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摘要：配电自动化远方终端涉笔数据采集系统对于配电网监控方面作用重大。因为传统数据采集系统在设计上精度低且非常复杂，采用在ARM控制器外扩16位高精度A/D采样芯片，设计出一种新型数据采集系统架构，实现实时调节采样频率目的。对数据采用软件滤波，并采用傅立叶变换，以提高实用性。在信号输入上面采用高精度开关电源和信号发生器，并分别进行电压精度测试、频率测试和快速傅里叶变换实验。结果显示，终端数据采集系统在精度和稳定性上面更具优势。
关键词：配电自动化远方终端、数据采集、快速傅立叶变换
引言：
配电网自动化是一个非常复杂且规模庞大的系统。为了保证供电稳定性，在电网系统运行中需要分散式监控中亚配电网，数据采集部分是监控终端进行故障终端非常重要环节。传统配电网远方终端设备基本上是单片机，在进行数据采集时经常利用外扩计量芯片方式。最近几年，高精度电压采样芯片和嵌入式系统发展速度迅猛，传统设备已经不能满足行业需求，对于技术上创新已经是迫在眉睫，将嵌入式系统与高精度A/D采样芯片结合应用到配电行业已经是一种必然发展趋势。
1.系统整体结构设计
新型终端数据采集系统在功能上划分为测控模块、交流输入模块、通信模块、保护模块和显示模块。五大模块间相互之间进行配合，从而实现对于数据的采集功能。终端数据采集所采集的数据有开关设备的状态、三相电压、有功功率、无功功率、电流等信息。在测控模块中使用AD7606高精度采样芯片，通过测频电路对采样频率进行实时调节，利用快速傅立叶变换进行数据提取。通信模块为辅助模块，利用嵌入式实时操作系统实现实时性、稳定性和兼容性[1]。
2.测控模块设计
测控模块是终端数据采集系统中核心部分，该模块主控制器采用ARM控制器，在外围扩展高精度AD采样芯片、FLASH、RTC实时时钟、CAN通信接口、频率测量电路和SRAM存储器。
交流采样模块可以通过转换得到低压采样信号。该信号与测控模块相连接，前级通过RC滤波电路对采样信号进行滤波。中间级可以采用跟随器，输入滤波后的信号到AD采集端口。通过外扩SRAM存储器和FLASH实时存储和计算采样数据，确保终端设备运行稳定性和可靠性。CAN通信接口实现模块之间数据对接。
3.通信模块设计
通信接口其主要作用在于实现各部分间进行数据交换，通信接口设备所采用操作系统在可剪裁性和可移植性上具备良好优势，在这一点上，μC/OS-II操作系统更为合适，更利于通信模块实现TCP/IP通信协议。具体操作步骤主要有两个：一、移植μC/OS-II操作系统到STM32上；二、移植LwIP协议栈到μC/OS-II操作系统。
4.DTU终端数据采集与分析
对电压、电流信号进行采样时，首先通过互感器对电路进行转换，同时通过调理电路降压处理信号，再经过运放跟随电路和低通滤波器采集信号。通过傅立叶对采样后的数字信号进行转换，分析幅频和相频，最后进行有效值计算。
4.1测控模块低通滤波器设计
配电网通信线路有高频噪声，这种噪声干扰性极强，DTU终端要想对故障进行准确分析，那么在分析之前就必须滤除高频噪声信号。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆在STM32软件程序中，一般会使用矩形窗法来设计低通滤波器，该滤波器在频率特性上表现为Hd（ejω）。在考虑进因果系统在物理可实现性方面，令幅频响应为|Hd（ejω）| = 1，在窗函数对滤波器进行设计时，需要考虑到通带截止频率，通过调节其中数值来选取较合适的滤波器参数[2]。
4.2数据采集信号截短
测控模块采样正弦信号时，因为正弦信号会呈现无限长连续信号在时域内，这样就必须要截短正弦信号。一旦截短参数设计时不够合理，那么就会产生波峰和频谱泄漏无法被识别情况。因此，对于正弦信号采样，一定要在采样点和采样频率进行选择时选取较为合理数值。
4.3信号采样及FFT参数确定
在STM32控制器中实现FFT算法，想要保证恢复好信号不失真，对于采样点数和采样频率必须先要确定好。正弦信号在表现形式上是=A sin（2πf0t + φ），这里面A指信号振幅；f0 指信号频率；φ 指初相位。配电网应该使用三相正弦交流电来进行供电，在理论上设置工频频率应该为50赫兹。香农采样定理中表示带限信号只要让采样频率大于两倍原信号最就可以使原信号恢复。因为正弦信号频率为±f0 处 δ 函数，所以正弦信号采样比较特殊。具体采样时应该满足以下准则：
一、抽样频率为正弦信号频率的整数倍；
二、截短后信号长度应该含有完整周期；
三、各周期采样至少为4点，或者是2的整次幂；
四、截短后正弦信号不能再次补零；
五、信号如含多个正弦，其中频率最高正弦信号需满足以上准则。
对N点离散信号进行离散傅立叶变换，并用DTF变换对1组N点数据进行定义，如果N在计算时数值较大，那么应该利用快速傅立叶变换FFT算法来简化在STM32主控制器中的运算。
4.4测量数据有效值计算
数据在通过FFT计算后，应该针对处理数据来计算遥测信息量，电力行业对于DTU终端数据计算精确性上有严格的标准，一般在精度划分上有两个等级，一个是1级，一个是0.5级，需要针对这些要求在计算中采用合适算法，DTU终端首先会对电流（IA，IB，IC）和三相电压（UA，UB，UC）的有效值数据信息关注。
5.结论
本文对配电自动化远方终端展开新型系统架构设计，着重是介绍对于测控模块部分进行设计。频率实现测量电路在测控模块加以应用能够对于电网波动而产生精度下降的情况能够起到有效控制作用。并为了提高采样精度来选取高精度模数转换芯片，再加上嵌入式系统对于程序运行效率加以提高。采用FFT算法代替传统DFT算法来对数据进行解析，这样对于计算实时性上也能够加强效果。这种新型架构可以保证采样电压有效值满足行业规定的0.5%误差范围，而且在波动性上也有所下降，这使新型架构稳定性和精确度上都显得更为优秀。快速傅立叶变换所得数据显示对于原信号相位和幅值都能够做到有效恢复，改进了传统设计精度不达标且复杂都诸多不足。
参考文献：
［1］戚尔江，彭道刚，关欣蕾，赵斌斌.智能配电自动化远方终端数据采集系统设计[J].电气传动，2018，48（07）：60-65.
［2］马艳娜，唐华，柯红军.基于移动终端的遥感监测数据采集系统设计与实现[J].测绘与空间地理信息，2017，40（04）：120-122.
论文作者:张大莲
论文发表刊物:《河南电力》2018年9期
论文发表时间:2018/10/18
标签：信号论文; 终端论文; 傅立叶论文; 模块论文; 数据论文; 正弦论文; 频率论文; 《河南电力》2018年9期论文;