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基于PROFIBUS開發的FTU及同步采樣方法的研究
摘要：介紹了基于PROFIBUS現場總線技術、DSP技術和交流同步采樣技術研制的FTU（饋電自動化終端單元）。重點探討了PROFIBUS現場總線技術及交流同步采樣技術在系統中的應用及實現。關鍵詞：饋電自動化終端單元現場總線同步采樣
電力系統由發電、輸電、變電、配電及用電等多個環節組成。配電環節以其不可取代的地位越來越受到人們的關注，如何利用現有的技術來提高配電自動化的水平已成為當前設計人員所關注的重點。
PROFIBUS-DP是一種國際性的開放式現場總線標準，專為自動控制系統和設備級分散I/O之間的通信而設計。它性能穩定、傳輸速度高、價格低廉，具有非常好的應用前景。傳統的FTU（FeederTerminalUnit，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，通訊協議多種多樣，因此存在著通訊速度慢、協議不規范、不開放等缺點，而現場總線正好可解決此問題。為此，基于PROFIBUS現場總線技術、交流同步采樣技術和DSP技術等，研制了一種雙回線多功能FTU。該FTU除了具有傳統的三遙功能外，還具有故障錄波、諧波分析、SOE（事件順序記錄）、電源品質監測等功能。所有檢測數據可通過由SPC3協議芯片實現的PROFIBUS-DP現場總線接口傳送給主站，以滿足配電自動化系統的高集成度、智能化、網絡化和信息化的要求。
1數據處理算法及同步采樣方法
1.1FFT算法的選擇與實現
諧波分析的經典方法是傅立葉分析方法�？焖俑盗⑷~變換（FFT）作為系統的構心算法，其速度直接影響著系統的速度。這里采用是基二時間抽�。―IT）FFT算法。由于系統的采樣值是電壓和電流，都為實函數，為提高運算速度，根據FFT的奇、偶、虛、實時稱特性，把兩個通道的采樣值組成一個復數數據同時進行計算，從而同時得到兩個通道的各次諧波值。這樣不僅內存空間節省了一半，而且速度又可提高近1倍。并且對三角函數進行了預先計算，求出了正弦函數在一個周波內N個采樣點的值，并存儲在一個數組內，而余弦函數的值可由滯后四分之一周期的正弦函數值得到。這樣避免了每次對正弦函數和余弦函數的繁瑣計算，提高了速度。
1.2同步采樣的實現
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，而且正交樣品函數的周期應和信號的周期嚴格一致，即應當實現嚴格的同步采樣。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的仿真數據中可清楚地看郵。傳統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實時跟蹤信號基波頻率的變化，實時調整采樣頻率，實現同步采樣。它是一種預防式方法，硬件結構復雜，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據進行重新采樣或修正。這種技術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，計算復雜費時，難以滿足實時系統的要求；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的頻率有偏差時，信號與樣品函數的相位會不斷改變，如圖1所示。圖中，實線為信號波形（基波），虛線為樣品函數波形。設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為該方法的仿真數據。數據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。此種方法的優點是硬件結構簡單，不需要復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。但在實際的電網中，電網容量一般較大，頻率變化緩慢，若被測電源系統頻率變化率為每秒0.125Hz，即每秒0.25%，則每兩周期的變化只有0.0025/25=0.0001。從仿真數據第10行可看出，基波的設計誤差小于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仿真數據
