程 艳 ，孙树敏 ，张海涛 ，李广磊 ，袁 帅 ，赵 鹏 ，毛庆波

（1.山东电力集团公司电力科学研究院，山东 济南 250021；2.山东彼岸电力科技有限公司，山东 济南 250101）

0 引言

电力系统的无功补偿和无功平衡，是保证电网电源质量的基本条件，对保证电力系统的安全稳定与经济运行起着重要作用。尤其是对于并网的风电场来说，所安装的动态无功补偿装置，是作为调节本风电场无功的电压平衡的最主要的电气设备，它的运行状态和运行效果的优化与否［1］，对于风电场的稳定运行有着重要作用，因此有效、准确地监控和测量动态无功补偿装置的运行状态则显得尤为重要。

数据采集系统可以检测风电场并网点、主变低压侧和动态无功补偿装置的三相基波电压、电流，从而分析并网点的电能质量和无功补偿装置的运行状态，并且可以对电压的骤升、骤降进行监测和记录，具有较强的实用性。

数据采集系统采用PC104+FPGA方案［2］，数据采集用FPGA和调整同步A/D来实现，经接口芯片 PCI9054［3］通过 PCI总线与 PC104 实现双向数据通信，从而在PC104上进行高速数据处理。

1 采集卡总体硬件设计

数据采集系统采集卡选用了具有低系统占用率、高传输速率特性的PCI总线，以保证采集卡与主机间海量数据高速传输的可靠性［4］。 由于PCI总线复杂的总线逻辑和电气规范，采集卡使用专用PCI总线控制芯片负责与PCI总线连接。根据传输速率的要求以及采集卡需使用DMA传输方式的特点，选用了由PLX公司开发研制的PCI9054芯片。采集卡的核心处理器件是FPGA，数据的实时采集由它控制完成。FPGA选用美国ALTERA公司Cyclone系列芯片，型号为EPlC6Q240C8。由于数据采集要求高度同步，模数转换选取TI的ADS8364芯片。数据采集卡的总体硬件设计结构如图1所示。

图1 数据采集卡的硬件结构框图

1.1 PCI9054的功能设置及硬件连接

PCI9054作为PLX公司研制的32位33 MHz的PCI总线主控I/O加速器接口芯片，实现PCI总线和LOCAL总线之间数据传输，通过外围控制电路实现PC104和外围设备的桥接，该芯片符合PCI规范2.2版本，同时兼容PCI规范2.1，本地端突发传输速率可达峰值132 MB/s，支持复用或非复用的32位局部总线操作。该芯片支持VPD的PCI扩展，支持PCI双地址周期，地址空间高达4 GB。同时具有可选的串行EEPROM接口，8个32 Bit Mailbox寄存器和2个32位Doorbell寄存器。芯片核心采用3.3 VCMOS技术，兼容5 V信号环境，符合低功耗的要求。

PCI9054支持三种数据传输模式：PCI主控方式——允许本地的CPU访问PCI总线上的存储器和I/O接口；PCI从方式——允许PCI总线上的主设备访问本地总线上的存储器和I/O接口；DMA方式——由DMA控制器读PCI存储器内容到本地存储器或将本地存储器的内容写到PCI存储器。根据本装置的要求可以采用PCI从方式与PCI总线数据传输。PCI9054需要1片EEPROM对其内部配置寄存器初始化。在EEPROM中需事先烧入对应寄存器的初始值，在PC启动时，PCI9054很快地自动将EEPROM中值读入对应寄存器，然后PC根据寄存器中的值为PCI9054分配中断号、内存空间、I/0空间等系统资源。FPGA、PCI9054及PCI总线连接框图如2。

图2 PCI信号连接示意图

1.2 FPGA电路的设计与实现

FPGA是整个系统的核心，控制数据采集、A/D转换以及数据的传输［5］。

FPGA基本由6部分组成，分别为可编程输入/输出单元、基本可编程逻辑单元、嵌入式块RAM、丰富的布线资源、底层嵌入功能单元和内嵌专用硬核等。FPGA继承了ASIC的大规模、高精度、高可靠性的优点，而且可以反复的编程、擦除，开发工具智能化，功能强大，支持软硬件协同设计，可以完成某些告诉复杂设计，提高系统的工作频率与效能，同时克服了普通ASIC设计周期长、投资大、灵活性差的缺点，逐步成为复杂数字硬件电路设计的理想首选。

采集卡中FPGA功能：拥有内嵌锁相环，利于FPGA内部的时钟管理，提高系统的稳定性；拥有充足的RAM单元，使开辟较大的FIFO空间成为可能，从而延长FIFO间切换存储过程中产生中断的间隔时问。

ADS8364是高速、低功耗、六通道同时采样和转换的十六位模数转换器并行输出。采用+5 V工作电压，50 kHz时拥有80 dB共模抑制的全差分输入通道，使其在噪声较大的环境中明显优于其他A/D芯片。ADS8364最大时钟频率可达5 MHz，可在20个时钟周期内完成采样/转换。芯片还包括6个4 μs连续近似的模数转换器，6个差分采样放大器，带REFIN和REFOUT引脚的内部+2.5 V参考电压。以及高速并行接口，又有高达200 kbps的通道吞吐率。ADS8364拥有A、B、C三组6个模拟输入，每个输入端有1个ADCs可以成对同步工作，3个保持信号用来指定通道进行采样、转换或者保证几个通道能同时进行采样、转换。

