335組成。
數(shù)字信號處理器11通過復(fù)雜可編程邏輯器件12的IO 口與相應(yīng)的繼電器模件3、 模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD766523、人機接口模件5、以太網(wǎng)接口 6、通用分組無線業(yè)務(wù)模塊7 以及通用串行總線2.0相連，所需的不同電壓輸入標準由電源模件4供給。
二、系統(tǒng)軟件設(shè)計
一個系統(tǒng)是否能夠高效運作，除了取決于硬件的性能外，軟件的設(shè)計也起著關(guān)鍵 的作用。系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括復(fù)雜可編程邏輯器件邏輯設(shè)計，數(shù)字信號處理器程序設(shè) 計與上位機程序設(shè)計三大部分。
1、 復(fù)雜可編程邏輯器件邏輯設(shè)計
本項目中數(shù)字信號處理器與外設(shè)連接要求高，關(guān)系也較為復(fù)雜，對數(shù)字信號處理 器的接口控制經(jīng)常需要用到種類較多的門電路、譯碼電路、時序電路等，而且 TMS320C6713的I/O管腳和各種特殊功能是復(fù)用的，如果將鍵盤、LCD顯示以及各 種狀態(tài)指示燈直接和數(shù)字信號處理器相連的話，這將造成它的極大浪費，所以采用了 復(fù)雜可編程邏輯器件實現(xiàn)數(shù)字信號處理器的外圍電路控制，這充分地利用復(fù)雜可編程 邏輯器件中的資源，減少軟件編程的復(fù)雜度，也提高數(shù)字信號處理器的執(zhí)行速度。
TMS320C6713跟外設(shè)進行讀寫時，相應(yīng)的/AOE、 /AWE、 /ARE管腳會發(fā)生高 低電平的變化，把信號連接到CPLD的IO管腳，再配以高地址位和/CE空間的譯碼， 就能對數(shù)字信號處理器的片外設(shè)備進行尋址和使能、讀寫操作。控制12路繼電器動 作的開出信號，也是由復(fù)雜可編程邏輯器件數(shù)據(jù)經(jīng)過緩沖，配合完成。
2、 數(shù)字信號處理器程序設(shè)計
數(shù)字信號處理器的程序設(shè)計是本裝置軟件設(shè)計的核心部分，用戶程序編寫調(diào)試完 畢之后，通過數(shù)字信號處理器仿真器燒寫到并行閃存中。TMS320C6713通過EMIF 引導(dǎo)方式(EMIFboot)，從ROM引導(dǎo)加載。
在用戶程序中，首先關(guān)閉數(shù)字信號處理器全部中斷，然后對數(shù)字信號處理器本身 及外圍器件進行初始化(見附圖8)，共包括以下幾個初始化子模塊，對數(shù)字信號處 理器工作主頻、內(nèi)部時鐘、GPIO的初始化、等待周期、內(nèi)部定時器工作方式、多通道緩沖串口、模擬多路開關(guān)首通道的切入等進行配置，并對外部器件如DS1511W、 LAN91C111、 CY7C68001等進行配置，使其能以合適的方式與TMS320C6713交換 數(shù)據(jù)。這部分軟件實際是底層的器件驅(qū)動程序，和硬件直接接口。接著進行模件的全 面自檢，包括電源電壓、數(shù)字信號處理器內(nèi)部RAM、 Flash、模數(shù)轉(zhuǎn)換通道、以太網(wǎng) 通信。自檢不正常則報警，正常則開放數(shù)字信號處理器相應(yīng)中斷之后進入主循環(huán)流程。 裝置中數(shù)字信號處理器主程序設(shè)計主要完成以下功能-
(1) TMS320C6713有著強大的浮點運算能力，系統(tǒng)每周波采樣128點并對八 路信號分別進行128點FFT，進而計算出0 50次諧波的幅值、相位等；
(2) 對電能質(zhì)量進行分析計算，如電壓電流有效值、峰值、相位角、頻率、波 峰因數(shù)、功率、功率THD等；
(3) 利用計算值判斷電能質(zhì)量是否滿足國家標準所要求的電能質(zhì)量五項指標， 即供電電壓偏差、電壓的波動和閃變、電網(wǎng)諧波、三相電壓不平衡度、電 力系統(tǒng)頻率；
