CN109582636A - 一种基于dsp的配电装置及其数据采集处理方法 - Google Patents

一种基于dsp的配电装置及其数据采集处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于DSP的配电装置，包括DSP数字信号处理器、异步串行通信接口模块、以太网模块、数据采集模块、片外存储器和参数存储器，所述数据采集模块、以太网模块通过数据和地址总线与DSP数字信号处理器通信，所述片外存储器通过SPI总线协议与DSP数字信号处理器通信，所述异步串行通信接口模块、以太网模块分别连接上行串口或网口转换单元，实现与上位机的通讯。本发明还公开了一种基于DSP的配电装置的数据采集处理方法。本发明采集路数多，最大支持64个外部模拟量数据输入；对于不同地区、不同现场的电力模拟量数据的输入，能够灵活配置。

Description

一种基于DSP的配电装置及其数据采集处理方法
技术领域
本发明涉及配网和工业自动化应用中的数据采集技术领域，尤其是一种基于DSP的配电装置及其数据采集处理方法。
背景技术
目前，随着计算机技术及电力电子技术的迅速发展，对于电力设备数据的采集也越来越重要。为了获知各电力设备的状态，需要对数据进行采集，例如电力设备处的电流、电压等模拟量数据。
基于目前配电自动化设备每个现场需要采集的模拟量个数不定，如几回路电压电流，且具体模拟量名称亦不定如电压相别有A、B、C、零序，电流相别有A、B、C、零序、保护A和保护C。因此，以往配电装置对于此类数据存在以下问题：第一，采集处理方法按照最大化处理或存在多个版本程序以适应各个现场需求；第二，难以满足电力系统对实时性、高精度、多变的采样要求；第三，数据处理算法无法做到依据现场具体的环境灵活配置，二次开发成本高。电力系统自动化、信息化的进一步发展，要求相关监测设备满足测量精度、工作场所不受限制的同时，还要求在系统升级及功能扩展方面提供支持，已有的电力数据采集处理方法，难以满足上述要求。
发明内容
本发明的首要目的在于提供一种结构简单、安全性能高、稳定性强、应用范围广、性能稳定、使用寿命较长的基于DSP的配电装置。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种基于DSP的配电装置，包括DSP数字信号处理器、异步串行通信接口模块、以太网模块、数据采集模块、片外存储器和参数存储器，所述数据采集模块、以太网模块通过数据和地址总线与DSP数字信号处理器通信，所述片外存储器通过SPI总线协议与DSP数字信号处理器通信，所述异步串行通信接口模块、以太网模块分别连接上行串口或网口转换单元，实现与上位机的通讯。
所述DSP数字信号处理器采用TMS320F28335芯片，其地址总线引脚A0～A15、数据总线引脚D0～D7分别接以太网模块的地址总线、数据总线,其PB1、PB2引脚与以太网模块的片选引脚连接，所述数据采集模块的地址总线引脚A0～A15、数据总线引脚D0～D15、片选信号CS分别与TMS320F28335芯片的地址总线引脚A0～A15、数据总线引脚D0～D15、IO引脚PC0连接，所述的异步串行通信接口模块为DSP数字信号处理器的片内自带模块，TMS320F28335芯片外接电源管理模块、有源晶振和看门狗模块，TMS320F28335芯片采用SPI总线协议与片外存储器通信，TMS320F28335芯片采用I2C总线协议与参数存储器通信。
所述以太网模块采用两片W5100芯片；所述数据采集模块采用8通道16位同步采样的ADCMAX11046芯片；所述异步串行通信接口模块为RS232或RS485模块，所述片外存储器采用FLASH存储器，所述FLASH存储器采用AT45DB321芯片；所述参数存储器采用AT24C128芯片。
本发明的另一目的在于提供一种基于DSP的配电装置的数据采集处理方法，该方法包括下列顺序的步骤：
(1)上电初始化，DSP数字信号处理器读取参数存储器内存储的各类参数配置信息，根据各个模块的需要完成相关参数配置；
