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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)。關(guān)鍵詞：饋電自動(dòng)化終端單元 現(xiàn)場(chǎng)總線 同步采樣
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)總線正好可解決此問(wèn)題。為此，基于PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線技術(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。快速傅立葉變換（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�。―IT）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：
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