研華數(shù)據(jù)采集卡在移動式電網(wǎng)諧波分析儀VIP

1、項目介紹:本文主要詳細(xì)介紹了采用Advantech公司的PCI1712高速數(shù)據(jù)采集卡以及計數(shù)/定時板卡PCL836、IPC集成的移動式電網(wǎng)諧波分析儀的研制原理、測試方法以及在設(shè)計中的幾項關(guān)鍵技巧等。案例名稱：基于PCI1712的移動式電網(wǎng)諧波分析儀的研制行業(yè)分類：電力與能源 輸配電地點:n 系統(tǒng)需求由于電力機車以及大功率整流器件的廣泛使用，使電網(wǎng)的諧波含量逐漸增加，因此國家電網(wǎng)公司提出了“綠色電網(wǎng)、綠色電能”的概念。目的就是為了采取一切可能的措施凈化電網(wǎng)。在有關(guān)部門的配合下，我們采用IPC平臺、并采用高速數(shù)據(jù)采集器PCI1712與定時/計數(shù)卡PCL836在Windows操作系統(tǒng)下開發(fā)了一套移動

2、式的電網(wǎng)諧波分析儀。n 系統(tǒng)描述 電力系統(tǒng)中電參數(shù)的定義，一般是在正弦條件下得到的，可以在時域或頻域定義；由于電網(wǎng)中存在諧波致使電網(wǎng)為非正弦信號，而在非正弦的電力系統(tǒng)中電參數(shù)的定義，一般在頻域定義。要得到有用的功率形式，必須有相應(yīng)的測量算法，避免處理時間過長而不具備實時性。用微機測量交流信號時，要求在一個工頻周期內(nèi)使采樣次數(shù)N與采樣周期Ts的乘積等于被測信號的周期T(即N×Ts=T)。電網(wǎng)中一般含有奇次諧波，要真正利用Shannon采樣定理采集諧波信號，需要根據(jù)具體的信號特征以及分析方法來確定采用頻率。在實際諧波測量中，要求對電壓和電流信號進行交流同步采樣，目前交流采樣的同步方法主要

3、有硬件同步、軟件同步、定時采樣3種。Ø 硬件同步的精度最高，但它要求采樣裝置具備專用同步電路；Ø 軟件同步精度次之，它也需要電網(wǎng)頻率跟蹤測量環(huán)節(jié)；Ø 定時采樣不需要任何附加同步電路，但同步誤差大，一般不用于高精度測量場合?？紤]到實際問題，本系統(tǒng)采用定時采樣。定時采樣實際上是假定電網(wǎng)頻率為某一默認(rèn)值，根據(jù)這一默認(rèn)值和每周期內(nèi)的采樣點數(shù)確定定時器的定時值，以此實現(xiàn)同步。但是當(dāng)電網(wǎng)頻率與默認(rèn)值不符或發(fā)生變化時，定時采樣的同步誤差就會增大。為此，系統(tǒng)有必要對電網(wǎng)頻率實行軟件跟蹤，即利用采樣值估算電網(wǎng)周期，然后根據(jù)估算周期調(diào)整采樣周期的值。目前，諧波測量最常采用的方法為離散

4、傅里葉變換()和快速傅里葉變換()。由于快速傅里葉變換是離散傅里葉變換的快速算法，它能使的運算效率提高12個數(shù)量級，因此在諧波分析中被廣泛采用，且采用其中最為常見的基2的算法。對電壓和電流信號進行同步采樣，在一個工頻周期內(nèi)分別采樣點，得到離散數(shù)字序列和。顯然兩序列均為實序列，將它們按下式構(gòu)成一復(fù)序列 （k0、1、2、N1） 頻譜為： （n=0、1、2、N1） 對按FFT算法求得后，就可以得出、的頻譜。 其中、分別為第n次諧波電壓和諧波電流向量表達式。測試系統(tǒng)硬件的選用 在利用FFT算法測量諧波時，采樣點數(shù)一般要求為2的冪次方，最好為1024點。也即要在4ms內(nèi)采集1024點采樣值。因此采樣頻率