(2)DSP数字信号处理器根据内部自带片上定时器事先配置的定时采样周期，通过存储在参数存储器中的模拟量接入配置参数表，实时通过数据采集模块采集外部输入的电流电压模拟量信号，通过DFT、FFT算法获取各个模拟量的幅值和相角，完成底层最原始采样计算过程，进行模拟量数据中间层的处理及最高层转换，实现目前电力系统规约里需要的数据内容格式，进而提供给远方主站所使用。
所述底层最原始采样计算过程具体是指：当DSP数字信号处理器采样定时器的定时时间到达时，在该中断服务函数里对数据采集模块的各个通道进行32点的信号采样，实时查询内存中的配置参数信息；当配置的所有通道都采样完毕后，利用DFT算法计算所有通道的幅值和相角。
所述模拟量数据中间层的处理具体是指：在得到所有外部模拟量电压电流的瞬时幅值和相角之后，根据模拟量接入配置参数表，对这些数据进行加工计算，获得平均值和均方根值，当有校准命令下发时，根据外部提供的标准源输入值进行校准，从而获得满足精度要求的电压电流数据，同时进行潜动判别处理，通过理论关系公式计算出各条线路的有功、无功、视在、功率因素。
所述最高层转换具体是指：根据DLT634.5101及DLT634.5104规约中的传输数据要求，对经过模拟量数据中间层处理的数据进行浮点、标度化及归一化处理转换，当定时查询到串口或网口有远方调度主站数据召测命令时，根据当前收到该命令的通讯口类型，将数据以串口101规约或网口104规约的形式上传至调度主站，从而结束整个数据从采样到传输的过程。
由上述技术方案可知，本发明的有益效果为：本发明采集路数多，最大支持64个外部模拟量数据输入；对于不同地区、不同现场的电力模拟量数据的输入，能够灵活配置；对模拟量数据的处理采用分层的逻辑思想，层与层之间高内聚低耦合；本装置具有结构简单、安全性能高、稳定性强、应用范围广、性能稳定和使用寿命较长的优点。
附图说明
图1为本装置的结构框图；
图2为本发明中模拟量采集运算即底层计算的方法流程图；
图3为本发明中模拟量数据中间层处理的方法流程图；
图4为本发明中最高层转换的方法流程图；
图5为本发明的整体方法流程图。
具体实施方式
如图1所示，一种基于DSP的配电装置，包括DSP数字信号处理器、异步串行通信接口模块、以太网模块、数据采集模块、片外存储器和参数存储器，所述数据采集模块、以太网模块通过数据和地址总线与DSP数字信号处理器通信，所述片外存储器通过SPI总线协议与DSP数字信号处理器通信，所述异步串行通信接口模块、以太网模块分别连接上行串口或网口转换单元，实现与上位机的通讯。
如图1所示，所述DSP数字信号处理器采用TMS320F28335芯片，其地址总线引脚A0～A15、数据总线引脚D0～D7分别接以太网模块的地址总线、数据总线,其PB1、PB2引脚与以太网模块的片选引脚连接，所述数据采集模块的地址总线引脚A0～A15、数据总线引脚D0～D15、片选信号CS分别与TMS320F28335芯片的地址总线引脚A0～A15、数据总线引脚D0～D15、IO引脚PC0连接，所述的异步串行通信接口模块为DSP数字信号处理器的片内自带模块，TMS320F28335芯片外接电源管理模块、有源晶振和看门狗模块，TMS320F28335芯片采用SPI总线协议与片外存储器通信，TMS320F28335芯片采用I2C总线协议与参数存储器通信。
如图1所示，所述以太网模块采用两片W5100芯片；所述数据采集模块采用8通道16位同步采样的ADCMAX11046芯片；所述异步串行通信接口模块为RS232或RS485模块，所述片外存储器采用FLASH存储器，所述FLASH存储器采用AT45DB321芯片；所述参数存储器采用AT24C128芯片。所述W5100芯片内部集成有10/100M以太网控制器，内置硬件TCP/IP协议栈支持TCP、UDP等网络协议，每个W5100芯片支持4个独立端口同时运行，以太网模块通过网卡接口RJ45接入以太网，支持双主站通信方式。
如图5所示，本方法包括下列顺序的步骤：
(1)上电初始化，DSP数字信号处理器读取参数存储器内存储的各类参数配置信息，根据各个模块的需要完成相关参数配置；
(2)DSP数字信号处理器根据内部自带片上定时器事先配置的定时采样周期，通过存储在参数存储器中的模拟量接入配置参数表，实时通过数据采集模块采集外部输入的电流电压模拟量信号，通过DFT、FFT算法获取各个模拟量的幅值和相角，完成底层最原始采样计算过程，进行模拟量数据中间层的处理及最高层转换，实现目前电力系统规约里需要的数据内容格式，进而提供给远方主站所使用。
