电能质量专题基于CAN总线的电能质量监测系统的研制张华’刘教民’李志红“l.河北工业大学计算机科学与软件学院天津300130(2.中国管理软件学院信息管理系北京100094)摘要介绍了以TMS320F2812DSP为核心处理器和2片16位A/D转换器为主的电能质量监测系统，采用快速傅立叶变换算法对谐波进行处理和分析，通过cAN总线监测节点接入现场总线实现电网系统运行的遥测、遥信、遥调和遥控功能，仿真和试验结果表明该设计的高效性和实用性，整个系统具有很高的性价比，可广泛应用于电力系统的网络监控和管理中。关键词:TMS320F2812电能质量监测快速傅立叶变换CAN总线ResearchandAPPlicationofPowerQualityMonitoringSystemBasedonCANBUSZangHuaLiujhiaoMinMengjunying(HebeiUniversityofTechnologyTianjin300l30China)AbstractThisPaPerPresentsaPowerqualitymonitoringsystembasedonkeyProcessorDSPTMS320F2812DSPandtwochiPs，sixteen一bitA/Dconvertermainly.EmPloyingFFTarithmetictodealwithandanalysestheharmonic.TheutilizingofCANBUSmonitoringnodeandfieldbuscanrealizetheollowingffunctionsinelectricitysystem，suchastelemetry，remotecommunication，teleadjustingandremotecontrolThesimulationresultsillustratetheeficiencyandPrecisenessoftheProPosedaPProach.fThewholesystemhashighcaPabilitylPricerate，andhasextensiveaPPlicationinelectricitynetworkcontrolandmanagement.Keywords:TMS320F2812，Powerqualitymonitoring，FFT，CANBUS1引言电能的质量通常以供电电压的频率、偏移、波动、闪变、间断、谐波畸变、三相不平衡度和高频干扰项等指标衡量，目前的电能质量监测装置，在功能和实用化方面存在一些问题，主要表现在:常用的微处理器件处理性能差，难以实时进行大量数据处理，测量和计算误差较大;缺少现场通讯和网络管理功能，使的数据采集和信号调理电路、AjD转换单元、智能CAN通信模块、时序和可编程逻辑控制单元、用于控制设定和数据显示的人机交互界面、电源模块、外扩的用于存储采集电量的一片SST39VF400AFLASH等子系统组成。图1为电能检测系统原理图。用不方便。数字信号处理[](DSP2)技术、现场总线和网络通信技术的发展和应用，实现了电能监控的实时性和处理算法复杂性的要求，改变了传统的分立仪器组合完成电能质量检测的方式。2控制系统的组成本系统以TMS320F2812处理器为核心，并由实用河北省自然科学基金资助项目(FZoo50《X刃7)。图1电能检测系统原理图systemFig.lSchematicdiagramofPowerqualitydetection2。。6年，期电气技木}31电能质量专题3信号采集和调理信号采集和调理在电能质量检测中起着重要作用，传统PT、CT互感器由于线圈电感有低通滤波器效应，会导致部分信号有一定的幅度衰减和相移及饱和现象，本系统采用新型的霍尔传感器，其测量范围宽(可达3一ZOkA)，响应速度快而无饱和现象，频率特性好，对测量的电量计算仅需一个修正系数就可获的很高的精度和线性度。信号的调理部分选用线性度好的LF353运放和线性光祸HCNRZOO，把采集到的电信号变换成A/D可以采用的信号。