一种基于DSP的谐波分析方法及用电采集终端与流程

本发明属于电力设备领域，具体涉及一种基于dsp的谐波分析方法及用电采集终端。

背景技术：

1、目前用电采集终端的谐波分析功能主要通过交采模块的主控mcu和计量芯片协作完成。谐波分析任务的实现对交采模块的主控mcu性能要求比较高，通常需要采用基于cortex-m4核的高性能mcu。另外，传统的主控mcu通过spi通讯口采集实时计量数据和波形缓存数据的传输，由于计量数据和波形数据两类数据的采样周期存在交叠，因而会相互影响和制约。因此在现有方案中，考虑到对主控mcu响应速度的影响，三路电压、三路电流的波形数据通常需要拆分成多次来采集，波形数据采集的效率很低。

2、与此同时，现有的谐波分析相关的数据主要采用软件计算方式，对波形数据进行快速傅里叶变换fft计算，然后对浮点型的计算结果再次计算得到各个通道各次的谐波分析数据。整个过程都是浮点数运算，运算效率比较低。

3、综上所述，一方面，现有的采用高性能mcu和计量芯片来实现谐波分析功能的硬件方案成本比较高，不太适合大批量的应用推广。另一方面，现有方案需要对数据进行异步采集和分时处理，并在存储后通过软件算法实现谐波分析，这种数据处理策略也存在运算效率低、数据处理速率慢等缺陷，并大幅抬升设备的运行功耗。

技术实现思路

1、为了解决现有用电采集终端实现谐波分析时对硬件要求较高，且数据处理效率较低的问题，本发明提供一种基于dsp的谐波分析方法及用电采集终端。

2、本发明采用以下技术方案实现：

3、一种基于dsp的谐波分析方法，其包括如下步骤：

4、s1：选择采用支持dsp功能的mcu作为谐波分析装置的主控制器，在计量芯片单元和mcu之间增加专用波形输出的hsdc接口；构建用于实现谐波分析的谐波分析装置的硬件架构。

5、s2：对谐波分析装置的mcu和计量芯片单元进行初始化，并由计量芯片单元根据的预设波形数据采集周期完成各个周波时间内的多通道波形数据的采集。

6、s3：计量芯片单元将采集到的完整周波时间内的各个通道的波形数据通过hsdc接口上传到mcu。mcu完成数据校验后将波形数据存储到运算数据缓冲区，并置位采集完成标志。

7、s4：mcu检查采集完成标志，并通过dsp对各个通道中经过校验的波形数据进行快速傅里叶运算，进而生成表征各通道fft运算结果的整型数据。

8、s5：mcu利用dsp根据上步骤快速傅里叶变换生成的运算结果，计算出各通道中各次谐波的有效值、含有率以及各通道的总谐波含有率。

9、作为本发明进一步的改进，在步骤s1的谐波分析装置中，计量单元通过传统的spi接口和hsdc接口与mcu通信连接。spi接口用于实现计量任务和谐波分析任务中指令和数据的双向传输，hsdc接口仅用于实现谐波分析任务中波形数据的上传。

