基于分布式電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置的研制

江友華, 常 建, 田書(shū)錦

(上海電力學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院, 上海 200090)

根據(jù)十三五規(guī)劃綱要,國(guó)家要大力發(fā)展分布式電源并網(wǎng),由于分布式電源需通過(guò)電力電子器件接入電網(wǎng),因而大功率電力電子變流裝置在電力系統(tǒng)負(fù)載中所占比例將會(huì)越來(lái)越大.這將給分布式電網(wǎng)帶來(lái)前所未有的沖擊與污染,造成電網(wǎng)諧波、三相不平衡、電壓波動(dòng)、高壓尖峰干擾等問(wèn)題,嚴(yán)重影響了安全穩(wěn)定生產(chǎn)[1].因此,實(shí)時(shí)有效監(jiān)測(cè)電網(wǎng)的電能質(zhì)量非常必要.目前,市場(chǎng)上眾多的電能質(zhì)量裝置的監(jiān)測(cè)諧波次數(shù)不高(通常63次以下)且監(jiān)測(cè)點(diǎn)較少(一般只有3個(gè)網(wǎng)點(diǎn)),不能客觀地反映電能質(zhì)量存在的問(wèn)題.

電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案有許多種,常規(guī)方案都是以一個(gè)CPU輔助其他外圍電路來(lái)達(dá)到設(shè)計(jì)的目的.但其缺點(diǎn)是在系統(tǒng)中需要進(jìn)行繁瑣的譯碼、邏輯變換,使得硬件電路很復(fù)雜,調(diào)試也比較困難.本文設(shè)計(jì)了一種以DSP+ARM為核心的雙CPU電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng),利用DSP強(qiáng)大的數(shù)字運(yùn)算能力,對(duì)采樣電路送來(lái)的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理,完成各種算法,實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率、功率、諧波、電壓有效值等電參量的計(jì)算與分析.利用ARM7系列微處理器功耗低、速度快、性能好、外圍接口豐富以及方便移植Linux操作系統(tǒng)等優(yōu)勢(shì),實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的顯示、通訊、存儲(chǔ)等功能.本系統(tǒng)能實(shí)時(shí)精準(zhǔn)測(cè)量多個(gè)電能質(zhì)量數(shù)據(jù),采用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言編程,程序界面友好;電能質(zhì)量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)一年;具有抗干擾能力強(qiáng)、實(shí)時(shí)性好、體積小、成本低等特點(diǎn).

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用DSP+ARM+CPLD為核心,以運(yùn)行嵌入式Linux操作系統(tǒng)的ARM為主控制模塊,DSP為數(shù)據(jù)運(yùn)算處理模塊,充分運(yùn)用了DSP自身快速處理數(shù)據(jù)的能力以及與ARM協(xié)調(diào)管理及控制的能力.本系統(tǒng)實(shí)時(shí)性好,人機(jī)界面友好,功能強(qiáng)大,具有智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的特點(diǎn).

圖1為電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置的功能框圖.該電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置分為數(shù)據(jù)采集處理模塊和人機(jī)交互管理模塊兩部分.由圖1可知,前端數(shù)據(jù)采集處理模塊是由參數(shù)釆集模塊(采集卡)、CPLD模塊以及DSP數(shù)據(jù)處理模塊組成.首先通過(guò)參數(shù)釆集模塊對(duì)來(lái)自互感器二次側(cè)的三相電壓電流進(jìn)行采集,然后通過(guò)采集卡上的A/D芯片對(duì)參數(shù)采集模塊輸出的6路信號(hào)進(jìn)行采樣,并釆用并口方式通過(guò)數(shù)據(jù)總線將釆樣后數(shù)據(jù)傳送到DSP進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理.DSP模塊的主要任務(wù)是控制A/D轉(zhuǎn)換并將轉(zhuǎn)換后的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)計(jì)算,然后再通過(guò)雙口RAM將處理后的數(shù)據(jù)傳送給數(shù)據(jù)管理模塊,即ARM模塊進(jìn)行存儲(chǔ)、通信以及顯示.

