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基于PROFIBUS開(kāi)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(chǎng)總線(xiàn)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(dòng)化終端單元）。重點(diǎn)探討了PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)及交流同步采樣技術(shù)在系統(tǒng)中的應(yīng)用及實(shí)現(xiàn)。電力系統(tǒng)由發(fā)電、輸電、變電、配電及用電等多個(gè)環(huán)節(jié)組成。配電環(huán)節(jié)以其不可取代的地位越來(lái)越受到人們的關(guān)注，如何利用現(xiàn)有的技術(shù)來(lái)提高配電自動(dòng)化的水平已成為當(dāng)前設(shè)計(jì)人員所關(guān)注的重點(diǎn)。
PROFIBUS-DP是一種國(guó)際性的開(kāi)放式現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)，專(zhuān)為自動(dòng)控制系統(tǒng)和設(shè)備級(jí)分散I/O之間的通信而設(shè)計(jì)。它性能穩(wěn)定、傳輸速度高、價(jià)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(dòng)化終端單元）的通訊接口大多基于通用異步串口實(shí)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(kāi)放等缺點(diǎn)，而現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)正好可解決此問(wèn)題。為此，基于PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)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(xiàn)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(cè)等功能。所有檢測(cè)數(shù)據(jù)可通過(guò)由SPC3協(xié)議芯片實(shí)現(xiàn)的PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)接口傳送給主站，以滿(mǎn)足配電自動(dòng)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(shí)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(shí)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(shí)函數(shù)，為提高運(yùn)算速度，根據(jù)FFT的奇、偶、虛、實(shí)時(shí)稱(chēng)特性，把兩個(gè)通道的采樣值組成一個(gè)復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)同時(shí)進(jìn)行計(jì)算，從而同時(shí)得到兩個(gè)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(duì)三角函數(shù)進(jìn)行了預(yù)先計(jì)算，求出了正弦函數(shù)在一個(gè)周波內(nèi)N個(gè)采樣點(diǎn)的值，并存儲(chǔ)在一個(gè)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(duì)正弦函數(shù)和余弦函數(shù)的繁瑣計(jì)算，提高了速度。
1.2 同步采樣的實(shí)現(xiàn)
由于FFT是一種對(duì)非周期信號(hào)在周期延拓后進(jìn)行的變換，所以采樣點(diǎn)必須均勻分布在一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)，而且正交樣品函數(shù)的周期應(yīng)和信號(hào)的周期嚴(yán)格一致，即應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的同步采樣。否則會(huì)引起信號(hào)的頻譜泄漏，帶來(lái)很大的測(cè)量誤差，特別是對(duì)高頻分量，計(jì)算出來(lái)的值可信度極低。這一點(diǎn)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(lèi)。硬件同步方法是用鎖相環(huán)實(shí)時(shí)跟蹤信號(hào)基波頻率的變化，實(shí)時(shí)調(diào)整采樣頻率，
實(shí)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(hào)有較大的畸變或者有強(qiáng)噪聲時(shí)，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(guò)零點(diǎn)、加窗插值等步驟對(duì)原始采樣數(shù)據(jù)進(jìn)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(chǔ)容量大，計(jì)算復(fù)雜費(fèi)時(shí)，難以滿(mǎn)足實(shí)時(shí)系統(tǒng)的要求；而且當(dāng)信號(hào)有較大的畸變或者有強(qiáng)噪聲時(shí)，尋找過(guò)零點(diǎn)亦存在誤差問(wèn)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(hào)頻率與樣品函數(shù)的頻率有偏差時(shí)，信號(hào)與樣品函數(shù)的相位會(huì)不斷改變，如圖1所示。圖中，實(shí)線(xiàn)為信號(hào)波形（基波），虛線(xiàn)為樣品函數(shù)波形。設(shè)相鄰的兩個(gè)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(gè)采樣周期。若采樣點(diǎn)取為N個(gè)，則信號(hào)的周期T=N×Tk 1，于是可計(jì)算出信號(hào)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(hào)的頻率變化，達(dá)到同步采樣的目的。此種方法的優(yōu)點(diǎn)是硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要復(fù)雜的鎖相或測(cè)頻電路；同時(shí)計(jì)算簡(jiǎn)單快速，存儲(chǔ)容量��；而且因?yàn)镕FT具有濾波特性，在信號(hào)較大的畸變或者強(qiáng)噪聲時(shí)，可以克服尋找過(guò)零點(diǎn)時(shí)的誤差問(wèn)題。這種方法的缺點(diǎn)是每次補(bǔ)償需要兩個(gè)周期，且只有存在偏差時(shí)才能進(jìn)行修正，有一定的滯后，當(dāng)頻率變化較大或者變化頻率時(shí)，會(huì)造成一定的誤差。但在實(shí)際的電網(wǎng)中，電網(wǎng)容量一般較大，頻率變化緩慢，若被測(cè)電源系統(tǒng)頻率變化率為每秒0.125Hz，即每秒0.25%，則每?jī)芍芷诘淖兓挥?.0025/25=0.0001。從仿真數(shù)據(jù)第10行可看出，基波的設(shè)計(jì)誤差小于0.01%，二次諧波計(jì)算誤差為0.12%，所以此種同步測(cè)量方法完全可以滿(mǎn)足實(shí)際要求。
表1 仿真數(shù)據(jù)
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