4TMS320F2812及外围控制单元设计中选用(Tl)公司最新的DSP芯片TMS320F2812131，该芯片是工业控制领域性能最优的32位DSP，主要性能是:采用高性能静态COMS技术，低功率设计，最高15OMIPS的执行速度，指令周期6.6ns，大大提高了控制器的实时控制能力，有2个事件管理器(EVA，EVB)，片内有高达128K字节FLASH、18KRAM、IKOTPROM，可采用高效率的C/C++编程，简化编程过程，提高编程效率。芯片带有3个外部中断，但可扩展到45个，有16个通道的12位A/D转换器，最小转换速率可达80娜，有3个32位通用定时器，高达56个可单独编程的通用(复用)输入输出1/0口，有丰富的SPI、SCI、eCAN和McBSP等串口外设。TMS320F2812主要完成数据的FFT变换和电能指标量的计算与显示、实现CAN总线通信、控制外围接口芯片有序的工作，用Altera公司的Max+Plusn软件，采用VHDL行为级设计对高速可编程的EPM7128器件编程完成整个系统的时序和控制逻辑，实现A用采样频率和采样深度控制、内外同步逻辑控制、各单元地址译码控制、时序控制、片选控制等功能。5电能质量基本参数的检测与计算谐波是一个周期性电气量的正弦波分量，其频率为基波的整数倍，受非线性负载的影响，电网的波形会发生畸变使电能质量下降，因此对谐波进行准确的测量和分析己成为当前重要的课题。.5IA/D转换的实现要精确计算含有谐波的电量，首先要保证足够的采样频率、高精度和快速的刀D转换。这里每周波采样256个点，考虑谐波测量的一些特殊要求，系统配置了两片A/D，一片用于三相电压、三相电321电气技木Zooe年1期流的定时采样，另一片通过锁相同步电路，对信号等间隔采样，减少因频谱泄漏和栅栏效应带来的测量误差，以提高准确度。由于电量检测的重要性和其对电量采集精度、速度的较高要求，选用了Tl公司适合电力系统电量测量的六路、高速、低功耗、十六位模数转换器ADS8313】转换模块，其内部包括六个高速采样一保持放大器、六个高速ADC、一个参考电压源及三个参考电压缓冲器，可以提供25OkSPS的同步采样率，六个通道的数据输出接口电压介于2.7V到5.sv之间，可以与DSP实现无缝连接，省去中间电平转换。六个完全的ADC可大大提高硬件整体的并行处理速度，在50kHz输入信号下仍有大于80dB的共模抑制能力，特别适合于电力电网的扰环境中。在与2812的接口时，ADS83的每通道的差分输入V+lN都需要经比例运算放大器和电平自举电路将双极性交流信号转换为。一3.3v的信号，A/D转换器的最大时钟频率为SMHz，由TMs32oFZslZ的PWMI口提供，ADD和BYTE设为低电平，TOPFO控制ADS83的复位启动，三对(六通道)采样保护同步触发信号【’]来源于倍频输出信号HOLD，每对通道转换完毕后由EOC向XINTI发出外部中断请求，TMS320F2812响应中断请求后，通过地址线选通对应通道，将转换所得数据由数据线读入，再用软件进行误差校正和计算以供谐波分析用。由于电力系统时常会受到各种强电磁的随机干扰引起测量的随机误差，本装置为了克服随机干扰引入的误差，除了采用硬件滤波方法外，还采用了数字滤彼方法来抑制有效信号中的干扰成分降低随机误差，并对信号进行必要的平滑处理，保证系统的测量精度。.52FFT算法实现对电网的电信号实时采样得到离散的序列经FFT[41变换，不仅能滤除整次谐波分量和恒定的直流分量，对非整次谐波分量和按指数衰减的非周期分量的低频分量也有一定抑制能力。目前快速傅里叶算法发展得比较成熟，有多种算法实现FFT变换，如:基一ZFFT算法、基FFT算法(SRFFT)、素因子算法(pFA)，Winograd变换(wFTA)等，但在实际应用中，FFT算法的选择应考虑结构的复杂性和实现的难易程度，考虑到本系统实际采用基一ZFFT算法。