圖1 電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置功能示意

1.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊是電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分,其采集的精確度對(duì)整個(gè)電能質(zhì)量裝置的性能至關(guān)重要.其數(shù)據(jù)采集任務(wù)由Data Acquisition(DAQ)模塊完成,即數(shù)據(jù)采集卡[2].DQA卡的選擇主要考慮采樣率、采集范圍、數(shù)據(jù)分辨率、輸入模式、輸入范圍、增益、隔離性能等相關(guān)指標(biāo).

本系統(tǒng)采用8個(gè)數(shù)據(jù)采集卡,可以測(cè)量8路三相電壓信號(hào)和8路三相電流信號(hào).數(shù)據(jù)采集卡是一款由ADLINK公司推出的DAQ-2000系統(tǒng)中的DAQ2205,開(kāi)發(fā)了直接內(nèi)存訪問(wèn)(Direct Memory Access,DMA)通道,通過(guò)該通道,DQA設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)可以直接到達(dá)計(jì)算機(jī),不需要通過(guò)處理器.DMA通道可將采集來(lái)的數(shù)據(jù)直接存儲(chǔ)到內(nèi)存中,并不占用處理器.本采集卡的采樣速度塊,能夠同時(shí)對(duì)多通道進(jìn)行參數(shù)采集,且跟隨驅(qū)動(dòng)軟件,操作者可以對(duì)其進(jìn)行編程.

1.2 調(diào)理電路的設(shè)計(jì)

調(diào)理電路[3]的主要作用是對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行放大、濾波等處理.根據(jù)ADS7656對(duì)采樣信號(hào)的要求,采樣信號(hào)采用差分輸入時(shí),加在芯片采樣引腳的電壓應(yīng)在0～5 V,而且從互感器出來(lái)的信號(hào)是一個(gè)電流信號(hào),調(diào)理電路的一個(gè)作用就是將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)并滿足ADS7656對(duì)輸入信號(hào)的要求.由于本系統(tǒng)要求分析2～100次電網(wǎng)諧波,因此濾波截止頻率為2×100×50=10 kHz,ADS采樣頻率被確定為10 000×2=20 kHz,進(jìn)一步可以算出ADS7656采樣時(shí)鐘頻率為20×103×20=400 kHz.調(diào)理電路原理圖如圖2所示.

圖2 信號(hào)調(diào)理電路示意

1.3 鎖相環(huán)同步脈沖電路

在對(duì)交流電路進(jìn)行采樣時(shí),由于電路中電信號(hào)的頻率并不是固定值,故采用鎖相環(huán)同步技術(shù)[4]實(shí)現(xiàn)快速的周期跟蹤.由于是對(duì)信號(hào)進(jìn)行同步采樣,鎖相環(huán)同步技術(shù)能夠有效地配合FFT算法,從而實(shí)現(xiàn)高精度的信號(hào)分析.

本系統(tǒng)將CMOS集成鎖相環(huán)芯片CD4046和計(jì)數(shù)器CD4040相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的鎖相倍頻.CD4046的動(dòng)態(tài)功耗低、輸入阻抗高.通過(guò)過(guò)零電壓比較電路,基波信號(hào)轉(zhuǎn)換為方波信號(hào),輸出給后端的鎖相環(huán)及分頻電路,進(jìn)行基于電網(wǎng)頻率的同步倍頻,得到的倍頻信號(hào)作為A/D采樣的周期控制信號(hào).CD4046鎖相環(huán)電路保證了采樣頻率fs對(duì)工頻頻率f的在線跟蹤,即滿足fs=Nf.也就是說(shuō),A/D在一個(gè)工頻周期里采集256個(gè)點(diǎn)(N=256)供FFT分析計(jì)算.