(4) 記錄電能質(zhì)量的異常值，如瞬態(tài)尖峰、跌落、浪涌大小，時間等。并與 PC機配合，完成故障時錄波；
(5) 通過數(shù)字信號處理器強大的GPIO (通用IO口)，完成很多控制功能，如 多路開關(guān)的轉(zhuǎn)換、設(shè)定值越限報警、繼電器動作等；
(6) 完成數(shù)字信號處理器與所有外圍模塊的通信。 3、上位機程序設(shè)計
電能質(zhì)量監(jiān)測分析儀上位機軟件的主要功能是通過以太網(wǎng)或串口與電能質(zhì)量監(jiān) 測分析儀交互信息，獲取電能質(zhì)量監(jiān)測分析儀采集的各類電量(如電壓、電流、頻率 等)，在PC機上為用戶提供可視化(如曲線、表格)的電量査詢界面，并進行電能質(zhì) 量的分析計算(如諧波、三相不平衡率的計算)。其中主要包括對電能質(zhì)量進行穩(wěn)態(tài) 和暫態(tài)性能方面的指標計算。
在電能質(zhì)量領(lǐng)域，對穩(wěn)定變化的信號，最常使用的是傅立葉變換，即把周期性變 化的非正弦信號表示成一系列具有不同頻率的正弦波的線性疊加。它具有正交、完備 等許多優(yōu)點，而且有FFT這樣的快速算法，因此在電能質(zhì)量分析領(lǐng)域中得到廣泛地應(yīng) 用。傅立葉變換雖然能夠?qū)⑿盘柕臅r域和頻域特征聯(lián)系起來，但是沒有局部化分析信 號的功能，而且在運用時必須滿足兩個前提條件 一、滿足采樣定理的要求，即采樣 頻率必須大于最高信號頻率的兩倍；二、被分析的波形必須是穩(wěn)態(tài)的、隨時間周期變化的，因而它只能在電能質(zhì)量穩(wěn)態(tài)領(lǐng)域中使用。
近年來發(fā)展起來的小波變換(Wavelet Transformation)具有良好的時一頻局部化 特性，對不同的頻率成分采用逐漸精細的采樣步長，可以聚焦到信號的任意細節(jié)，非 常適用于處理突變和非平穩(wěn)信號。小波變換對信號具有自適應(yīng)性，而且是一種多尺度 分析，因而可以很好地分析電能質(zhì)量領(lǐng)域的暫態(tài)問題。
傅里葉變換的前提要求是信號平穩(wěn)，難以刻畫時變非平穩(wěn)信號。在實際應(yīng)用中， 若無擾動發(fā)生，認為信號是穩(wěn)態(tài)過程，依據(jù)穩(wěn)態(tài)分析方法計算相應(yīng)的電能質(zhì)量指標參 數(shù)若有擾動發(fā)生，利用時域波形信息與小波變換信息相結(jié)合檢測方法，可準確地確 定暫態(tài)現(xiàn)象的持續(xù)時間和變化幅度，快速地對電能質(zhì)量暫態(tài)干擾定位，分類。 4、電能質(zhì)量相關(guān)指標及其算法
(1) 諧波的相關(guān)指標
服"="^xl00(%) 第h次諧波電壓含有率 ^
其中，^為第h次諧波電壓(方均根值)；^為基波電壓(方均根值)。
mDu =^"Xioo(%)
電壓總諧波畸變率 ^
c/w=J|;(c/A)2 其中u"是諧波電壓含有量，即 *=2
(2) 供電電壓允許偏差
電壓偏差 "w 其中f/是實測的電壓，"w是額定電壓。
(3) 電壓的波動和閃變
電壓波動的計算式為 S"
其中^^為負荷容量的變化量；^sc為考察點(一般為PCC)的短路容量；
CPF曲線縱坐標0.1%、 1%、 3%、 10%、 50%時間的S(t)值分別為^1、 Pi、 A、 P'Q、 ^o，則這段時間的短時閃變值^可按下式計算<formula>formula see original document page 19</formula>
長時間閃變值^由測量時間段內(nèi)包含的短時間閃變值計算獲得
V"
式中，n為長時間閃變值測量時間內(nèi)所包含的短時間閃變值的個數(shù)。 (4)三相電壓允許不平衡度
三相電壓不平衡的計算采用對稱分量法，把不平衡電壓分解為正序，負序和零序
