基于DSP 的电力能源数据多通道同步交流采样方法设计

张述杰

（淄博供电公司，山东淄博 255400）

随着电力系统的不断发展，电力结构变得逐渐复杂，电力能源需求量不断增加，电力系统中电力能源数据的多通道采样十分重要。其中，电力能源数据多通道同步交流采样是比较重要的环节。目前，发电机输出的电能大小以及电能的频率不稳定，电力能源数据参数不一致导致电能很难并网，这时需要对电力系统进行实时控制。控制的类型包括转速控制以及并网控制，实现转速以及并网控制需要准确测量电能的各项数据参数。传统电力能源数据测量设备的测量结果不准确，测量速度较慢且实时性较差，导致电力系统电网的运行状态出现异常、运行质量下降，使电网中存在电力故障与安全隐患。除此之外，如果电网的电压低于正常值，电力能源数据采样设备不能正常运行，并可能造成损坏。如果电网的电压高于标准电压，电力能源数据采样设备的使用寿命会大大缩短，这样都不能使电力能源数据实现多通道同步采样[1-2]。

为了解决以上出现的电力能源数据采样问题，文中设计了基于DSP 的电力能源数据多通道同步交流采样方法，运用DSP（数字信号处理器），将电力系统二次测量的电压、电流经过变换后转变成可测量的交流小信号，然后再经过计算机软件的编程处理，从而快速实现电力能源数据多通道同步交流采样。该采样方法能够实时采集被测量电压、电流的瞬时值，实时性较好，且相位失真较小。

1 数据多通道同步交流采样分类

在实现电力能源数据多通道同步采样的过程中，根据电力能源数据参数的不同，将其分为直流采样和交流采样两种形式[3-4]。在直流采样中，将电流信号经过各类变送器的整流后，再由电力能源数据采集设备和仪表进行实时采集。直流采样方法设计的软件比较简单，只需要对电力能源数据采样值作一次比例变换就可以得到被测量的电力能源数据。该过程对采样速率没有较高的要求，所以易于实现。然而，直流采样具有一定的局限性：只能采集被测量的有效值，对实时信号无法实现采集；各类变送器的精准度和稳定性无法得到有效地控制，不能保障被测采样信号的精确度；采样信号设备较复杂，维护较为困难；电力系统电网的波形有明显变化时，被测采样信号的数值容易受到影响而发生突变，导致被测电力能源数据误差较大，成本较高[5-6]。

电力能源数据信号的分类如图1 所示。

图1 电力能源数据信号分类

交流采样主要是对被测电力能源数据信号的瞬时值进行采样，然后对采样得到的数值结果进行仔细分析、计算和评估，以此获取被测能源数据信号的相关数据信息和位置信息。这种采样方法对采样速率的要求较高。在应用C 语言程序编辑采样程序时，程序计算的数量比较庞大，被测电力能源数据信号的稳定性较低，采样值包含的载波信息、数量信息、采样的有效值信息等信息量较大，在得到采样的有效值、采样信号的相位信息、电力能源数据的谐波分量时，可采用不同的采样算法[7-8]。

交流采样的优点是采样速率较高，采集能源数据信号的数值较为准确，采样的稳定性和实时性好，能够实现多通道同时采集电力能源数据信号。

随着微机技术的快速发展，交流采样是目前主要的使用方式。交流采样应用比较广泛，在很多不同的应用场合，使用的采样算法不尽相同。根据模型函数进行划分，可分为正弦模型函数算法与非正弦周期模型算法，正弦模型算法包括最大值算法、两点采样算法、全周期算法和单点算法，非正弦模型算法包含傅里叶算法、平方根算法等[9-11]。正弦模型函数曲线如图2 所示。

图2 正弦模型函数曲线

电力能源数据信号采样的瞬时值要精准，采样信号波动的误差与同步误差须保持一致，在采样精度较高的场合，交流采样技术包括两种方式：一种是硬件同步采样，另一种是软件同步采样。硬件同步采样目前使用率不高，应用的环境较少，一般应用于特殊的硬件电路中，它能够提高被测信号的精准度和稳定性，减少采样信号的波动，但在设计相应的硬件系统时，结构较为复杂，并且设计的成本较高，所以存在较多的设计局限[12-13]。信号内部时序如图3 所示。

图3 信号内部时序

而交流采样中的软件同步采样可以由定时器的定时中断来实现。首先需要定期设定电力系统电网的周期，根据设定的周期，确定每段周期的采样数量，然后通过软件程序中的定时器记录定时值，与硬件同步采样不同的是，软件同步采样不需要专门的三相电路，且硬件结构比较简单，仅在计算机采样设备中设定电网频率和采样点即可，比硬件同步采样更易于实现[14]。