圖3為鎖相環(huán)同步脈沖電路.

圖3 鎖相環(huán)同步脈沖電路

1.4 數(shù)據(jù)處理模塊

DSP數(shù)據(jù)處理模塊的任務(wù)是對(duì)經(jīng)過(guò)采集卡后的6路電壓電流數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算處理,并將運(yùn)算結(jié)果通過(guò)雙口RAM的通道傳送至ARM中,完成數(shù)據(jù)的管理、顯示及通信.因此,數(shù)據(jù)處理模塊芯片的選擇至關(guān)重要.DSP芯片選擇了TI公司生產(chǎn)的C6000系列中的TMS320C6747,它是一款32位高性能、低功耗浮點(diǎn)運(yùn)算CPU,可進(jìn)行浮點(diǎn)型運(yùn)算.此芯片特別適合處理大量復(fù)雜的數(shù)據(jù)和算法.

1.5 人機(jī)交互模塊

ARM采用嵌入式操作系統(tǒng)平臺(tái)[5],負(fù)責(zé)系統(tǒng)各任務(wù)的調(diào)度,實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互、參數(shù)設(shè)置保存、USB接口、RS232/485接口、SD卡接口等功能.該底板具有豐富的外設(shè)接口,依據(jù)本裝置的功能要求,其硬件功能框圖設(shè)計(jì)如圖4所示.

圖4 ARM模塊功能示意

由圖4可知,ARM外圍接口包括以下8個(gè)模塊:

(1) 雙口RAM接口模塊 主要負(fù)責(zé)DSP與ARM之間進(jìn)行通信;

(2) 顯示模塊 顯示屏選擇全彩顯示屏,觸摸板接口采用線電阻式設(shè)計(jì)方式,實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互界面的顯示功能,而且還可以通過(guò)觸摸功能進(jìn)行系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置;

(3) USB通信接口模塊 通過(guò)USB接口移植Linux系統(tǒng)進(jìn)行工作,實(shí)現(xiàn)與外設(shè)的通信;

(4) SD卡接口模塊 外接SD卡,可以存儲(chǔ)大量電能質(zhì)量數(shù)據(jù)供工作人員進(jìn)行數(shù)據(jù)分析;

(5) RS232串口模塊 實(shí)現(xiàn)了開(kāi)發(fā)板與PC機(jī)短程之間的通訊;

(6) RS485接口模塊 實(shí)現(xiàn)了ARM與PC機(jī)之間的遠(yuǎn)程通信,操作人員遠(yuǎn)程就可以了解電能質(zhì)量各項(xiàng)指標(biāo);

(7) WiFi模塊 便于將相關(guān)的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)傳送到移動(dòng)設(shè)備上;

(8) JTAG接口模塊 主要用于硬件功能的調(diào)試.

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 DSP的軟件設(shè)計(jì)

DSP軟件部分包括DAP和AD的初始化、控制AD芯片進(jìn)行信號(hào)采樣、對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行處理,以及將運(yùn)算后的結(jié)果傳輸給ARM進(jìn)行顯示、通訊等.

DSP要實(shí)現(xiàn)的算法包括以下兩個(gè)監(jiān)測(cè)指標(biāo).

(1) 基本監(jiān)測(cè)指標(biāo) 三相電壓有效值、三相電流有效值、功率、相位、功率因數(shù)等;電壓偏差;頻率偏差;三相不平衡度、負(fù)序電壓與電流;電壓總諧波畸變率、電流總諧波畸變率、各次諧波含有率;各次諧波的有功和無(wú)功功率等.

(2) 高級(jí)監(jiān)測(cè)指標(biāo) 間諧波;電壓波動(dòng)、閃變,其監(jiān)測(cè)的諧波次數(shù)可以達(dá)到100次,可對(duì)多個(gè)網(wǎng)點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè).

