基于DSP的发电机电压扰动量采集系统
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交流采样技术及其DSP实现方法摘要:本文提出了对电力系统参数进行交流采样的设计思想,结合实例介绍以TMS320C240DSP与高速14位A/D转换器AD7863构成的数据采集系统,给出了采样算法、硬件电路及软件流程等。
关键词:交流采样 DSP 锁相环1.引言目前,交流电参量的采样测量方法主要有两种:直流采样法和交流采样法。
直流采样法是采样经过整流后的直流量,对采样值只需作一次比例变换即可得到被测量的数值,软件设计简单,计算方便。
但直流采样法存在一些问题:测量精度直接受整流电路的精度和稳定性的影响;整流电路参数调整困难且受波形因素影响较大;此外,用直流采样法测量工频电压、电流是通过测量平均值来求出有效值的,当电路中谐波含量不同时,平均值与有效值之间的关系也将发生变化,给计算结果带来了误差。
因此,要获得高精度、高稳定性的测量结果,必须采用交流采样技术。
交流采样技术是按一定规律对被测信号的瞬时值进行采样,再按一定算法进行数值处理,从而获得被测量的测量方法。
该方法的理论基础是采样定理,即要求采样频率为被测信号频谱中最高频率的2倍以上,这就要求硬件处理电路能提供高的采样速度和数据处理速度。
目前,高速单片机、DSP及高速A/D转换器的大量涌现,为交流采样技术提供了强有力的硬件支持。
交流采样法包括同步采样法、准同步采样法、非同步采样法等几种,本文介绍的是同步采样法。
同步采样法就是整周期等间隔均匀采样,要求被测信号周期T与采样时间间隔Δt及一周内采样点数N之间满足关系式T=N·Δt,即:采样频率为被测信号频率的N倍。
根据提供采样信号方式不同,同步采样法又分为软件同步采样法和硬件同步采样法两种。
硬件同步采样法是由专门的硬件电路产生同步于被测信号的采样脉冲。
它能克服软件同步采样法存在截断误差等缺点,测量精度高。
利用锁相频率跟踪原理实现同步等间隔采样的电路如图1所示。
图1 倍频锁相同步电路在相位比较器PD、低通滤波器LP、压控振荡器VCO构成的锁相环内加入N 分频器,输入f i为被测信号的频率,作为锁相环的基准频率,输出f0 为采样频率。
采用DSP的声音采集系统硬件原理及设计声音信号无处不在,同时也包含着大量的信息。
在日常的生产生活中,我们分析声音信号,便可以简化过程,得到我们想要的结果。
随着 DSP芯片的性价比不断攀升,使 DSP得以从军用领域拓展到民用领域,由于 TI公司 DSP5000系列强大的音频压缩能力,语音应用得到了较大的发展。
因此,基于 DSP的声音采集系统的设计与开发具有重要的现实意义。
1系统总体介绍该系统主要应用于工业生产中,通过采集的声音信号与数据库中的数据相比声音信号无处不在,同时也包含着大量的信息。
在日常的生产生活中,我们分析声音信号,便可以简化过程,得到我们想要的结果。
随着 DSP 芯片的性价比不断攀升,使 DSP得以从军用领域拓展到民用领域,由于 TI公司 DSP5000系列强大的音频压缩能力,语音应用得到了较大的发展。
因此,基于 DSP的声音采集系统的设计与开发具有重要的现实意义。
1系统总体介绍该系统主要应用于工业生产中,通过采集的声音信号与数据库中的数据相比较,来检测生产设备的运行状态等。
本系统主要分为以下几个部分:电平转换电路、 AD转换电路、静态存储与动态存储、USB接口以及 JTAG部分。
该系统通过采集声音信号来检测器械的裂纹、密合度等。
将 DSP高速处理数字信号的能力与 USB高速传输数据的能力结合起来,使其服务于工业生产,是该系统的主要设计目的。
系统选用了 TI公司的TMS320VC5402作为该块 PCB的CPU,并将 Philips公司的 PDIUSBD12作为接口芯片,使用 USB1.1协议进行DSP与电脑的通信。
2硬件设计思想人类可以听到的声音信号是范围在 20-20kHz的模拟信号,所以首先需要传感器接收该声音信号,接着需要进行转换,使声音信号由模拟信号变为数字信号。
