在电力系统数据采集及处理中的应用

多 ’(% 平行处理系统实现全数字的电力系统 $）
344! 年 9 月
［!］ 实时仿真，提高仿真质量 "
李国湘， 等： $%& 技术在电力系统数据采集及处理中的应用
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! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 01%234 系列 $%& 为代表系列 " 选择 $%& 除了考虑运 算速度外， 还要对其总线结构、 数据的传输能力、 运算 精度、 存储容量、 可 编 程 能 力、 功 耗、 价格等因素进行 选择， 同时 还 要 有 功 能 完 善 的 开 发 工 具 （ 软、 硬件仿 真） 支持， 这样才能 使 所 选 的 芯 片 满 足 数 字 信 号 处 理 系统 设 计 的 要 求， 使 用 方 便， 性能价格比高" 基于 $%& 的控制器利 用 数 字 信 号 处 理 器 强 大 的 数 据 处 理 功能， 能够实现对监控对象的数据采集、 记录、 分析和 处理， 满足电力系 统 的 复 杂 实 时 控 制 的 需 要， 并且可 以方便地修改控制参数， 监测系统的运行状况和实施 多种控制规律 " 下 面 是 典 型 的 数 据 采 集 和 处 理 系 统 硬件原理框图， 如图 5 " 在系统中除了基本的硬件外， 还包括与通信设备 之 间 的 接 口 以 及 与 其 他 处 理 器 之 间的通信接口 " #） $%& 在电力系统微机故障录波装置中的应用 " 基于 $%& 的电 力 系 统 分 散 励 磁 控 制 及 其 动 模 !） 试验， 满足电力系 统 实 时 控 制 的 要 求， 新的分散非线 性励磁控制与传统的比例一积 分 一 微 分 的 & ’$ 控 制 相比对于改善系统的稳定性具有更优的控制性能
文章编号： （ *&&(） !"#$%&’() &+%&&*!%&+
!"# 技术在电力系统数据采集及处理中的应用
李国湘 ! ，吴平安 * ，周雪松 * ，马幼捷 * ，何彦民 *
（! , 天津石化热电厂，天津 $&&*#! ；* , 天津理工大学 自动化与能源工程学院，天津 $&&!’!） 摘 要：介绍 -./ 在结构和技术性能方面的特点， 论述了基于 -./ 处理器的数据采集及处理系统的软硬 件 实 现 及 其 在
了大幅度的提高， 同时也带来了 结构上 的变 化 , 但是 这种解决方案严重依赖于 /M， 速度较 慢， 从而 导致实 时性不能得到满足 , ; ,< 第二代数据采集系统 这种解决方 案 在 /M 的 M/> 之 外 加 上 一 到 两 个
［!］ 独立的 M/>， 可以用通用的单片机实现 , 主 M/> 以
・采用数据总线和程序总线相分离的哈佛结构或 改进的哈佛 （ 4567568） 结 构， 比 冯・诺 依 曼 结 构 有 更 高 的指令执行速度 ・采用流水线技术， 减少每条指令的执行时间 ・片内有多条总线， 并且提供方便的寻址方式， 大 大提高了指令的执行效率 ・提供高速的寻址方式， 如循环寻址、 位反寻址等 ・ 独立的硬件 乘 法 器 和 加 法 器， 可在一个指令周 期内完成乘累加运算 ・高度专业化的特殊的 ’(% 指令集 ・快速的指令周期 ・片内集成 ’.9 控制器和串行通信扣等， 提高 了 数据的传输能力 ・具有软、 硬件等待功能， 可方便的与各种存储器 接口 ・硬件配置强， 具有遵循 -:::!!;) " ! 标准的片内 可在线对程序进行仿真调试和下载 " <,9= 仿真接口， 这些 ’(% 芯片的特 点 使 之 对 于 数 字 信 号 处 理 极 为快 速 方 便， 也 使 ’(% 系 统 具 有 了 数 字 处 理 的 全 部 优点， 主要体现在： 接口方便， 编程方便， 稳定性好， 精 度高， 可重复性好， 集成 方 便 " 总 之， ’(% 是 伴 随 着 数 字信号处理技术的发展， 为适应数字信号处理技术中 所要求的快速实时 处 理、 处 理 数 据 量 大、 处理精度高 等特点而开发的专用单片机 " # "# ’(% 在电力系统中的应用 !） ’(% 技术在电能质量监控中的应用 " #） ’(% 与电 力 电 子 技 术 相 结 合 应 用 于 电 网 无 功 补偿和谐波抑 制 " 无 功 功 率 补 偿 对 触 发 时 间 和 算 法 的快速性有着较高的要求， ’(% 技术和 芯片 在这里 能 发挥其功能强 大 的 优 势 从 而 得 到 较 好 的 应 用 " 目 前 国外已有多种静 止 无 功 补 偿 装 置 采 用 ’(% 芯 片 作 为 系统的控制 核 心 " 将 ’(% 与 电 力 电 子 装 置 的 控 制 联 系起来， 发挥其控制灵活、 实时性强的特点， 就可以很
电力系统中的应用 , 关键词：-./；电力系统；数据采集；数据处理；01.$*& 中图分类号：01#"* 文献标识码：2
$%%&’()*’+, +- !"# *.(/,+&+01 ’, %+2.3 414*.5 +- 6)*) )(78’4’*’+, ),6 %3+(.44’,0
34 567%89:;<! ，=> /9;<%:;* ，?@A> )6B%C7;<* ，12 D76%E9B* ，@F D:;%G9;*