DSP系統(tǒng)的主要任務(wù)是處理和計(jì)算來(lái)自每片采集卡的6路三相電壓電流數(shù)據(jù),并控制AD轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換;DSP 將鎖相環(huán)同步脈沖電路發(fā)出的信號(hào)作為外部中斷,用來(lái)啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換.為了保證在AD轉(zhuǎn)換完成之前讀取寄存器數(shù)據(jù),通常需要在AD轉(zhuǎn)換啟動(dòng)1 h后再去接收轉(zhuǎn)換寄存器中的數(shù)據(jù).

因?yàn)槭?路電壓電流信號(hào)同步進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換,所以要循環(huán)接收6次,當(dāng)接收完成后,DSP 進(jìn)入數(shù)據(jù)處理單元對(duì)接收到的數(shù)據(jù)按要求進(jìn)行相應(yīng)的處理,獲得要監(jiān)測(cè)的各種電能質(zhì)量數(shù)據(jù),最后根據(jù)系統(tǒng)要求進(jìn)行上傳或者存儲(chǔ).其主程序流程如圖5所示.

2.2 ARM的軟件設(shè)計(jì)

ARM的功能主要是顯示,通訊,存儲(chǔ).ARM的軟件設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在ARM中嵌入Linux操作系統(tǒng)作為開(kāi)發(fā)平臺(tái),采用C和C++語(yǔ)言對(duì)Web服務(wù)器和QT等應(yīng)用程序完成開(kāi)發(fā).

2.2.1 Web服務(wù)器

Web服務(wù)器的作用是監(jiān)聽(tīng)用戶的服務(wù)請(qǐng)求,并根據(jù)用戶的請(qǐng)求給出相應(yīng)的服務(wù).Linux支持boa,httpd,thttpd 等幾種Web服務(wù)器,其中boa是一款單任務(wù)的Web服務(wù)器軟件,源代碼開(kāi)發(fā),速度快,性能優(yōu)越,支持能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)Web技術(shù)的CGI[6]技術(shù),特別適合應(yīng)用在嵌入式系統(tǒng)中.CGI提供了一個(gè)Web服務(wù)器的外部程序通道,運(yùn)行在服務(wù)器上,并規(guī)定了Web服務(wù)器調(diào)用其他可執(zhí)行程序(CGI程序)的接口協(xié)議標(biāo)準(zhǔn).Web服務(wù)器通過(guò)CGI程序?qū)崿F(xiàn)與瀏覽器的交互,將響應(yīng)結(jié)果再回送給Web服務(wù)器和瀏覽器.CGI程序可以通過(guò)C語(yǔ)言編寫(xiě).

圖5 DSP主程序流程示意

2.2.2 QT設(shè)計(jì)

QT是專門(mén)為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的圖形用戶界面的工具包,通過(guò)QT API與Linux I/O設(shè)備直接交互,是面向?qū)ο缶幊痰睦硐氕h(huán)境.面向?qū)ο蟮捏w系結(jié)構(gòu)使代碼結(jié)構(gòu)化、可重用且運(yùn)行快速.與其他GUI相比,QT GUI非常快,沒(méi)有分層.QT/Embedded 類庫(kù)完全采用C++封裝,豐富的空間資源和較好的可移植性是QT/Embedded最突出的優(yōu)點(diǎn).

2.2.3 ARM模塊軟件設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中,ARM芯片主要負(fù)責(zé)通信,人機(jī)交互管理,接收鍵盤(pán)的中斷,根據(jù)鍵盤(pán)的要求進(jìn)行相應(yīng)的顯示和儲(chǔ)存;同時(shí)ARM芯片還能接收上位機(jī)的中斷,依據(jù)上位機(jī)的要求進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)顯示、通信和存儲(chǔ).此外,ARM芯片還可以接收信號(hào)處理單元的中斷,按照DSP的中斷請(qǐng)求進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收和存儲(chǔ).其主程序流程如圖6所示.