之后通过分析噪声产生的原因和规律,利用被测信号的特点和相干性,检测被覆盖的声音信号。
在检测方法上有频域信号的相干检测、时域信号的积累平均、离散信号的计数技术、并行检测等方法。
DSP 交流采样电路设计1.实验目的本次实验针对电气工程及其自动化专业及测控专业。
通过综合实验,使学生对所学过的DSP在继电保护中的应用有一个系统的认识,并运用自己学过的知识,自己设计模拟继电保护过程实验系统。
要求用DSP完成对电网的电压的采样,然后经过DSP的处理,可以对系统继电器的跳合进行控制,自己设计,自己编程,最后自行调试,自行实现自己的设计。
在整个试验过程中,摆脱以往由教师设计,检查处理故障的传统做法,由学生完全自己动手,互相查找处理故障,培养学生动手能力。
学生试验应做到以下几点:1. 通过DSP程序的设计模拟继电保护跳闸实验,进一步了解DSP在继电保护中的应用。
2. 通过实验线路的设计,计算及实际操作,使理论与实际相结合,增加感性认识,使书本知识更加巩固。
3. 培养动手能力,增强对DSP运用的能力。
4..培养分析,查找故障的能力。
5. 增加对DSP外围电路的认识。
2.实验设备DSP板、仿真器、面包板、采样板器件,电烙铁,其它工具。
3.实验原理1、DSP最小系统电路图(一)、电流采样电路的设计本次电流采样电路选择的电流互感器总共由两级,前一级互感器变比为4A :1A ,第二级互感器采用TA1015-1,其变比为5A:5mA ,也就是1000:1,两级总共的互感器比例为4000:1。
即电流互感器一次侧的电流大小为4A ,二次侧的电流大小为1A ,二级互感器的二次侧电流大小为1mA 。
如图3-6,在互感器二次侧并一个1K 的电阻即可将一次侧的4A 的强电流信号变换为二次侧的弱电压信号,其计算公式为: )(0.14000/4/12mA A k i i === (3-1) )(0.1101100.13322V R i u =***==- (3-2) 其峰值为: )(414.10.1222V u u p =*== (3-3)即电流互感器二次侧输出的电压范围为-1.414V 至+1.414V ,即一次回路里的220V 的工频交流便被线性转化为-1.414V 至+1.414V 。
基于DSP的数据采集及FFT实现基于数字信号处理器(DSP)的数据采集和快速傅里叶变换(FFT)实现在信号处理和频谱分析等领域具有广泛的应用。
通过使用DSP进行数据采集和FFT实现,可以实现高速、高精度和实时的信号处理。
首先,数据采集是将模拟信号转换为数字信号的过程。
数据采集通常涉及到模拟到数字转换器(ADC),它将模拟信号进行采样并进行量化,生成离散的数字信号。
DSP通常具有内置的ADC,可以直接从模拟信号源获取数据进行采集。
采集到的数据可以存储在DSP的内存中进行后续处理。
数据采集的关键是采样频率和采样精度。
采样频率是指在单位时间内采集的样本数,它决定了采集到的频谱范围。
采样频率需要满足奈奎斯特采样定理,即至少为信号最高频率的2倍。
采样精度是指每个采样点的位数,它决定了采集到的数据的精确程度。
常见的采样精度有8位、16位、24位等。
在数据采集之后,可以使用FFT算法对采集到的数据进行频谱分析。
FFT是一种用于将时间域信号转换为频域信号的算法,它能够将连续时间的信号转换为离散频率的信号。
FFT算法的核心是将复杂度为O(N^2)的离散傅里叶变换(DFT)算法通过分治法转化为复杂度为O(NlogN)的算法,使得实时处理大规模数据成为可能。
在使用DSP进行FFT实现时,可以使用DSP芯片内置的FFT模块,也可以通过软件算法实现FFT。
内置的FFT模块通常具有高速运算和低功耗的优势,可以在较短的时间内完成大规模数据的FFT计算。
软件算法实现FFT较为灵活,可以根据实际需求进行调整和优化。
通常,FFT实现涉及到数据的预处理、FFT计算和结果后处理。
