基于ARM的分布式煤矿电网谐波测试仪

任子晖，刘听政，李 冲

(中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏徐州 221008)

0 引言

由于煤矿电网系统大量使用了电力电子元件，而电力电子元件对于电网的污染相当严重，所以，对于煤矿系统电网谐波的研究非常有意义[1]。谐波会使电子器件产生许多问题，因此，如何减小其危害是电力系统所面临的重大技术问题，而其中关键就是谐波的检测与分析。目前国内外电能质量检测仪多采用单片机或DSP作为运算处理数据的核心。传统的单片机存在速度慢、硬件结构不完善等问题；而DSP在处理暂态数据和控制外围低速电路有很大缺陷，限制其处理速度。其他一些检测设备也存在成本较高、功耗大等问题，不利于大规模的推广。煤矿电网支路较多，需要逐条检测，且谐波检测所需时间较长，使用单一设备测量费时费力。

文中提出了一种基于ARM9S3C2440A处理器为核心、以μC/OS-Ⅱ系统为操作系统、使用GPRS进行无线数据传输的分布式智能检测仪器设计方案。ARM具有较低的功耗、适合移植嵌入式操作系统的架构、较快的处理速度和较低的成本等特点，并且可以根据实际需求定制软硬件，做到系统最优化；友好的人机接口和可触控界面使仪器的操作非常方便，片上系统可定制多重功能。针对煤矿供电系统中多条负载支路的情况，采用了基于GPRS无线传输的分布式数据测量和采集方案，可以做到多点采集、集中处理，方便检测人员快速检测，节省测量时间，也可以实时监测电网谐波的情况。

1 总体架构

谐波检测系统主要包括分布式采集硬件模块和软件处理模块。系统结构示意图如图1所示。采用高精度的信号采集电路对煤矿电网谐波进行采集，并通过GPRS无线数据传输模块MC35i模块将采集的数据发送至主处理器，然后运用FFT和小波变换相结合的方法对数据进行处理分析，系统控制通过触摸屏操作，并显示处理结果。

图1 系统整体架构图

2 硬件设计

系统硬件部分主要包括：电压/电流互感、抗混叠滤波、A/D采样、PLL倍频、GPRS无线传输MC35i模块、显示模块等部分组成，硬件系统架构如图2所示。首先电压/电流互感模块采集电压和电流信息，使其经过限压运放调整，再经过抗混叠低通滤波器滤波，然后进入A/D采样。由于电压与电流的基波频率对于谐波数据的测量与分析至关重要，对数据的准确性和精度都有着直接的影响，所以系统采用PLL锁相环技术实现采样频率对于工频频率的自动跟踪。采集数据后保存至SD卡中，通过GPRS无线传输模块MC35i发送至主处理器进行数据的处理与分析。

图2 硬件系统架构

2．1抗混叠滤波与信号取样电路

通过对所参与的谐波治理项目的研究，总结出煤矿电网供电系统中的电压电流互感器PT和CT副边一般分别为100 V和5 A左右，设计采用的的电路原理图如图3所示。

图3 电流取样电路原理图

根据实际测量经验，谐波电流是检测煤矿电网谐波情况的主要依据。故以电流信号为例，被测信号经过电流互感器得到CT副边5 A的电流信号，然后经过取样转换为0.5 V的电压信号，经过二极管的双向限压保护，由OP07放大器放大调整到2.5 V的信号后送至抗混叠低通滤波器。

根据电力系统谐波检测的需要，考虑到大部分检测谐波为50次谐波，由此可得抗混叠滤波器的截止频率应选为2.5 kHz，并且应在频带范围内特性应尽量平坦，且当信号频率高于截止频率时应尽快地衰减，故选用巴特沃斯(Butterworth)四阶有源低通滤波器[2]。采用MAX275芯片，将其内两个二阶有源低通滤波器串联即可组成四阶有源低通滤波器。