2 基于DSP的同步交流采样

DSP（数字信号处理器）是一种快速专用的微处理器，运算速度快，并且具有很多运算功能，能够实时处理多种延迟信号。其运用特殊的寻址方式可快速进行傅里叶变换，在使用软件同步采样方法时，可熟练使用C 语言编辑相应的采样程序。文中设计的基于DSP 的电力能源数据多通道同步交流采样方法，采用了DSP（数字信号处理器），利用其多变的I/O接口和片内I/O，可快速采样电力能源数据信号，并行处理能源数据算法，优化相应的指令集，在能源数据的升级、修改、置换方面非常灵活，电力能源数据采样的精度高、可靠性好、成本低、硬件结构较简单[15-16]。DSP（数字信号处理器）结构如图4 所示。

图4 数字信号处理器结构

基于DSP 的电力能源数据多通道同步采样通过在终端服务程序中进行采样，并对软件程序中的定时器进行定时设置来实现，根据电力能源数据的有效值和周期采样点的个数来确定定时器设置的采样值。在正常情况下，软件同步采样通过频率跟踪技术很难实现，所以在具体的实现环节中，采用软件同步周期偏差方法，来提高电力能源数据信号采样的精度、采样的速率以及采样的稳定性。

该研究充分利用DSP 高速、灵活操作、支持浮点运算的特点，使用C 语言编程软件采样程序，程序包括信号的采集、初始化自检等，电力能源数据多通道同步采样操作流程如图5 所示。

图5 电力能源数据多通道同步采样操作流程

文中首先在程序的主要循环模块中对DSP 的核心设备进行初始化和自检，利用C 语言编辑完采样程序后，使用DSP 传输能源数据同步信号，由能源数据的采样设备采集DSP 输出的采样信号，将输出的自检结果保存在源程序中，以方便DSP 的MCU 进行实时读取。然后在周期服务子程序中，将电力能源数据转换所得的子数据写入DSP，并存入能源数据缓冲区。设定采样信号的周期，将每个周期的采样点统一提取到主循环程序中，利用子循环模块对采集的电力能源数据进行预处理。处理完成后，继续对电力能源数据信号进行循环采样，以提高采样值的精准度，并对采样的瞬时值作数据交互处理。最后，调用DSP 的各个子程序，将采样的结果进行实时保存，利用傅里叶运算方法计算电网的电量以及电力能源的质量，并将计算的有效值和瞬时值保存在数据缓冲区内，当子循环程序完成后，将采样结果移动至DSP的数据交互区，供DSP的MCU读取数据结果。

3 实验研究

为验证文中基于DSP 的电力能源数据多通道同步交流采样方法的有效性，利用采样方法与传统的电力能源数据同步交流采样方法展开实验对比。

实验参数如表1 所示。

表1 实验参数

根据上述实验参数，选用传统方法和文中方法同时进行同步交流采样，得到的频率信号处理结果如图6 所示。

图6 频率信号处理结果

根据图6 可知，文中方法频率信号处理能力要远远优于传统方法的频率信号处理能力，这是因为文中方法引入了脉冲因子，能够很好地解决信号频率噪声问题，从而更好地处理调配信号。

不同方法的信号处理误差率实验结果如表2所示。

表2 信号处理误差实验结果

观察表2 可知，文中提出的同步交流采样方法和传统同步交流采样方法都会产生采样误差，但是文中方法采样误差率远远小于传统采样方法。因为文中方法能够很好地对信号进行分类，确保采集到的信号都为交流信号，所以能够有效减少采集误差率。

综上所述，文中提出的基于DSP 的电力能源数据多通道同步交流采样方法具有很好的采样能力，值得大力推广使用。

4 结束语

文中基于DSP 设计了一种电力能源数据多通道同步交流采样方法，利用DSP 高速处理并行数据的特点，优化电力能源数据同步采样的指令，使采样信号的修改、升级和置换都非常灵活。同时，该方法详细介绍了电力能源数据多通道同步交流采样的分类，分析了交流采样中的硬件同步采样与软件同步采样，并根据实际采样要求，选择相应的采样方法，最后介绍了电力能源数据多通道同步交流采样的操作过程。

文中设计的基于DSP 的电力能源数据多通道同步交流采样方法有效解决了电力能源数据测量设备测量结果不精确、采样速度较慢、采样实时性差的问题，提高了电力能源数据信号的采样速率，且该方法延展性较好、可靠性高、且易于实现。