数据的预处理通常包括去除直流分量、加窗等操作,以减小频谱泄漏和谱漂的影响。
FFT计算是将采集到的数据通过FFT算法转换为频域信号的过程。
结果后处理可以包括频谱平滑、幅度谱归一化、相位分析等。
通过合理的数据预处理和结果后处理,可以获得准确的频谱信息。
除了基本的数据采集和FFT实现,基于DSP的数据采集和FFT还可以进行其他扩展和优化。
DSP课程论文(设计)题目基于DSP语音信号采集系统的设计院系专业学生姓名学号指导教师二O一四年五月二十八日基于DSP语音信号采集系统的设计摘要:为了研究数字信号处理,提出了一个基于DSP TMS320VC5502的语音信号采集系统的设计。
给出了该系统的总体设计方案,具体硬件电路,包括系统电源设计、复位电路设计、时钟电路设计、存储器设计、A/D接口电路设计、JTAG接口设计、DSP与A/D芯片的连接等,以及软件流程图。
通过MATLAB得到语音信号的波形和频谱图。
实验表明: 所设计的基于DSP的硬件和软件系统是一个很好的语音信号采集系统,该系统结构清晰,电路简洁,易于实现。
关键词:语音信号;数据采集;DSP;TLC320AD501.引言20世纪50年代以来,随着数字信号处理各项技术的发展,语音信号处理技术得到不断提高, 语音合成、语音识别、语音记录与语音控制等技术已开始逐步成熟并得到应用。
在语音信号处理过程中, 要实现语音信号处理技术的精确性、实时性目的,语音信号采集和无误差存储成为语音信号处理中的前提。
TMS320VC5502是德州仪器公司公司在2002年基于TMS320VC5502推出的定点数字信号处理器,它采用修正的哈佛结构,包括1个程序存储总线、3个数据存储总线和4个地址总线,这种结构允许同时执行程序指令和对数据操作,运行速度快,单周期定点指令执行时间为5ns,远高于语音信号采集和处理的要求。
在语音信号采集中, 模拟信号向数字信号转换(ADC)的精度和实时性对后续信号处理过程起到了重要作用。
设计中采用TLC320AD50完成语音信号的A/D转换。
TLC320AD50是TI公司提供的一款16 bit 同步串口A/D和D/A转换芯片,ADC之后有1个抽取滤波器以提高输入信号的信噪比, 其采样频率最高可达22.5 Kb/s,满足语音信号处理中关于采样频率的要求。
2.总体设计基于TMS320VC5502的语音信号采集系统的结构如图2–1所示,该系统的中央处理单元采用美国TI(德州仪器)公司的高性能定点数字信号处理芯片TMS320VC5502,TMS320VC5502是TI 公司推出的定点数字信号处理器,它采用修正的哈佛结构,包括12组独立总线,即1组程序读总线,1组程序地址总线,3组数据读总线,2组数据写总线,5组数据地址总线。
- 14 -高 新 技 术电力系统包括发电机、变压器、输电线路以及电力负荷等设备。
其中,发电机是电能的提供者,起到不可替代的重要作用。
从启机到运行,发电机组有一系列标准化、规范化的操作,最重要的操作就是并网操作。
并网操作不当就可能会导致发电机及其附属设备(例如水轮机、汽轮机等重要设备)承受较大的扰动冲击,影响其运行情况,轻则使设备发生不同程度的损坏,重则使设备受损严重,并网过程中的暂态大电流冲击还会引起电网安自装置越级动作,导致供用电中断,进而影响居民可持续使用电能。
因此,研究发电机并列运行影响因素具有重要的现实意义。
发电机和电网或者不同的发电机之间的并列方式分为准同期和自同期。
目前,中压发电机主要采用准同期并列方式,当并网开关两端满足一定条件时,合上并网开关,实现并网操作,最大程度地减少合闸暂态过程对电网的冲击。
发电机准同期并列接入电网的主要条件如下:1) 发电机电压和电网电压相序一致。
2) 发电机电压和电网电压幅值相差不超过0.5%。
3) 发电机电压和电网电压频率相差不超过0.5%。
4) 发电机电压和电网电压相位差不超过1°[1-2]。