随着数字计算机的普及和其在系统控制中的广泛 应用， 离散系统日益显现出其重要性 , 在实际工程中， 大量的连续时间系统通过采样的途径而化为时间离散 已成为系统 系统来进行分析和 控制 , 数据采 样 系 统， 控制理论中的一个重要分支， 是体现系统功能， 挖掘系 统性能的主要手段和方式 , 由于 -./ （ -9<9H:L C9<;:L SI7% 芯片既具 有 高 速 数 字 信 号 处 理 功 能， 又具有实 JBCC7I） 时性强、 低功耗、 高集成度等嵌入 式 微 计算 机 的 特点， 在各个领域得到了广泛的应用 , 本文基于美国 04 公司 介绍了 -./ 技术在电力系统当 01.$*& 系列 -./ 芯片， 中的应用， 并以数据采集为重点， 说明 -./ 在系统应用 中的硬件实现和软件开发 ,
单， 对系统的监测 或 者 对 来 自 /M 的 控 制 要 求 不 十 分
［!］ 严格 ,
在这 种 系 统 中 包 括： 输 入 输 出 卡、 /M 和 它 的 显示器 M/>、 -A. 操 作 系 统 和 数 据 采 集 应 用 软 件、
［!］ （ MV0） , 这 + 部分的技术随着计算机技术的发展有
第 *! 卷 第 + 期 *&&( 年 Y 月
天 津 理 工 大 学 学 报 =>?@A$B >C DE$A=EA ?AEFG@"EDH >C DGIJA>B>KH
Z7L , *! [7 , + 26< , *&&(
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外的处理器 进 行 数 据 采 集、 存 储、 管 理 控 制， 从而将 /M 释放 出 来 作 为 显 示 操 作 界 面 , 在 数 据 采 集 系 统 中， 通 常 采 用 单 片 机 作 为 M/>， 控 制 2-M （模 W 数 转 换 器） 、 存储器和 其 他 外 围 电 路 的 工 作 , 但 分 析 基 于 单 片机 数 据 采 集 系 统 ， 其存在的问题是在高速数据采
［#］ 处理器， 是一种具有特殊 结 构 的 微 处 理 器 " 2(3 总
线由于其众多优点 在 计 算 机 中 已 经 具 有 不 可 取 代 的 作用， 采 用 2(3 总 线 使 ’(% 与 计 算 机 通 信 可 以 很 好 地满足电力系统对高速数据传输的要求 "
［$］ ,.(#$+ 系列 ’(% 芯片的特点概述
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第 #! 卷
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（! , 09:;E9; /BHI7JKBGB9J:L M7 , /7NBI /L:;H，09:;E9; $&&*#! ，MK9;:；* , .JK77L 7O 26H7G:H97; :;P F;BI<Q .76IJB F;<9;BBI9;<，09:;E9; >;9RBIC9HQ 7O 0BJK;7L7<Q，09:;E9; $&&!’! ，MK9;:） $94*3)(*：0K9C S:SBI 9;HI7P6JBC HKB JK:I:JHBI9CH9JC 7O -./ 9; CHI6JH6IB :;P HBJK;9T6B , 4H :LC7 P9CJ6CCBC HKB K:IPN:IB :;P C7OHN:IB 9G% SLBGB;H:H97; 7O HKB P:H: :JT69C9H97; :;P SI7JBCC9;< CQCHBG U:CBP 7; -./ SI7JBCC7I，:C NBLL :C HKB :SSL9J:H97; 7O HKB CQCHBG 9; S7NBI CQCHBG , :.1 2+364：-./；S7NBI CQCHBG；P:H: :JT69C9H97;；P:H: SI7JBCC9;<；01.$*&
［;］ 好地实现谐波抑制 "
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’(% 技术在电力系统中的应用
电力系统监视和控制的参数要求实时性较强， 不
仅包括 频 率、 电 压、 电 流、 有 功、 无 功、 谐 波 分 量、 序分 量等， 还有些采集 的 特 征 量 频 率 变 化 快 而 且 复 杂， 如 暂态突变量， 高频的故障行波等 " 普 通的 采 集 处理 方 法对多路参数进行采样计算时， 就会显得吃力甚至难 以实现 " 而且随着电力系统对实 时 性、 数据 量 和 计算 要求的不断提高，常用的微处理器包括 0! 系 列 和 )1 系列等控制型器件在许多方面， 特别是在计算速度方 面， 已不能很好地 适 应 电 力 系 统 的 要 求， 正是在这种 情况下， ’(% 处理器逐渐被应用到电力系统中 " # "! ’(% 系统技术特点 由于计算机本身的特点， 通用计算机通常充当没 有实时性要求的工作， 而不适于实时性要求很高的数 字信号处理工作 " 将计算机和 ’(% 有机地结合 起 来， 万方数据 点， 充分利用各自的优 它 们 将 会 相 得 益 彰， 适应现实
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数据采集系统的发展过程
早期的数据采集系统 在 最 早 期 的 数 据 采 集 系 统 中， 硬件结构非常简
收稿日期：*&&+%!*%!( Байду номын сангаас 基金项目：中国石化科技攻关基金资助项目 （ &+!&X5&!#"X.&&*#） , 第一作者：李国湘 （ !’#* — ） ，男，工程师 ,
万方数据