如图2所示，所述底层最原始采样计算过程具体是指：当DSP数字信号处理器采样定时器的定时时间到达时，在该中断服务函数里对数据采集模块的各个通道进行32点的信号采样，实时查询内存中的配置参数信息；当配置的所有通道都采样完毕后，利用DFT算法计算所有通道的幅值和相角。如果未到达定时时间，DSP数字信号处理器进行其他任务的处理，此过程只负责采集并处理最原始的外部模拟量信号，且只与输入的具体信号的类型有关。
如图3所示，所述模拟量数据中间层的处理具体是指：在得到所有外部模拟量电压电流的瞬时幅值和相角之后，根据模拟量接入配置参数表，对这些数据进行加工计算，获得平均值和均方根值，当有校准命令下发时，根据外部提供的标准源输入值进行校准，从而获得满足精度要求的电压电流数据，同时进行潜动判别处理，通过理论关系公式计算出各条线路的有功、无功、视在、功率因素。所述理论关系公式为：有功＝UICos(U角度-I角度)、无功＝UISin(U角度-I角度)、视在：P2+Q2＝S2、功率因素＝P/S等。
如图4所示，所述最高层转换具体是指：根据DLT634.5101及DLT634.5104规约中的传输数据要求，对经过模拟量数据中间层处理的数据进行浮点、标度化及归一化处理转换，当定时查询到串口或网口有远方调度主站数据召测命令时，根据当前收到该命令的通讯口类型，将数据以串口101规约或网口104规约的形式上传至调度主站，从而结束整个数据从采样到传输的过程。
外部电网输入的模拟量数据通过底层(采样)--中间层(处理)--最高层(转换)的3层逻辑处理方法后，以灵活适用于目前任何现场的数据采集，且层与层之间相对独立，保证装置能在二次开发的过程中，仅仅使用配套维护软件通过下载必要参数的方式，实现同一产品投入运行到不同的现场，从而大大缩短系统开发周期，提升产品质量的同时带来效率的提高。
本发明所涉及到的模拟量接入配置参数表参见表1，然后根据此表定义一个64数目的上述参数结构体YcSampleTable[64]，表明最大存储64个模拟量配置信息，包含4个成员变量：属性(Property)、相别(Phase)、线路(Line)、采集通道(Channel)。同时，定义一个存放瞬时采样、经DFT运算后的数据表，见表2，根据此表也定义一个64数目的上述参数结构体ChannelIndex[64]，包含3个成员变量：幅值(Property)、相角(Phase)、采集通道(Channel)。两张表之间通过字段“采集通道(Channel)”纽带实现逻辑上的联系，如对于表1中将YcSampleTable[0]配置成的依次字段1至4信息为U/A/1/12，同时表2的ChannelIndex[0]的采集通道(Channel)字段也同步更新为12，那么就表明第1个采样点的信息是：第1路的电压UA,它实际对应着硬件通道号是12，那么在采样结束后，通过DFT算法运算得到的ChannelIndex[0]就赋予了一个特定的含义：即得到的是第一路UA的幅值和相角，剩余其它项依次同理类推。
表1：模拟量接入配置YcSampleTable参数表
其中，字段“相别”除了明确定义的A/B/C/O/P/Q代表的含义外，可继续使用其它英文字母代表某一种特定的含义，从而提高可扩展性。字段“采集通道”与硬件PCB设计中进入采样芯片MAX11046的8路通道有关。对于大于8路的多路采样，硬件上通过模拟开关定时切换实现，字段“线路”对应现场真实的物理采集线路。
表2：瞬时采样数据ChannelIndex缓存表
本发明所提及到的数据处理方法独特之处在于：①在模拟量接入配置参数表表1中引入了字段-属性N，当实际现场环境中模拟量的采集数目较少时，可将其它通道配置为N，表明该通道不采集数据，从而不参与DFT的运算，目的就是为了最大节省CPU的处理时间；②配置参数表表1中字段1和字段2的两者任意组合，完全能够在不改变终端硬件及程序的功能的情况下，通过灵活的配置来适应各个工作场所。无疑提高了终端的扩展性、通用性和可移植性；③中间层主要是个过渡的阶段，该层是连接采样层和传输层之间的桥梁，主要任务是校准、潜动、平均值、计算功率、电压接法(2PT、3PT)和电流接法(2CT、3CT)；④各层之间高内聚低耦合，对其中一层的修改不会影响到其它二层特有的功能。在完成现场所有模拟量数据信息收集，经DSP数字信号处理器3层数据架构处理模式，通过RS232/485或RJ45方式将数据传输至后台监控系统或站内综合自动化系统，至此，完成了数据的采集--转换--传输的路径，达到整个配电自动化系统的组网数据要求。