该文基于仿真软件进行相关研究,模型中系统的频率设置为50 Hz ,发电机频率也设置为50 Hz ,默认发电机电压与系统电压的频率相等,条件一和条件三默认满足,只研究条件二和条件四对发电机并网的影响。
1 ADPSS 电磁暂态仿真平台简介电力系统全数字仿真装置(Advanced Digital Power System Simulator ,ADPSS )是由中国电力科学研究院科研人员自主研发的全数字仿真系统,基于高性能、国产化的服务器机群,采用网络分布式并行计算技术对大系统进行网络分割,实现3 000台发电机和30 000个以上节点的大规模交直流混合电力系统机电、电磁暂态混合以及机电暂态快速仿真计算,可用于分布式光伏、风电等新能源和储能系统电磁暂态仿真分析和试验研究工作[3]。
基于DSP的发电机电压扰动量采集系统陈海宏1,魏 巍2,姚肖方2,万书亭2(1.苍南电力有限责任公司,温州325802;2.华北电力大学机械工程系,保定071003)摘要:研制了一套基于数字信号处理器DSP的发电机电压扰动量采集系统,采用TMS320F2812型号的DSP芯片,设计了电压扰动采集和分析系统硬件电路。
根据瞬时无功功率理论,提出一种计算瞬时电压有效值的方法,并采用C语言编制了相应的系统软件,能够实时采集发电机定子三相电压、电流和转子电压、电流,并且能够实时进行三相电压扰动量的提取。
最后通过三相标准电能表校验装置(XL803)进行了采集精度校验,达到了预期目标。
关键词:发电机;电压扰动量;数据采集;数字信号处理器(DSP);TMS320F2812中图分类号:TM31 文献标志码:A 文章编号:1003-8930(2012)05-0077-06Acquisition System of Generator Voltage Disturbance Based on DSPCHEN Hai-hong1,WEI Wei 2,YAO Xiao-fang2,WAN Shu-ting2(1.Cangnan Electric Power Corporation,Wenzhou 325802,China;2.School of Mechanical Engineering,North China Electric Power University,Baoding 071003,China)Abstract:This paper developed an acquisition system of generator voltage disturbance based on DSP.Firstly,the type of TMS320F2812DSP chip was adopted,and the hardware circuit of voltage disturbance acquisitionand analysis system were designed.Then according to the theory of instantaneous reactive power,a method ofcalculating the effective value of transient voltage was proposed,and the corresponding system software wasprogrammed by C language,which can real-time acquire three-phase voltage and current of generator stator,voltage and current of rotor,and can real-time carry out the fluctuation extraction of three-phase voltage.Fi-nally the three-phase voltage and current were acquired by three-phase standard energy meter(XL803)to verifythe acquisition accuracy,and achieved the expected target.Key words:generator;voltage disturbance;data acquisition;digital signal processor(DSP);TMS320F2812 随着电网规模不断扩大,具有快速调节性能的自动控制装置逐渐增多。