分量實現(xiàn)，假設(shè)三相電壓的正序分量方均根值為K，負序分量的方均根值為^72。則
相應(yīng)的電流不平衡度為 Ui
在沒有零序分量的三相系統(tǒng)中，當已知a、 b、 c時，三相不平衡度的計算如下:
三、通信可靠性保證
當通過光纖以太網(wǎng)連接電子式互感器時，通信網(wǎng)絡(luò)成為這種新型電能質(zhì)量監(jiān)測儀 的命脈，它的可靠性與信息傳輸?shù)目焖傩詻Q定了系統(tǒng)的可用性。常規(guī)變電站自動化系
統(tǒng)中保護裝置的信息采集與保護算法的運行一般是在同一個CPU控制下進行的，使得 同步采樣、A/D轉(zhuǎn)換、運算、輸出控制命令整個流程快速、簡捷，而全數(shù)字化的系統(tǒng) 中信息的采樣、保護算法與控制命令的形成是由網(wǎng)絡(luò)上多個CPU協(xié)同完成的，如何 控制好采樣的同步和保護命令的快速輸出變成了一個復(fù)雜的問題，其最基本的條件是 通信網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)性，關(guān)鍵技術(shù)是通信網(wǎng)絡(luò)的實時性和可靠性。
數(shù)據(jù)通信的實時性一方面依賴于變電站層、間隔層和過程層之間通信流量的合理 分配和組合，保證通信網(wǎng)絡(luò)的帶寬占用在合理范圍以內(nèi)，盡量避免沖突。另一方面采 用以太網(wǎng)交換技術(shù)，減少網(wǎng)絡(luò)上沖突概率，使之變成時延確定性網(wǎng)絡(luò)。相關(guān)研究表明 在變電站中使用100Mbps共享以太網(wǎng)或10Mbps交換以太網(wǎng)，能夠滿足保護對報文傳 輸?shù)膶崟r性要求。該電能質(zhì)量分析儀采用10/100Mbps自適應(yīng)交換式光纖以太網(wǎng)集線 器進行組網(wǎng)，完全能夠滿足實時性要求。
￡ 〃= Jxl00%數(shù)據(jù)通信的可靠性對這種新型架構(gòu)的電能質(zhì)量分析儀同樣至關(guān)重要，本發(fā)明采用 雙網(wǎng)冗余技術(shù)來提高裝置的可靠性和抗毀性。
在雙冗余網(wǎng)絡(luò)中，每個節(jié)點的以太網(wǎng)控制器、收發(fā)器、電平變換芯片、光纖接頭 都采用獨立的兩套，交換式HUB也采用互不相關(guān)的兩塊。當某個節(jié)點網(wǎng)絡(luò)接口故障， 或網(wǎng)線損壞，或其中一個交換式HUB故障時，網(wǎng)絡(luò)仍能正常運作。每個節(jié)點的兩個 網(wǎng)卡只能有一個物理地址，..一個IP地址，對于高層應(yīng)用程序呈現(xiàn)單網(wǎng)卡特性。網(wǎng)絡(luò) 切換時只需將協(xié)議和控制命令綁定備用的以太網(wǎng)控制器即可。
在軟件實現(xiàn)流程中，首先關(guān)閉數(shù)字信號處理器全部中斷，然后對數(shù)字信號處理器 本身及外圍器件進行初始化；其中數(shù)字信號處理器本身的初始化包括以下幾個初始化 子模塊①數(shù)字信號處理器工作主頻、②內(nèi)部時鐘、③GPI0、④等待周期、⑤內(nèi)部 定時器工作方式、⑥多通道緩沖串口、⑦模擬多路開關(guān)首通道的切入；外部器件的初 始化包括實時時鐘DS1511W、以太網(wǎng)控制器LAN91C111、通用串行總線控制器 CY7C68001 ;這部分軟件是底層的器件驅(qū)動程序，和硬件直接接口；接著進行模件 的全面自檢，包括電源電壓、數(shù)字信號處理器內(nèi)部RAM、并行閃存、模數(shù)轉(zhuǎn)換通道、 以太網(wǎng)通信。