5、應(yīng)為：1024/4ms256KS/s。假如需要“三相同步采樣”采集三相電壓信號，采樣頻率至少為：256 KS/s×3768KS/s。根據(jù)這個要求，可供選用的板卡不是很多，Advantech公司的PCI1712可以滿足要求。PCI1712的特性為：Ø 1MS/S采樣頻率Ø 12位A/D分辨率，每秒1M采樣速率；Ø 16路單端或8路差分或組合模擬量輸入，Ø 數(shù)據(jù)傳輸可使用PCI總線master功能，Ø 對模擬量輸入可使用預(yù)觸發(fā)，后觸發(fā)，模式匹配以及延遲觸發(fā)等多種觸發(fā)模式Ø 2路12位模擬量輸出通道，可產(chǎn)生連續(xù)波形輸出，Ø

6、; 用于模擬量輸入的1K字FIFO，和用于模擬量輸出的4K字 FIFO，Ø 3個16位時基為10MHZ 的可編程計數(shù)器/定時器。由于電網(wǎng)的頻率并不穩(wěn)定，要在一個周期內(nèi)準(zhǔn)確采樣1024點，往往存在同步誤差T(T=NTs-T)，會影響測量精度。為了減少電網(wǎng)頻率波動對測量結(jié)果的影響，必要時要實時測量其頻率。因此，選用PCL836計數(shù)/定時卡定時檢測電網(wǎng)的頻率，以動態(tài)確定采用周期。同時選用研華ACP-4001工業(yè)工作站。實施過程中的幾項關(guān)鍵技巧數(shù)據(jù)采集方式選用由于需要采集的數(shù)據(jù)量很大，同時還要進行數(shù)據(jù)的實時處理等工作，這樣就要求高速數(shù)據(jù)采集時不能過多占用CPU資源，因此采用DMA數(shù)據(jù)傳輸方式

7、及相應(yīng)的中斷控制。系統(tǒng)的工作原理為，三相高壓電網(wǎng)經(jīng)電壓互感器PT將高壓電網(wǎng)信號轉(zhuǎn)變成適合PC采樣的10V10V交變信號，再經(jīng)PCI1712采集、比例變換等簡單的處理后送入FIFO進行緩沖，PCI總線控制器工作在主控模式下，借助PCI總線高帶寬、低延遲的特性，經(jīng)DMA數(shù)據(jù)傳輸，將采集的數(shù)據(jù)從FIFO中讀出后直接送至計算機內(nèi)存，配合設(shè)備驅(qū)動程序及上層應(yīng)用程序?qū)Y(jié)果進行分析、處理、顯示和存儲，整個傳輸過程無需CPU干預(yù)，完全由硬件來實現(xiàn)，有效地提高了數(shù)據(jù)的傳輸速率。這樣，采用DMA方式進行大段數(shù)據(jù)傳輸，采樣周期由板卡嚴(yán)格控制，避免了由于軟件系統(tǒng)時間控制的不精確而產(chǎn)生的信號失真。系統(tǒng)可以在樣本采集的同

8、時進行其他工作，增加了系統(tǒng)的靈活性。數(shù)據(jù)存儲方式在本系統(tǒng)應(yīng)用中，必須快速且可靠的把大量數(shù)據(jù)記錄到儲存介質(zhì)中去，以便事后的分析或處理。然而對應(yīng)用程序開發(fā)者來說，大量且實時地紀(jì)錄數(shù)據(jù)一直是一項極大的挑戰(zhàn)。一般做法為：讓數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集卡通過DMA方式，經(jīng)過PCI總線直接儲存到硬盤，但是這種方法極易造成數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i。一般而言，PCI總線以32bit/33MHz的總線時鐘傳輸數(shù)據(jù)，大約可以達到40Mb/s的速度，基本能滿足數(shù)據(jù)傳輸要求。其實，數(shù)據(jù)記錄的瓶頸是從內(nèi)存寫到硬盤這個過程，一般這個過程是由操作系統(tǒng)的文件系統(tǒng) (File System) 來處理。但是，單純地將數(shù)據(jù)記錄在文件系統(tǒng)內(nèi)，則必然受限于原

9、來操作系統(tǒng)與文件系統(tǒng)的限制，這些先進的文件系統(tǒng)反而會對高速存盤造成累贅。若硬盤為IDE硬盤，通常儲存速度低于2Mbytes/sec，即使使用SCSI硬盤大概也只能達到10Mbytes/sec左右的儲存速度，假如跳過文件系統(tǒng)直接存取SCSI裝置，儲存的速度將會有非常大的提高。在此，我們借用Adaptec公司的DAQCreator軟件的解決方法實現(xiàn)樂40Mbytes/sec的實時數(shù)據(jù)記錄功能，這個方法的基本觀念就是跳過文件系統(tǒng)，直接控制SCSI適配卡，而ACP4001主板上板載SCSI2接口，可以直接掛接SCSI硬盤。程序設(shè)計時，采用了由Adaptec公司所提供的ASPI (Advanced SC