但发电机快速励磁系统在提高系统响应速度的同时,励磁系统时间常数大大减小,降低了电力系统阻尼,甚至出现负阻尼,使系统的稳定性受到影响[1,2]。
电力系统稳定器PSS(power system stabilizer)就是为抑制低频振荡而研究的一种附加励磁控制技术。
它在励磁电压调节器中,引入领先于轴速度的附加信号,产生一个正阻尼转矩,去克服原励磁电压调节器中产生的负阻尼转矩作用。
用于提高电力系统阻尼,是提高电力系统动态稳定性的重要措施之一[3]。
本文首先提出一种发电机电压扰动量分析系统,此系统是进行同步发电机无补偿滞后特性(相频特性)测量、PSS性能测试、整定其参数基本仪器之一,能够完成发电机电压电流测量、转子电压电流测量,频谱分析、白噪声输出及其产生的扰动信号测量等功能。
从而通过测量励磁系统滞后频率特性、PSS临界放大倍数等试验,确定机组PSS参数,使其投入运行。
然后重点分析了本系统的数据采集系统软硬件实现方法和发电机电压扰动量实时计第24卷第5期2012年10月 电力系统及其自动化学报Proceedings of the CSU-EPSAVol.24No.5Oct. 2012 收稿日期:2011-04-13;修回日期:2011-05-24算方法,并通过三相标准电能表校验装置(XL803)进行了采集精度校验,达到了预期目标。
1 发电机电压波动信号分析系统总体框架发电机电压波动信号分析系统的总体框架如图1所示,包括硬件部分:互感器、信号调理、采样芯片、数字信号处理器和白噪声信号发生器;软件部分:DSP程序和上位机程序。
图1 系统总体框架Fig.1 General framework of the system1.1 硬件部分1)互感器三相交流电压、电流信号采用常规无源高精度电压、电流互感器;直流电压、电流信号采用瑞士LEM集团的电压、电流传感器。
2)信号调理将需要采集的信号进行滤波与调制,生成适合采样芯片输入要求的电压信号。
3)采样芯片(A/D转换)采用数字信号处理器内部的A/D模块,以节省成本。
4)数字信号处理器(DSP)采用TI公司的TMS320F2812,该芯片主频高达150MHz,并有丰富的外设,能够满足数据采集和信号处理的要求。
5)白噪声信号发生器(D/A转换及驱动)采用单通道、高精度D/A转换芯片,将DSP产生的白噪声数字信号转换为模拟信号,采用功率运放提升信号的驱动能力,以满足PSS信号接口的需求。
1.2 软件部分1)DSP程序DSP程序包含以下部分:信号采集、机端电压扰动量提取、白噪声信号生成以及与上位机的通信。
机端电压扰动量的提取采用基于无功功率理论的瞬时电压有效值实时计算方法,能够实时测得三相电压有效值的波动,进而测得机端电压对控制输入扰动的响应。
与上位机的通信程序,需要根据自定义的通信协议,实现与后台软件的实时交互,完成功能设置(如启动、停止、录波等)及参数设置,以及实时上传采样或预处理过的波形数据。
2)上位机程序后台软件主要完成图形界面的显示、数据的存储、数据的分析以及同DSP的通信。
2 基于DSP的发电机电信号采集模块硬件设计2.1 ADC模块设计TMS320F2812芯片内部的ADC模块,只能同时对两路信号进行并行采样,但是在本系统中需要对三相交流电压、电流和转子电压、电流共八路信号进行同步采样。
考虑到三相交流电压、电流的测量需要比较高的精度和速度要求,使用外置的ADC采样芯片ADS8365对三相交流电压、电流采样,而使用2812内置的ADC模块对转子电压、电流进行采样。