行號修正次數信號頻/率樣品函數頻率基波計算值（實際值=1000)二次諧波計算值（實際值=100）計算值相對誤差（%）計算值相對誤差（%）1未修正0.900000944.183475.58142.6734042.67210.9965361000.998960.10104.183064.18320.9999751000.007870.00100.030160.03431.0000001002.904790.00100.000010.005未修正0.9900001000.065430.29111.9551411.96610.999792999.999940.01100.251760.25721.0000001000.312990.00100.000070.008未修正0.9990001000.000610.03101.207631.21910.9999981000.000610.00100.002530.0010未修正0.9999001000.031620.00100.120840.121111.0000001000.000000.0099.999980.00
1.3采樣次數的確定
在實際電力系統中，信號測量一般取1～19次諧波分量。19位次以上的諧波含量非常小，沒有實際應用意義。從信號的保真度來看，采樣周期必須滿足香農采樣定理，即采樣角頻率ωs≥2ωmax(ωmax是被采樣信號的最高角頻率)，才能避免出現頻譜混疊現象。另外，因采用基2-FFT算法，所以采樣次數必須是2的冪次，這里選擇每周期采樣64次。當信號的頻率為50Hz時，采樣頻率應為50Hz×64=3200Hz。因系統是兩回線系統，A/D變換分兩組交替進行，所以系統的采樣中斷頻率應為6400Hz。當信號頻率偏離50Hz時，采樣頻率跟蹤其變化，以保證64次采樣正好在一個信號周期內。
2硬件結構設計
該裝置硬件主要由CPU、開關量輸入輸出通道、頻率量輸入通道、模擬量輸入通道、PROFIBUS-DP現場總線通訊接口、實時時鐘、電源等部分組成，結構框圖見圖3。
圖3硬件結構框圖
現場總線通訊接口由SIEMENS公司的ASIC協議芯片SPC3來實現。SPC3集成了PROFIBUS-DP的物理層和數據鏈路層的完整協議，能自動監測波特率，上電后自動維護PROFIBUS-DP的從站狀態機。片內還集成一個保護監視定時器。如果微處理器有故障，則禁止PROFIBUS-DP通道，因而不至于危及外圍設備。SPC3還有一個公共的中斷輸出，可通過讀取中斷寄存器來判斷中斷源的性質。中斷源包括：NEW-SSA-DATA、NEW-PRM-DATA、NEW-CFG-DATA、NEW-GC-COMMAND、DX-OUT等。UART負責將并行數據流轉換成串行數據流或將串行數據流轉換成并行數據流。
由于對各種電參數的測量和諧波分析不僅需要對交流信號進行高速采樣，而且還需要進行大量的實時計算，對CPU的運算速度要求非常高，普通的單片機難以勝任，因此本單元的CPU采用DSP。本次設計采用的DSP是美國TI公司的TMS320F206。
三相電源系統每回線需要3路電壓通道和3路電流通道，兩回線共需12路交流通道。本裝置共配置了16路模擬量輸入通道，剩下的4路作為直流通道，可作為溫度、壓力等信號的測量通道。為了測量相角及功率因數，必須同時采樣每一回線的6路信號，所以選用兩片DALLAS公司的MAX125A/D轉換器來完成此項工作。
在電壓和電流通道輸入端采用了小型PT或CT互感器進行隔離和信號變換，可直接接入220/380V低壓信號或100V/5A標準互感器信號來測量高壓或大電流系統。既可用3相4線Y型接法，也可用3相3線V形接法。在模擬量輸入通道前端還配置了二階有源低通濾波器，以消除高次諧波和噪聲信號，減輕諧波分析時出現的頻譜混疊現象。
3軟件設計
本裝置功能要求復雜，因而軟件系統采用了模塊化、由頂向下逐步細化的結構設計方法。編程語言主要采用TI公司提供的優化C語言，個別地方采用C2XX匯編語言，提高了軟件編程效率和程序的可讀性。
軟件主要包括主程序、SPC3通訊中斷服務程序、定時器中斷服務程序、A/D變換完成中斷服務程序等幾個部分。主程序完成硬件初始化、硬件自檢、中斷任務初始化、諧波分析、電參量計算、越限報警等功能；SPC3通訊中斷服務程序完成與上位機的通訊、定時器中斷服務程序完成各軟件定時器的定時、毫秒時鐘的維護等；A/D變換完成中斷服務程序完成數據的采集、采信通道的切換等。圖4為SPC3通訊中斷服務程序軟件流程圖。
本文主要從開發的角度探討了同步采樣技術及PROFIBUS-DP技術在配電自動化終端的應用，介紹了配電自動化終端的軟硬件實現。經實驗檢驗，現場總線接口運行穩定可靠；系統采用的同步采樣技術計算快速準確、簡單實用，完全滿足工程應用的要求。但限于使用的是定點DSP，運算速度相對較慢，所以系統的計算精度和實時性還有待提高。
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