采用STR710FTbZ6與FPGA相結合實現配電自動化終端監測系統的設計

近年來，電能質量日益引起人們的重視，如何有效的監測和分析電能質量參數逐漸成為電力企業和用戶共同關心的問題。傳統的監測儀表和監控器存在著明顯的缺點：實時性不強，監測指標少，工作量大，精度不高，效率低。本系統設計的監控器由于在信號調理電路上采用巧妙的設計思路、高性價比的集成芯片，微處理器采用STR710FTbZ6與FPGA相結合，具有多種通信技術，使得該監控器優越性突穎而出。在配電自動化終端采用該監測器能及時精確的分析和反映電網、電能的質量水平，對保證電網的安全、經濟運行，也為電力部門對電能質量監測提供了強有力的支持。

1、控制系統硬件設計

系統的總體結構框圖見圖1，包括隔離、放大、濾波、量程自動切換、鎖相電路、時鐘模塊、LCD顯示、通信、FPGA諧波檢測、以態網接口等模塊。用交流采樣法高速采集經調理后的三相電壓、三相電流及通過二次運算計算出零線電流、有功功率、無功功率、頻率、功率因數及三相不平衡度等參數，并能檢測到21次諧波，對以上數據進行記錄保持，并可通過液晶屏觀察這些數據。另外，實現多種通信技術，如RS232，CAN總線、以太網通信等。

由于本監測器監測指標多，功能復雜，工作量大，因此控制器的選擇是非常關鍵的。考慮到STR710FTbZ6具有高性價比、功能靈活、易于人機對話等眾多特點；FPGA則具有高速、高可靠以及開發便捷、規范等優點。因此控制器采用STR710FTbZ6與ACEX1K30相結合，就充分發揮兩者的互補性。

1.1 主控制器的選擇

由于本監測器監測指標多，功能復雜，工作量大，因此控制器的選擇是非常關鍵的。考慮到STR710FTbZ6具有高性價比、功能靈活、易于人機對話等特點；FPGA則有高速、高可靠及開發便捷、規范等優點。因此控制器采用STR710FTbZ6與ACEX1K30相結合，就能充分發揮兩者的互補性。

1.2 隔離、放大、量程自動切換電路

現在以電流信號為例說明該部分的電路設計，電壓信號的調理電路與電路信號相似。該部分的電路設計如圖2。在正常供電的情況下，通過編寫循環子程序對各相模擬開關的控制信號賦值，從而達到對三相信號分時循環采集的目的。對于電流量測量，本系統設計了量程自動切換功能（分兩個量程檔）。現以A相信號為例，分忻一下如何實現量程自動切換功能。

采用STR710FTbZ6與FPGA相結合實現配電自動化終端監測系統的設計

在默認情況下當監測A相信號時，Clal控制信號為0，經過電流互感器（TA-6A）后的A相信號Ia通過U1A（四路模擬開關CD4016的第一路）輸入到放大電路中。但當系統監測到該相的信號小于5A時，則立即對CIa1置1，CIa2置0，Ia通過UlB（四路模擬開關CD4016的第二路）輸入到放大電路中。由于R1》R2，所以減小Ia信號的衰減，從而實現量程自動切換的功能，也進一步的提高了本系統的測量精度。

為了避免頻譜混疊造成信號的失真，因此一般的電子系統中多需要設計濾波器。對于本系統，由于測試電網諧波時，必須計算功率，即計算電壓、電流的互相關，所以對相位的要求很高。本系統采用專用的四階Butterworth低通開關電容濾波器TLC14。避免了傳統的由于采用運放、電阻、電容搭建的濾波電路易受干擾、穩定性不好等問題。該濾波器具有以下特點：低成本，易用；濾波器的截止頻率取決于外部時鐘頻率；截止頻率范剛從0.1～30 kHz。

放大電路的輸出信號作為抗混疊濾波器的輸入信號。該濾波器的截止頻率fc取決于其時鐘頻率fclock，其關系為fc=fclock/100；fclock≈1／4.23RC，由于本系統設計的諧波測量次數要求達到21次，其截止頻率為fc=1.05kHz，因此選擇C=100pF，R=2kΩ即可滿足要求。