ADS8365引脚如图2所示,为了实现ADS8365多个通道的同步采样,采用2812的T1PWM作为ADS8365的CLK时钟输入信号,2812的GPIOF9引脚作为数字I/O口来控制ADS8365的A、B、C三组启动控制信号HOLDA、HOLDB和HOLDC,这样六通道的同步采样,就可以通过控制2812的GPIO9引脚来实现[4]。
ADS8365芯片需要的参考电压VREF由电源供电系统提供的2.5V作为输入,芯片的供电电压接供电电压的+5V,此外转换结束信号EOC与F2812的CAP1相连,使其捕获信号读取转换结果。
2.2 系统电源(1)TMS320F2812的外部I/O电压为3.3V,内核电压为1.8V,需要两种电平的电源供电,采用TPS767HD318为TMS320F2812提供1.8V和3.3V的直流电源,如图3所示。
(2)A/D转换需要VREF为2.5V稳定电压作为标准电压,所以通过LM4128-2.5将5V转换为2.5V,并通过LMV841MG使其稳定输出,具体电路图如图4所示。
·87·电力系统及其自动化学报 第24卷图2 ADS8365芯片引脚Fig.2 ADS8365chip pin connection图3 电源芯片Fig.3 Power supply chip (3)采集信号时须在芯片前加整流二极管,其两端需要模拟电压为+4.3V和+0.7V,在此将5V通过电阻RW4、RE5和运算放大器LMV842MA输出+4.3V和+0.7模拟电压,电路如图5所示。
·97·第5期 陈海宏等:基于DSP的发电机电压扰动量采集系统图4 2.5V标准电压输出电路Fig.4 2.5Vstandard voltage output circuit图5 +4.3V和+0.7模拟电压转换电路Fig.5 +4.3Vand+0.7Vsimulate voltageconversion circuit2.3 电流电压互感电路LF-AI11-32是交流电流互感器,它能把外部采集到的电流信号转化为0~5V的电压信号,再通过LMV844M运算放大器,送入信号采集单元。
交流电压互感电路和交流电流互感电路如图6和图7所示。
此外本系统还需对转子电压、转子电流进行采集,采用LEM电压、电流传感器,具体电路如图8和图9所示。
2.4 USB通信模块本系统使用的是飞利浦D12USB2.0芯片,它有两个传输线:端点1和端点2。
端点1使用中断方式,用于传输小量数据;端点2使用批量方式,用于传输大量数据。
3 基于无功功率理论的瞬时电压有效值实时计算方法 为了提高系统响应速度,在电压发生扰动时能及时提取到电压有效值的扰动量,需实时求出电压的瞬时有效值,并对电压的突变有较高的灵敏度,本文采用了基于无功功率理论的瞬时电压有效值实时计算方法[5]。
设三相瞬时电压ea、eb、ec和三相瞬时电流为ia、ib、ic,分别将他们变换到两相正交的α-β坐标上,两相瞬时电压eα、eβ和两相瞬时电流iα、iβ为·08·电力系统及其自动化学报 第24卷eαe[]β=2/槡31-1/2-1/0 22 -槡3/[]2eaebe熿燀燄燅c(1)iαi[]β=2/槡31-1/2-1/0 22 -槡3/[]2iaibi熿燀燄燅c(2)瞬时有功功率可定义[6]为p=iαeα+iαeβ(3)瞬时无功功率可定义为q=iαeβ+iβeα(4)将三相电压信号及产生的正弦信号分别代入式(1)和式(2),得出两相瞬时电压eα、eβ和两相瞬时电流iα、iβ,将其带入式(3)可得到瞬时有功功率为p=槡2/3[easinωt+ebsin(ωt- 2π/3)+ecsin(ωt+2π/3)](5)基于无功功率理论的瞬时电压有效值计算公式为eff =槡2/3[easinωt+ebsin(ωt-2π/3)+ ecsin(ωt+2π/3)](6)4 系统测试采用三相标准电能表校验装置(XL803)来测试系统运行情况,使标准源产生相电压有效值为155V,频率为50Hz,幅值为220V。