Claims (7)

1.一种基于DSP的配电装置，其特征在于：包括DSP数字信号处理器、异步串行通信接口模块、以太网模块、数据采集模块、片外存储器和参数存储器，所述数据采集模块、以太网模块通过数据和地址总线与DSP数字信号处理器通信，所述片外存储器通过SPI总线协议与DSP数字信号处理器通信，所述异步串行通信接口模块、以太网模块分别连接上行串口或网口转换单元，实现与上位机的通讯。
2.根据权利要求1所述的基于DSP的配电装置，其特征在于：所述DSP数字信号处理器采用TMS320F28335芯片，其地址总线引脚A0～A15、数据总线引脚D0～D7分别接以太网模块的地址总线、数据总线,其PB1、PB2引脚与以太网模块的片选引脚连接，所述数据采集模块的地址总线引脚A0～A15、数据总线引脚D0～D15、片选信号CS分别与TMS320F28335芯片的地址总线引脚A0～A15、数据总线引脚D0～D15、IO引脚PC0连接，所述的异步串行通信接口模块为DSP数字信号处理器的片内自带模块，TMS320F28335芯片外接电源管理模块、有源晶振和看门狗模块，TMS320F28335芯片采用SPI总线协议与片外存储器通信，TMS320F28335芯片采用I2C总线协议与参数存储器通信。
3.根据权利要求1所述的基于DSP的配电装置，其特征在于：所述以太网模块采用两片W5100芯片；所述数据采集模块采用8通道16位同步采样的ADCMAX11046芯片；所述异步串行通信接口模块为RS232或RS485模块，所述片外存储器采用FLASH存储器，所述FLASH存储器采用AT45DB321芯片；所述参数存储器采用AT24C128芯片。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的基于DSP的配电装置的数据采集处理方法，该方法包括下列顺序的步骤：
（1）上电初始化，DSP数字信号处理器读取参数存储器内存储的各类参数配置信息，根据各个模块的需要完成相关参数配置；
（2）DSP数字信号处理器根据内部自带片上定时器事先配置的定时采样周期，通过存储在参数存储器中的模拟量接入配置参数表，实时通过数据采集模块采集外部输入的电流电压模拟量信号，通过DFT 、FFT算法获取各个模拟量的幅值和相角，完成底层最原始采样计算过程，进行模拟量数据中间层的处理及最高层转换，实现目前电力系统规约里需要的数据内容格式，进而提供给远方主站所使用。
5.根据权利要求4所述的数据采集处理方法，其特征在于：所述底层最原始采样计算过程具体是指：当DSP数字信号处理器采样定时器的定时时间到达时，在该中断服务函数里对数据采集模块的各个通道进行32点的信号采样，实时查询内存中的配置参数信息；当配置的所有通道都采样完毕后，利用DFT算法计算所有通道的幅值和相角。
6.根据权利要求4所述的数据采集处理方法，其特征在于：所述模拟量数据中间层的处理具体是指：在得到所有外部模拟量电压电流的瞬时幅值和相角之后，根据模拟量接入配置参数表，对这些数据进行加工计算，获得平均值和均方根值，当有校准命令下发时，根据外部提供的标准源输入值进行校准，从而获得满足精度要求的电压电流数据，同时进行潜动判别处理，通过理论关系公式计算出各条线路的有功、无功、视在、功率因素。
7.根据权利要求4所述的数据采集处理方法，其特征在于：所述最高层转换具体是指：根据DLT634.5101及DLT634.5104规约中的传输数据要求，对经过模拟量数据中间层处理的数据进行浮点、标度化及归一化处理转换，当定时查询到串口或网口有远方调度主站数据召测命令时，根据当前收到该命令的通讯口类型，将数据以串口101规约或网口104规约的形式上传至调度主站，从而结束整个数据从采样到传输的过程。
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