自檢不正常則報警，正常則開放數(shù)字信號處理器相應(yīng)中斷之后進入主循 環(huán)流程；在主流程循環(huán)中有"A/D部分自檢"模塊，為模擬量通道自檢；其方法是兩個 模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入口都接入固定2.5丫參考電平，自檢時將此路電壓通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器 轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，對其結(jié)果進行判斷，如果超出了誤差允許范圍，則認為此部分電路發(fā) 生了異常，立即進入故障報警流程；主循環(huán)流程的運行分主程序流程和中斷流程兩部 分；當沒有中斷時，系統(tǒng)運行主程序； 一旦收到中斷，則系統(tǒng)將首先保存當前處理現(xiàn) 場，然后進入相應(yīng)的中斷流程；系統(tǒng)中斷任務(wù)主要包括準同步測頻、啟動模數(shù)轉(zhuǎn)換器 轉(zhuǎn)換、GPS校時。
這種新型架構(gòu)電能質(zhì)量分析儀，既可滿足過渡期間傳統(tǒng)變電站的電能質(zhì)量監(jiān)測需 要，也符合未來數(shù)字化變電站的發(fā)展趨勢，在實際應(yīng)用中可針對不同的需求采用不同 的采集數(shù)據(jù)方式。同時，該發(fā)明的以太網(wǎng)接口分布式管理及GPRS無線通信方式可將 電能監(jiān)測的分析結(jié)果高效迅速地反饋給電能質(zhì)量管理者，為其做出決策提供準確有效 的依據(jù)，從而維護了整個電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定及電力用戶的用電安全。
權(quán)利要求
1.一種面向數(shù)字化電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量分析儀，其特征在于該分析儀由主控模件(1)、交流變換模件(2)、繼電器模件(3)、電源模件(4)、人機接口模件(5)、以太網(wǎng)接口(6)、通用分組無線業(yè)務(wù)模塊(7)以及通用串行總線(8)八個部分組合而成；各模件采用插件通過母板總線實現(xiàn)電氣連接；人機接口模件(5)與主控模件(1)之間采用通用串行總線(8)連接，以太網(wǎng)接口(6)、通用分組無線業(yè)務(wù)模塊(7)通過信號線與主控模件(1)連接，4路CT、4路PT信號(21)與交流變換模件(2)連接，交流變換模件(2)與主控模件(1)之間以及主控模件(1)與繼電器模件(3)之間由開入/開出信號線連接，繼電器模件(3)的輸出端為12路開出信號。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向數(shù)字化電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量分析儀，其特征 在于主控模件(1)由數(shù)字信號處理器(11)和復(fù)雜可編程邏輯器件(12)以 及一些外擴存儲器如并行閃存(13)、同步動態(tài)隨機存取存儲器(14)構(gòu)成； 并且在數(shù)字信號處理器(11)與外擴器件之間連接了一復(fù)雜可編程邏輯器件(12)幫助數(shù)字信號處理器實現(xiàn)10擴展、地址譯碼、接口及時序匹配、輸入 輸出信號緩沖；數(shù)字信號處理器(11)的管腳"32"與緩沖器SN74LVC125A 的管腳"2"相連、復(fù)雜可編程邏輯器件(12)的管腳"82"與緩沖器SN74LVC125A 的管腳"5"相連完成主控模件(1)與人機接口模件(5)的通信；復(fù)雜可編 程邏輯器件(12)的管腳"87"與以太網(wǎng)控制器LAN91C111的管腳"32"、復(fù) 雜可編程邏輯器件(12)的管腳"88"與以太網(wǎng)控制器LAN91C111的管"31"、 復(fù)雜可編程邏輯器件(12)的管腳89與以太網(wǎng)控制器LAN91C111的管腳29、 復(fù)雜可編程邏輯器件(12)的管腳90與以太網(wǎng)控制器LAN91C111的管腳38、 復(fù)雜可編程邏輯器件(12)的管腳91與以太網(wǎng)控制器LAN91C111的管腳30、 復(fù)雜可編程邏輯器件(12)的管腳92與以太網(wǎng)控制器LAN91C111的管腳41 和95分別相連完成主控模件(1)與以太網(wǎng)接口 (6)的通信。