基一ZFFT算法是在DFT算法的基础上进行优化得来的，FFT算法的基本原理是:把N点采样序列x(n)按N为偶和奇分为2个长为N/2的序列x(Zr)和x(Zr+1)，(r=o，1，2，…1N2一1)，其DFT为x(*)一“艺一‘二(2;)w矛‘+NIZ一1r艺二0x(Zr+1)W=N舀一‘，、r=o乙xl气r):1昨刀，;*./2十N召r=0乙x，(r)w万{ZW才=Xt(k)+W才XZ(k)k=01…N/2一1考虑到系数的周期性有叫一e一令_e一斋可洲‘k+2，=衅‘2毗所以当k=N/2，N/2+l，…XN一2+L儿=艺不(r)鲜{梦‘，“’+叫艺凡(r)叫男，“’=X，(k)一叫XZ(k)即N个采样序列的FFT可逐步简化为下面的碟形运算表示x(k)=xl(k)+w才XZ(k)x(走)=xl(k)一w才XZ(k)以上是FFT算法的核心思想，所以设计时需求采样点数为2的整数次幂组成的碟形运算，这需要进行大量的加法和乘法运算，应用DSP通过对碟形进行优化设计出最高效的FFT算法是本系统的关键和难点，本程序在设计时采用了以下一些技巧来提高FFT运算速度:(1)F盯算法用TMS320F2812芯片的汇编语言编写，充分利用Tl公司提供的数学库函数，尽量应用适合FT运算的指令和位反寻址模式，可以方便地进行逆序、正序的变换，而不需要额外的机器指令周期。2()尽可能使用并行指令、寄存器，用内部存储器代替外部存储器，61K的片内RAM保证F曰，运算完全可以在片内进行，将要进行FFT计算的采样序列和每个碟形因子分别存放于片内置成数据区的RAM中，使FFf以最佳的速度运行，从而大大提高了运行的速度。3()利用采样数据的对称特性进行适当的组合减少运算量，程序设计中充分利用了数据存储器指针的功能，将数据循环存放于内同一段地址，FFT计算结束时，输出的FPT运算结果正是在放置输入数据的地址空间中，节省了数据存储空间，使程序简单有效。4()应用单指令和块重复结构，避免循环花费附加的时间，计算时尽量避免指令系统本身没有提供的运算，在必须进行迭代运算时，注意迭代次数与计算精度的关系。(5)适当地进行归一化处理，防止溢出错误。根据N点FFT公式，由Parseval定理可得艺x’(n)=去艺Ix(k)1，电能质量专题用定点DSP芯片对大量数据累计求和实现FFT计算，如果没有对中间数值进行归一化处理，便会发生溢出错误。程序设计中应用DSP的移位特性，同时为了避免归一化降低运算精度，只对可能溢出的地方用因子2归一化处理，既防止溢出错误也不增加任何运算量。.53表征电能质量基本量的计算将电网中的信号低通滤波后，通过LM339和9012组成的过零比较器得到与电压信号频率相同的方波，用TMS320F2812的TIMERO定时器的计数和捕获功能计算可得电压频率。设输入信号为。*=A、in(k田+p*)经前面采样离散化后可根据以下的公式计算得到电能的基本量，至于其它量是在这些基本量的基础上在软件部分实现。单相电压、电流有效值u一V通1“=寸其.‘厂三相有功功率尸_上。夸’十』艺N忙。〕+艺1u视在功率5=U^+U。+Uc功率因数co“尹二丁尸6CAN通信模块和系统软件的设计CAN(ControllerAreaNetwork)总线是一种先进的串行通信协议1]5，它有效支持分布式控制及实时控制，并采用了带优先级的CSMA/CD协议对总线进行仲裁，允许多站点同时发送，既保证了信息处理的实时性，又使得CAN总线网络可以构成多主结构的系统，保证了系统的可靠性。CAN采用短帧结构，且每帧信息都有校验及其它检错措施，保证了数据的实时性、低传输出错率，具有很高的位速率和高抗电磁干扰性，而且能够检测出产生的任何错误。当信号传输距离达到10km时，CAN一bus仍可提供高达skbPs的数据传输速率，2002年被确定为电力通讯领域的国家标准TMS320F2812中的。CAN控制器集成CAN总线的物理层和数据链路层，支持CAN总线的2.0A与2.0B规范。CAN的可靠的错误检测与处理功能都是由控制器的链路层自动完成，其最大优点就是有咒个可以逐位屏蔽并带有超时监视和传送动态优先级的邮箱。这32个邮箱共有512个字节的存储空间来存放要发送或接收到的数。eCAN本身与SCC模式相兼容，并且增加了低功率模式，设置MC寄存器中的WUBA位，可实现Zooe年1期电气技木}55电能质量专题模块会自动退出低功率模式和工作模式的切换。