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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。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（Feeder Terminal Unit，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
1.1 FFT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，存儲容量小；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
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