基于DSP的风电场电能质量监测装置研究设计.PDFVIP

基于 DSP 的风电场电能质量监测装置研究设计 随着全世界新能源风力发电的大力发展，电能质量的监测成为风电场的研究热点。风电场电 能质量问题可以分为稳态电能质量与暂态电能质量问题。暂态电能质量问题通常以频谱和持 续时间为特征，分为脉冲暂态和振荡暂态两大类，其主要表现形式有:电压脉冲、浪涌、暂 态振荡、电压跌落、毛刺或尖峰、电压突起、电压中断及电压短时闪变等，被普遍接受的主 要性能指标有电压短时变动(上升、下降、中断)、电磁暂态(脉冲、振荡)。 为了满足电能质量监测的实时性、高速性和连续性，本文选用高速数字信号处理器 DSP 和复杂可编程逻辑器件 FPGA 实现了采样和数据分析同步进行，达到了同步不间断地监测电 能质量的目的，并采用 CAN 总线通信方式与远方控制中心通信，使分析的数据结果可以快速 可靠地传到上位机。 1 硬件设计 本文设计的风电场电能质量监测系统采用 DSP、FPGA、CAN 等控制器组成，系统结构如 图 1。系统实现了对风电场运行过程中各性能指标的实时监测，这些指标分为稳态电能质量 (包括电压有效值、电流有效值、有功功率、无功功率等)及暂态电能质量(包括电压波动、 电压短时闪变计算)。同时建立良好通信，以便上位机存储数据，控制数据的采集、计算和 分析。 本系统采用的是“DSP+FPGA”的模式结构。数据采样芯片是 16 位模数转换芯片 ADS8364。经过电流变换器和电压变换器后的风电场三相电压电流信号以及风速风向信号， 由模数芯片 ADS836 进行同步采样、保持、A/D 转换成数字信号，传送至 DSP 进行分类计算 和数据处理，然后通过 CAN 通信接口传送至上位机，进行数据的分析管理。 DSP 采用 TI 公司一款高性价比的 2000 系列DSP 处理器TMS320F28335，TMS320F28335 是基于 TMS320Cxx 内核的浮点数字信号处理器，是一款功能强大的 32 位浮点 DSP 芯片。 TMS320F28335 具有150 MHz 的高速处理能力，具备 32 位浮点处理单元，6个 DMA 通道支持 ADC，有多达18 路的 PWM输出，其中有 6 路为TI特有的更高精度的 PWM输出，12位16 通 道 ADC，DSP片内内置 256 K×16 bit Flash，8 K×16 bit Boot ROM。本文中的 TMS320F28335 主要完成采样数据的实时分析处理，进行各电能质量指标计算，并将计算结果传送至上位机。 ADS8364 是一种高速、低功耗、六通道同步采样和转换的 16位模数转换器，采用+5 V 工作 电压，主要完成对风电场的三相电压电流以及风速风向进行采样，采样数据发送至 DSP 进行 实时分析处理。FPGA 采用 T2C35-V3，主要实现整个系统的逻辑控制，控制 A/D 采样与芯片 译码。 2 软件设计 从软件设计角度看，DSP 系统主要完成实时数据的采集、小波消噪和计算，同时通过 CAN 总线响应上位机系统的通信请求，把各种计算结果和信息传送至上位机，而上位机对整个系 统进行控制和管理，在需要数据的时候，向 DSP 系统发出通信请求，获取各种数据和信息。 这样的设计使大量的实时采样和计算与系统的管理和控制可以并行执行，通过通信使双方在 任务执行上同步。其中小波消噪可以较好保存原信号中的高频突变部分。软件结构如图 2 所示。 DSP 系统的软件程序采用汇编语言和 C 语言混合编程，其中主程序和一部分子程序用 C 语言编写，而一些运算量比较大的算法子程序使用汇编语言编写，这样可以提高软件的执行 效率，更好利用 DSP 芯片的软硬件资源。程序使用模块化设计，主要包括数据采集、电能质 量算法和数据分析程序。用汇编语言编制 FFT算法部分，在一个周波内实现对电压电流、风 速风向 8 路信号的 128个采样点进行 FFT 分析。由 FFT 运算得到基波的幅值和相位以及各次 谐波的幅值和相位，可求出三相电压的正序、负序分量，从而确定三相不平衡度。本 DSP 系统程序还可分析计算得到电压有效值、电流有效值、有功功率、无功功率、功率因数、频 率、电压波动，电压短时闪变计算等测量结果，运算流程如图 3 所示。