圖6 ARM的主程序流程

3 實(shí)體裝置界面顯示

3.1 主界面

裝置完成初始化后,進(jìn)入正常界面,如圖7所示.

圖7 主界面的顯示效果

圖7中,最上面顯示裝置時(shí)間,中間左側(cè)為監(jiān)測(cè)點(diǎn)顯示區(qū),以圖標(biāo)方式顯示裝置的各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),通過(guò)鍵盤(pán)操作可以選定每一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),并在右側(cè)界面瀏覽監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),如三相電壓、電流有效值.最下面為狀態(tài)顯示區(qū),其中第1個(gè)圖標(biāo)為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通訊狀態(tài),第2個(gè)圖標(biāo)為統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)通訊狀態(tài),中間圖標(biāo)表示電能質(zhì)量事件發(fā)生信息,如果有新事件發(fā)生,圖標(biāo)將會(huì)閃爍并提示事件條數(shù);右側(cè)圖標(biāo)則記錄裝置內(nèi)置存儲(chǔ)器狀態(tài),寫(xiě)入數(shù)據(jù)時(shí),存儲(chǔ)圖標(biāo)將會(huì)閃爍.狀態(tài)條圖標(biāo)顯示存儲(chǔ)器空間使用情況,正常使用時(shí),狀態(tài)條以藍(lán)色表示存儲(chǔ)器使用部分,若數(shù)據(jù)存滿,狀態(tài)條將會(huì)全部變?yōu)槌壬?

3.2 按 鍵

裝置按鍵界面顯示效果如圖8所示.面板配有多個(gè)顯示燈,具體含義如表1所示.

圖8 按鍵顯示效果

名稱顏色指示燈含義運(yùn)行綠裝置上電啟動(dòng)過(guò)程中閃爍,正常運(yùn)行時(shí)亮諧波紅諧波電壓、電流超過(guò)設(shè)定限值時(shí)亮閃變紅電壓閃變超過(guò)設(shè)定限值時(shí)亮電壓紅電壓偏差超過(guò)設(shè)定限值時(shí)亮頻率紅頻率偏差超過(guò)設(shè)定限值時(shí)亮不平衡紅三相電壓、電流不平衡度超過(guò)設(shè)定限值時(shí)亮備用紅備用,可靈活定義告警紅裝置本身運(yùn)行異常時(shí)亮

按鍵的具體功能如下:

C ——取消,用于放棄當(dāng)前操作,或退出正在顯示的內(nèi)容;

R ——信號(hào)復(fù)歸鍵,用于信號(hào)復(fù)歸.

4 結(jié) 語(yǔ)

本系統(tǒng)采用DSP+ARM+CPLD 為內(nèi)核設(shè)計(jì)了電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng),最多可測(cè)量8路三相電壓信號(hào)和8路三相電流信號(hào),并提供多路報(bào)警;可以實(shí)時(shí)顯示電能質(zhì)量參數(shù)及電壓電流諧波分析圖形、表格等;采用高精度采集卡進(jìn)行同步采樣,采樣速率為12.8 kHz,完全達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)A級(jí)儀器要求;支持Modem,TCP/IP,RS232,485,GPRS無(wú)線傳輸(選配),WiFi等多種通訊方式;可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳功能.單臺(tái)或多臺(tái)GKDN808裝置可以組屏,屏體上可配置工控機(jī)、LED顯示器和后臺(tái)分析軟件組成現(xiàn)場(chǎng)工作站,也可以將所有數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳至監(jiān)控中心.

與其他測(cè)量裝置相比,本裝置具有更高的測(cè)量精度,人機(jī)界面友好,實(shí)時(shí)性更好,可以在線測(cè)量并具有遠(yuǎn)程通信的優(yōu)點(diǎn);有助于實(shí)時(shí)掌握分布式電網(wǎng)中電力負(fù)荷的運(yùn)行情況,及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理電力事故隱患,有效提高電網(wǎng)監(jiān)管的時(shí)效性.

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