10、作为本发明进一步的改进，步骤s2中的初始化内容依次包括：

11、(1)预设波形数据采集周期。

12、(2)初始化计量芯片波形缓存dma和hsdc接口。

13、(3)初始化采样方式为同步采样64点。

14、(4)启动hsdc接口。

15、(5)完成mcu中波形数据缓存的dma配置。

16、作为本发明进一步的改进，步骤s3中，计量芯片单元的波形数据上传的交互过程如下：

17、s31：计量芯片单元按照预设的编码规则将各通道的波形数据打包后通过hsdc接口传输到主控mcu。

18、s32：主控mcu自动接收波形数据，并对接收到的波形数据进行准确性和完整性的校验。

19、s33：将满足校验条件的波形数据存储在mcu的缓存区。

20、s34：完成数据存储后，对采集完成标志进行置位。

21、作为本发明进一步的改进，步骤s4中，dsp对波形数据进行快速傅里叶运算的过程如下：

22、s41：开启主控mcu中dsp。

23、s42：按通道对接收到的波形数据进行数据提取。

24、s43：dsp将每个通道对应的整型的波形数据转换为浮点型数据。

25、s44：dsp根据浮点型数据完成各通道的fft运算。

26、s45：dsp将上步骤的浮点型运算结果转换为复数形式的整型数据。

27、作为本发明进一步的改进，步骤s5中，各通道含有率和有效值的计算方法如下：

28、s51：从计量芯片单元中读取各通道的基波有效值basex；其中，x表示通道号，x＝1……m；m表示通道数。

29、s52：根据各通道各次谐波的fft运算结果实部和虚部数据，计算出对应的幅值ampx,j；j表示谐波次数，j＝1…n；n表示总谐波次数。

30、s53：通过下式计算各通道各次谐波含有率ratiox,j：

31、

32、上式中，khx,n为谐波转换系数，根据计量芯片特性默认或者人工校准后得到。

33、s54：由各通道基波值和各次含有率计算各通道各次有效值，计算公式如下：

34、valuex,j＝basex×ratiox,j。

35、s55：结合各通道各次谐波含有率ratiox,j通过下式计算各通道的总含有率thdx，

36、

37、作为本发明进一步的改进，步骤s51中，各通道的基波有效值basex的计算公式如下：

38、basex＝regx×kx

39、上式中，regx为计量芯片的基波寄存器值；kx表示基波有效值的转换系数，其通过校准得到。

40、作为本发明进一步的改进，步骤s52中，各通道中各次谐波的幅值ampx,j的计算公式如下：

41、

42、上式中，realn表示fft运算结果的实部；magen表示fft运算结果的虚部；i表示虚数单位。

43、本发明还包括一种用电采集终端，其包括核心模块和谐波分析装置。核心模块用于根据获取到的任意节点中的各项电力数据，实现台区除谐波分析以外的其它多种监测任务。谐波分析装置采用如前述的基于dsp的谐波分析方法实现对台区或其中的任意节点进行谐波分析。

44、谐波分析装置包括：电压互感单元、电流互感单元、计量芯片单元、mcu、eeprom存储单元、flash存储单元。

45、电压互感单元用于采集电压波形信息；电流互感单元用于采集电流波形信息。

46、计量芯片单元用于获取电压互感单元和电流互感单元采集到的电压谐波和电流谐波的波形信息，并将采集到的多通道的波形信息上传到一个mcu。

47、mcu用于获取计量芯片单元采集到的波形数据完成谐波分析任务，并将谐波分析结果发送到核心模块。

48、eeprom存储单元用于存储mcu运行过程所需的固件数据以及执行谐波分析任务过程产生的缓存数据。

49、flash存储单元用于存储谐波分析过程中获取的原始数据和生产的谐波分析结果的相关数据。

50、作为本发明进一步的改进，核心模块和mcu之间通过uart接口和spi接口双向通信连接。计量芯片单元和mcu之间通过spi接口实现计量任务和谐波分析任务中指令和数据的双向传输，并通过hsdc接口实现谐波分析任务中波形数据的上传。eeprom存储单元与mcu之间采用iic接口实现数据与指令的双向传输。flash存储单元与mcu之间采用spi接口实现数据的双向传输。

51、本发明提供的技术方案，具有如下有益效果：

52、(1)本发明采用独立的基于spi通讯技术的波形数据专用hsdc接口高效的传输波形采集数据，可以与传统的计量数据采集通道隔离。

53、(2)本发明采用基于dsp技术的谐波数据计算分析，比传统的软件计算更高效，对主控mcu的性能要求更低。

54、(3)本发明采用基于cortex-m0核并支持dsp的主控mcu和支持专用波形输出接口的计量芯片来实现谐波分析，成本更低廉，更适合大批量应用推广。