1.3 電平提升電路與鎖相倍頻電路

由于經過抗混疊濾波器后的輸出信號是雙極性的，因此，在進行模數轉換之前必須通過電平提升路將雙極性信號通過電平移位為適合A／D采集要求單極性信號作為同步鎖相倍頻電路的輸入信號。PLL采用CMOS集成鎖相環芯片CD4046和計數CD74F163配合實現信號精確同步鎖相64倍頻的的，該倍頻數滿足快速傅立葉radix-2算法及奈奎斯采樣頻率要求。

2、基于FPGA的FFT功能實現

2.1 算法分析

采用radix-2 FFT實現諧波測量能盡可能減少復數，同時邏輯關系簡單，易于編程。它可以用蝶形處理器有效地實現，由一個復數加法器、復數減法器和旋轉因子的復數乘法器綃成。

高效復數乘法器：復數旋轉因子乘法R+Ji=（X+jY）（C+js）=XC-YS+j（CY+XS），通常由4次乘法和2次加／減運算實現。在簡化運算處理中，令E=X-Y和Z=C×E=C×（X-Y）。

然后用：

這種算法使用了3次乘法、1次加法和2次減法，代價是額外的（C，C+S，C-S）笫三個表，這些數以128歸一化為8Bit有符號數存儲在ROM中。

為了防止運算中的溢出，碟形處理器需要計算兩個蝶形方程：

臨時結果必須乘以旋轉因子。

采用maxplusII做為開發軟件，maxplusII支持原理圖、VHDL等語言文本文件。maxplus2可以支持功能仿真和時序仿真，能夠產生精確的仿真結果。

2.2 波形分析

假設CLK為輸入一個周期為80ns的時鐘，Are_in，Aim_in為輸入數據的實部和虛部，旋轉因子采用乘以128歸一化的8bit有符弓數。旋轉因子歐拉公式變換為近似值C+jS=59+j25，則cps=c+s=84，cms=c-s=34，計算出的第一個數的實部、席部為Dre_out、Dim_out，第一個數的實部、虛部為Ere_out、Eim_out，由maxplus2生成的波形文件的圖形如圖3所示。

3、 STR710FZ2b6控制器功能

STR710FZ2b6與ACEX1K30均有豐富的I／O口資源，囚此采用并行通信使數據的交換速度比較快。ACEX1K30內部可配置的RAM的總容量小于8KB，地址總線有A0～A12組成。數據線由D0～D7組成，接口信號線中包含片選信號，控制總線包括讀寫信號線，NRD與NEW。

對于本系統設計的監測控制器，除廠功能多樣性外，實時性及通信技術也是關鍵指標。μC／OS-Ⅱ操作系統是一個完整的、可移植、可固化、可裁剪的搶占式實時多任務內。因此在STR710FZ2b6平臺上移植該操作系統就能夠很好的解決系統任務繁重性與實時性要求高之間的矛盾。

在通信方面，除了RS32、USB等技術之外，還采用了以態網通信，它具有可靠性好、通信速度快、互連性、開放性好，設備成本低等優點，因此在電能質量監測控制器中采用以太網技術就能夠很好地解決終端數量的增多和用戶對自動化水平要求提高等一系列問題。本系統采用美國CIRRUSLOGIC公司塵產的CS8900A以太網控制器。該控制器符合EthernetII與IEEE802.3標準，全雙工，收發可同時達到10Mbit／s速率，內置16kB SRAM用于收發緩沖等性能。該控制器通過RJ45接口與以太網通信。

在通信方面，除了采用RS32，USB等技術之外，還采用了以態網通信，它具有可靠性好，通信速度快，瓦連性、開放性好和設備成本低等優點，因此在配電自動化監測控制器中采用以太網技術就能很好的解決了終端數量的增多和用戶對自動化水平要求提高等一系列問題。本系統采用美國CIRRUS LOGIC公司生產的CS8900A［5］以太網控制器。該控制器符合EthernetII與IEEE802.3標準，全雙工，收發可同時達到10Mbps的速率，內置16KB的SRAM用于收發緩沖等性能。該控制器通過RJ45接口與以太網通信。采用TFTP文件傳輸協議，程序或文件可以同時向許多計算機下載，該協議代碼所占的內存比較小。

系統的總體程序流程如圖4所示，中斷處理程序模塊包括鍵盤處理、通信模塊（響應通信請求中斷）、故障處理等。