復(fù)雜可編程邏 輯器件(12)的管腳30與通用串行總線控制器CY7C68001的管腳36、復(fù)雜 可編程邏輯器件(12)的管腳29與通用串行總線控制器CY7C68001的管腳 37、復(fù)雜可編程邏輯器件(12)的管腳28與通用串行總線控制器CY7C68001 的管腳38、復(fù)雜可編程邏輯器件(12)的管腳134與通用串行總線控制器CY7C68001的管腳41、復(fù)雜可編程邏輯器件(12)的管腳117與通用串行總 線控制器CY7C68001的管腳49、復(fù)雜可編程邏輯器件(12)的管腳132與通 用串行總線控制器CY7C68001的管腳51、復(fù)雜可編程邏輯器件(12)的管腳 32與通用串行總線控制器CY7C68001的管腳47、復(fù)雜可編程邏輯器件(12) 的管腳142與通用串行總線控制器CY7C68001的管腳8和42、復(fù)雜可編程邏 輯器件(12)的管腳34與通用串行總線控制器CY7C68001的管腳9、復(fù)雜可 編程邏輯器件(12)的管腳36與通用串行總線控制器CY7C68001的管腳40 分別相連完成主控模件(1)和通用串行總線2.0 (8)的通信。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向數(shù)字化電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量分析儀，其特征 在于交流變換模件(2)由PT/CT采集模塊(21)、有源濾波器(22)、模數(shù)轉(zhuǎn) 換芯片AD7665 (23)組成，其中PT/CT采集模塊(21)包含四個CT、四個 PT，其輸出分別與有源濾波器(22)的管腳8相連。有源濾波器的輸出與多路 開關(guān)MAX355的管腳4、 5、 6、 7、 10、 11、 12、 13相連，多路開關(guān)MAX355 的管腳8、 9分別與運放器AD8022的管腳3、 5相連，運放器AD8022的管腳 1、 7分別與模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7665的管腳42、 43相連。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向數(shù)字化電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量分析儀，其特征 在于電源模件(4)采用模擬電源(41)和數(shù)字電源(42)兩大塊。模擬電源(41)由第一電源芯片MAX1856和第二電源芯片TPS767D301組成，數(shù)字電 源(42)由第三電源芯片MAX1644和第四電源芯片TPS70345組成。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向數(shù)字化電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量分析儀，，其特 征在于人機接口模件(5)包括顯示設(shè)備和指點輸入設(shè)備兩部分，液晶屏由單 片機WINBOND77E58(51)、液晶屏DMF50081(52)、液晶控制器SED1335(53) 組成。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向數(shù)字化電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量分析儀，，其特 征在于數(shù)字信號處理器(11)通過復(fù)雜可編程邏輯器件(12)的IO 口與相應(yīng) 的繼電器模件(3)、模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7665 (23)、人機接口模件(5)、以太網(wǎng) 接口 (6)、通用分組無線業(yè)務(wù)模塊(7)以及通用串行總線2.0 (8)相連，所 需的不同電壓輸入標準由電源模件(4)供給。