10、SI Programming Interface)，我們可以直接使用ASPI高階的函數(shù)及指令，通過ASPI driver傳送SCSI2指令。利用ASPI函數(shù)能控制各種SCSI的外圍裝置，而且程序可以兼容各種SCSI適配卡。而在Win32的環(huán)境下，ASPI Manager是以動態(tài)連結(jié)函數(shù)庫DLL的型式安裝在系統(tǒng)內(nèi)，提供并管理ASPI函式的功能。在Win32系統(tǒng)下，ASPI Manager (wnaspi32.dll) 提供下列五個函式：Ø DWORD GetASPI32SupportInfo (void);Ø DWORD SendASPI32Command( LPSRB );

11、Ø BOOL GetASPI32Buffer( PASPI32BUFF );Ø BOOL FreeASPI32Buffer( PASPI32BUFF );Ø BOOL TranslateASPI32Address( PDWORD， PDWORD ); 在我們的應(yīng)用程序中，我們使用GetASPI32SupportInfo() 與SendASPI32Command() 這兩個函數(shù)。同時通過存取GetASPI32SupportInfo()，檢查ASPI driver與SCSI卡是否安裝正確；而SendASPI32Command() 則是用來傳遞需要的ASPI指令。測試系

12、統(tǒng)軟件的設(shè)計利用了Windows多任務(wù)的特性，控制界面和實時顯示設(shè)計為前臺窗口，數(shù)據(jù)的采集和分析設(shè)計為后臺運行，以便于試驗人員操作和對測試流程的掌握。由于Windows 并不是作為實時操作系統(tǒng)設(shè)計的。Windows是搶先式、多任務(wù)、基于消息傳遞機制的操作系統(tǒng)，但僅憑消息調(diào)度機制，顯然不能滿足實時系統(tǒng)的要求，難以保證準(zhǔn)確實時地完成前后臺控制任務(wù)。因此在Windows環(huán)境中，采用多線程技術(shù)，可以有效地利用Windows等待時間，加快程序的反應(yīng)速度，提高執(zhí)行效率。用一個線程管理采集卡和計算機數(shù)據(jù)通信，另一個線程進行數(shù)據(jù)處理，這樣，在滿足數(shù)據(jù)連續(xù)采集的同時，增強了信號分析的實時性。在本系統(tǒng)中，主要有數(shù)

13、據(jù)采集、標(biāo)志位辨別、數(shù)據(jù)傳輸、信號處理等線程，使用線程Semaphore方法已足以滿足要求，但是在設(shè)計線程時，要合理規(guī)劃多個線程對同一資源的使用順序，這可以通過設(shè)定每個線程的優(yōu)先級別來實現(xiàn)，在本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集具有最高的優(yōu)先級，其次為數(shù)據(jù)傳輸。線程優(yōu)先級常量設(shè)定如下：THREAD_PRIORITY_ABOVE_NORMAL 設(shè)定一個比普通級高一級的優(yōu)先級THREAD_PRIORITY_BELOW_NORMAL 設(shè)定一個比普通級低一級的優(yōu)先級THREAD_PRIORITY_HIGHEST 設(shè)定一個比普通級高二級的優(yōu)先級THREAD_PRIORITY_LOWEST 設(shè)定一個比普通級低二級的優(yōu)先級TH

14、READ_PRIORITY_NORMAL 設(shè)定為正常優(yōu)先級應(yīng)用程序為：UNIT THREADSAMPLE(LPVOID param) Csemaphore Semaphore(2,6);someResource.UseResource(); :MessageBox(HWND) param; _outp(BaseAdr+2,0x34); /選擇Pacer觸發(fā)_outp(BaseAdr+4,0x01); /啟動Pacer 。 UNIT THREADTRANSDATA(LPVOID param) float data1,data2; someResource.UseResource(); :MessageBox(HWND) param; _fmemmove(data1,data2,Samplen); 。這樣，系統(tǒng)開始工作時，數(shù)據(jù)采集卡開始向內(nèi)存緩沖區(qū)中添加采集到的樣本數(shù)據(jù)，經(jīng)過采樣時間后，此時已經(jīng)采集到一個完整樣本，信號處理線程開始工作，從內(nèi)存緩沖區(qū)中讀取樣本數(shù)據(jù)，進行特征分析、顯示和存儲，然后等待下一個樣本，