ADS8364与FPGA的接口连接如图3所示。

图3 ADS8364与FPGA连接示意图

3 个保持信号（HOLDA，HOLDB，HOLDC）启动指定通道的转换。 当3个保持信号同时被选通时，启动转换，转换完成后，把转换结果将保存在6个寄存器中并产生EOC信号。A/D转换精度为16位，最高位为符号位，数据输出方式可以由BYTE，ADD与地址线A2、Al、A0的组合控制。

图4 ADS8364的工作时序图

ADS8364的工作时序图见图4，在ADS8364的开始转化信号HOLDX保持至少20 ns的低电平时才能保证有效。当转换结果被存人输出寄存器后，引脚EOC的输出将保持半个时钟周期的低电平。FPGA为ADS8364提供CLK和HOLDX信号，当转换完成后接收EOC信号，通过置RD和CS为低电平可使数据读出到并行输出总线。FPGA—EPlC6Q240C8内部逻辑电路的设计采用Altera 公司提供的 QuartusⅡ［6］软件完成，采用嵌入IP核可以方便对ADS8364进行控制，用内部RAM组建一个FIFO存储区，把采集的数据存储在FIFO内，可以减少系统中断，当FIFO内的数据达到一定数量后，把向系统申请中断。

1.3 采集卡驱动开发

PCI数据采集卡设计的另一关键问题就是驱动程序的开发［7］。 Windows操作系统为了保证系统的安全性、稳定性和可移植性，对应用程序访问硬件资源加以限制。因此，需要通过设备驱动程序实现应用程序对PCI硬件设备的访问。在Windows 9x/NT中，设备驱动程序必须根据Windows驱动程序模型设计。设备驱动程序的关键是如何完成硬件操作，基本功能是完成设备的初始化、端口的读写操作、中断的设置和响应及中断的调用、以及对内存的直接读写。为简化设备驱动程序的开发，选用了Jungo公司的WinDrive编写工具。用WinDriver实现PCI设备驱动程序的步骤如下。

1）把制作完成的板卡插入PCI插槽，开机用WinDriver的Drive Wizard工具查找并选择所要编写驱动程序 PCI板卡。

2）用Drive Wizard的Generate.INF File产生INF文件，然后添加新硬件。

3）Drive Wizard会自动检测计算机硬件资源，对PCI板卡上的配置寄存器、I/O空间、内存范围、中断、片内寄存器等进行设置。

4）在 Build菜单中选择自动生成源代码，Drive Wizard自动生成文件。

5）在Visual C++6.0中对上面生成的源代码进行编译、链接和运行。

6）编写驱动的动态链接库DLL文件。根据本系统的一些具体的功能要求，在Visual C++6.0中对源代码进行功能添加和代码调整，使得修改和重组后的驱动程序高效、安全地执行，生成动态链接库DLL文件。手续开发的软件通过DLL文件实现与数据采集卡的通信。

2 装置系统软件开发

系统软件开发基于PC104计算机，采用PCM-3362，该PC104的 CPU采用 Intel Atom N450，频率为1.66 GHz，支持DDR内存，最大内存2 GB，基本输入输出系统为AMI 16Mbit Flash bios，支持VGA1和8-bit LVDS，支持嵌入式软件APIS和Utilities，拥有4个 USB2.0、2个RS-232和1个RS-422/485，采用5 V、12 V供电。

在该装置中，采用Visual C++6.0作为软件开发环境，通过调用驱动所提供的DLL文件对数据采集卡进行操作。 读取采集卡采用中断方式，当采集卡FPGA的FIFO中的数据达到一定数量后，会向PCI申请中断，PC104接收到中断信号后，响就中断，把数据读取到PC104的内存，并把数据做FFT变换，计算出电压，电流的频率，大小，相位等信息，利用这些信息做进一步处理，可计算无功功率，有功功率等。所计算的结果可以通过数据库在本地系统存储管理，方便历史数据查询，生成数据报表。在Visual C++可以方便利用socket把数据传送至远端服务器。

3 样机实验

试验样机采用图1所示数据采集系统主电路。交流输入电压为110 kV，输入电流为50 A。

系统采样频率为64kHz，使用快速傅里叶变换，计算出得到相电压为63 522.20 V，电流为49.99 A，功率因数为0.99，得出有功功率为9430.64137kW，无功功率为1 339.692 38 kvar，数据采集系统显示结果如图5所示。

上述实验结果证明了基于PC104和FPGA的数据采集系统的研究的可行性和可操作性，显示结果精度比较高，计算比较精确。

4 结语

提出的基于PC104工控机和FPGA的数据采集系统的实现方法，实现了对风电场动态无功补偿装置的运行状态的检测，完成了电压、电流信号的同步采样和数据传输，能有效的对电能质量进行分析和无功补偿装置的运行状态进行检测，系统的网络通信实现了对系统实时监控，同时试验验证了该数据采集系统算法和操作系统的稳定性和实用性，表明了该系统的研究和实现对电网电能质量的保证、电力系统的安全稳定和经济运行具有重要作用和意义，项目研究的推广具有重要的实用价值。

图5 数据采集系统显示结果