7. —種如權(quán)利要求1所述的面向數(shù)字化電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量分析儀的電 能質(zhì)量分析方法，其特征在于首先關(guān)閉數(shù)字信號處理器全部中斷，然后對數(shù)字信號處理器本身及外圍器件進行初始化；其中數(shù)字信號處理器本身的初始化 包括以下幾個初始化子模塊①數(shù)字信號處理器工作主頻、②內(nèi)部時鐘、③ GPIO、④等待周期、⑤內(nèi)部定時器工作方式、⑥多通道緩沖串口、⑦模擬多 路開關(guān)首通道的切入；外部器件的初始化包括實時時鐘DS1511W、以太網(wǎng) 控制器LAN91C111、通用串行總線控制器CY7C68001 ;這部分軟件是底層的器 件驅(qū)動程序，和硬件直接接口；接著進行模件的全面自檢，包括電源電壓、數(shù) 字信號處理器內(nèi)部RAM、并行閃存、模數(shù)轉(zhuǎn)換通道、以太網(wǎng)通信。自檢不正 常則報警，正常則開放數(shù)字信號處理器相應(yīng)中斷之后進入主循環(huán)流程；在主流 程循環(huán)中有"A/D部分自檢"模塊，為模擬量通道自檢；其方法是兩個模數(shù)轉(zhuǎn)換 器的輸入口都接入固定2.5V參考電平，自檢時將此路電壓通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn) 換為數(shù)字量，對其結(jié)果進行判斷，如果超出了誤差允許范圍，則認為此部分電 路發(fā)生了異常，立即進入故障報警流程；主循環(huán)流程的運行分主程序流程和中 斷流程兩部分；當沒有中斷時，系統(tǒng)運行主程序； 一旦收到中斷，則系統(tǒng)將首 先保存當前處理現(xiàn)場，然后進入相應(yīng)的中斷流程；系統(tǒng)中斷任務(wù)主要包括準同 步測頻、啟動模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換、GPS校時。
全文摘要
面向數(shù)字化電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量分析儀及電能質(zhì)量分析方法，是遵循IEC61850——變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)的唯一國際標準及電力系統(tǒng)無縫通信的基礎(chǔ)，基于數(shù)字信號處理器、光纖以太網(wǎng)通信和通用分組無線業(yè)務(wù)通信技術(shù)，該分析儀由主控模件(1)、交流變換模件(2)、繼電器模件(3)、電源模件(4)、人機接口模件(5)、以太網(wǎng)接口(6)、通用分組無線業(yè)務(wù)模塊(7)以及通用串行總線(8)八個部分組合而成；各模件采用插件通過母板總線實現(xiàn)電氣連接；人機接口模件(5)與主控模件(1)之間采用通用串行總線(8)連接，以太網(wǎng)接口(6)、通用分組無線業(yè)務(wù)模塊(7)通過信號線與主控模件(1)連接，4路CT、4路PT信號(21)與交流變換模件(2)連接。
文檔編號H02J3/00GK101291059SQ20071013140
公開日2008年10月22日 申請日期2007年8月28日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月28日
發(fā)明者吳在軍, 張如瑤, 朱禪霞, 杜炎森, 靜 熊, 秦申蓓, 竇曉波, 胡敏強, 鄭建勇 申請人:東南大學(xué)