强的程序如FFT算法、CAN通信错误中断等用汇编语言实现，而主程序、数据处理和数据显示、各模块的初始化、CAN报文收发和报文打包与解析等实时性本设计选用Tl公司的CAN收发器SN65HVD230和TMS32OF2812直接连接便可接入CAN总线网络，在两个CAN器件之间使用了由2个高速隔离器件6N137构成的隔离电路，以提高系统的瞬间抗干扰能力，该收发器工作电压为3.3V，节点上电位移对总线上的其它节点没有影响，在电噪声很大的电网环境中能可靠地实现与上位机和其它网络节点通信。在CAN模块驱动程序的软件设计时通信协议遵循DevieeNct规约，使之具有良好的模块性和移植性，通过软件对CAN模块进行参数配置，即可实现应用系统的“即插即用”功能。CAN的驱动程序分为三个层次:硬件抽象层、功能函数层和应用程序接口层。硬件抽象层文件CANREGH定义了各CAN控制器寄存器数据格式及读写访问的方法。功能函数层文件CANFUNC.C和CANFUNC.H包括CAN控制器各种控制功能的实现函数和CAN总线异常中断处理函数，该层的函数利用硬件抽象层中对寄存器操作的接口来访问CAN控制器，来实现各种CAN控制器能提供功能。应用程序接口层的文件有CANAPRH和CANAPPC，供用户实现现场通信，包括如下过程:(1)初始化CAN控制器:包括使能CAN模块、模块时钟设置、配置CAN管脚、初始化CANMC寄存器、清除中断标志位、CAN控制器的工作方式、总线波特率、验收过滤器等，以便让CAN控制器的各个功能与实际的工作相符。2()发送和接收数据:欲发送和接收的报文按一定协议打包或解析，在用户通讯命令控制下进行CAN信息帧的发送和接收，通讯参数的设置由简单的控制命令实现，最高可达300帧/s的数据传输速率。CAN网络上的节点信息可分成不同的优先级，按不同报文的实时性要求，在任意时刻主动地把本节点检测和计算好的各电能质量参数向CAN网络上任意其它节点和上位机发送信息以供分析、存储、显示及打印，也可接收上位机发送的包含有基本的控制命令的信息，使转换器与本节点标识符相匹配的报文进行网络通信，来对本节点状态信息进行高速检测和运行控制。7结论本系统的设计系在硬件资源的基础上充分利用软件实现强大的功能，整个系统测量精度高、抗干扰能力强、完全满足电能质量检测需求。软件设计遵循模块化设计思想，采用结构化程序设计案，实时性341电气技木2006年1期不强的程序用C语言实现。整个系统具有以下特点:选用Tl公司高性能32位DSP芯片TMS320F2812和高速16位AjD模块ADS83成功实现了大量数据的快速检测和处理，精度高而误差低。为保持系统设计的灵活性和可靠性，减小电路板面积，系统的时序和与DSP外围接口的控制逻辑选用单片高速可编程的EPM7128器件，弃用传统的分立逻辑元件。外置智能CAN总线接口模块，可方便的通过现场总线实现各节点网络通信，支持CANZ.OB协议(兼容CANZ.OA协议)，符合150/DISll8规范，CAN通信波特率在10KbPs一IMbPs之间可选，CAN通道采用光电隔离，隔离模块绝缘电压:100Ovrms。模块化的程序设计支持硬件节点即插即用和通信错误纠正功能，采用的芯片硬件标识和节点地址管理方式，使电网故障节点界定方便，网络维护成本低，当故障节点可自动关闭不影响网络其它节点。另将智能CAN总线接口通过集成TCP/IP协议的嵌入式网关连接至以太网，可以形成全国范围性的电能质量信息网，真正实现电网远程网络监测、控制和管理。参考文献1刘教民，李新福.开关电弧图像增强算法研究.电工技术学报，2005，20(4):60~712刘教民，赵小英，魏世泽.TMS320C40实现图像高速采集与处理系统.河北科技大学学报，2001，2(3):1一53TMS320C28xDSPCPUandInstructionSetReference-Guide(Rev.C).Texaslnstruments，5Nov20044苏奎峰等.TMS320F2812原理与开发.北京:电子工业出版社，20055胡广书.数字信号处理一一理论、算法与实现.北京:清华大学出版社，20036乌尽宽明.CAN总线原理和应用系统设计.北京:北京航空航天大学出版社，9196作者简介张华男，1977年生硕士研究生，主要研究方向为计算机控制方面的研究。刘教民男，1958年生博士，博士生导师，主要研究方向为智能电器与图像处理。