2．2A/D采样与PLL倍频

A/D采样采用高精度双四通道高速14位A/D转换芯片MAX126，其具有分辨率高、速度快、工作模式多等特点。在采样过程中，采样频率必须跟随工频信号频率变化，以防止在FFT运算时产生频谱泄漏现象，影响测量精度。在设计中采用锁相环倍频技术实现对于工频信号频率的自动跟踪。电路原理图如图4。

图4 PLL倍频跟踪电路

2．3GPRS无线数据传输

设计主要采用MC35i双频GSM/GPRS无线通信模块，具有传输数据、语音、SMS和FAX等能力[3]。可为用户提供永远在线、高速度、更简单的移动数据通信接入手段等服务。MS35i具有体积小、重量轻、低功耗等特点，并提供省电模式、IDLE、TALK、数据等工作模式，适用于电能质量检测应用。采用虚拟IP技术可以对来自不同负载支路的检测消息进行识别[4]。

基于TCP/IP协议的网络编程主要有TCP和UDP两种实现方式，由于通信链路中终端的IP地址是由网关节点(GGSN)动态分配的，在每次传输完数据后，终端的IP地址和端口都可能发生变化，故采用TCP方式进行数据通信的网络编程。GPRS服务端如图5所示。

图5 GPRS服务端

2．4分布式测量方案

煤矿电网中，负载支路较多，谐波检测往往需要将所有支路全部检测，以便研究谐波的分布和大小。且在煤矿中，各负载支路的使用比较集中，时间基本同步，在使用单一设备检测时，需测量多个工作日，对于谐波的检测带来了极大的不便，故采用分布式测量方案可以有效避免此种状况，做到谐波数据的快速、统一采集与处理。

嵌入式系统较低的价格可以满足多个检测点同时使用此设备收集谐波数据，且各测量终端互相独立，采用基于虚拟IP的GPRS无线通信网络，主站不受固定IP限制，即各测量终端均可作为主处理器使用。嵌入式系统软硬件可定制的特点能够满足此种应用，使分布式测量系统做到扁平化，可任意调节测量方案。各测量终端有独立的IP地址，可以较容易地识别其测量的线路。分布式系统程序流程图如图6。

图6 分布式系统程序流程图

在谐波测量中，为了便于比较，常需要同步测量多条支路。在系统中，首先通过上位机发布命令，使多条支路的测量几乎同步开始，并设定测量时间。测量终端在接收命令后开始进行数据的采集，并将数据存储在测量系统自有的存储芯片中，在测量结束后，各终端将数据上传至上位机嵌入式系统中，数据存储在系统自带存储器内，由主处理器集中处理测量数据。在实现谐波监测时，分布式系统采用广播接收方式实现时钟的同步，即维护本地网络内的相对时钟关系，使所有测量终端达到同一时间尺度，经典的RBS协议即属于此类。谐波分析采用快速提升小波变换算法[5]，可以在无内存消耗的情况下加速小波变换，对突变信号进行有效跟踪，实现谐波的实时监测。

3 系统软件设计

3．1系统软件架构

设计的煤矿电网谐波检测系统软件部分主要包括数据采样处理、人机操作和无线通信。数据处理所使用的算法为快速傅里叶变换和小波变换。系统具有友好的人机界面，在嵌入式系统中设计了一个完整的谐波分析系统。系统开发主要采用C语言和ADS开发工具。系统结构图如图7。

图7 软件系统架构图

3．2操作系统的移植

操作系统采用具有高性能、源代码公开等特点的μC/OS-Ⅱ系统，μC/OS-Ⅱ操作系统具有非常广泛的使用，在使用前需要对其进行移植[6]。

移植工作包括以下内容：

(1)OS_CPU．H中需设置一个常量来标识堆栈生长方向；声明用于开关中断和任务切换的宏；针对具体处理器的字长重新定义一系列数据类型等。

(2)OS_CPU_C．C需要用C语言编写：OSTaskStInit()、OSTaskCreateHook()、OSTaskDelHook()、OSTaskSwHook()、OSTaskStartHook()和OSTimeTickHook()等6个函数。

(3)OS_CPU_A．ASM中要改写4个汇编语言的函数等。

3．3FFT与小波变换

谐波数据处理常用的算法是快速傅里叶变换(FFT)，该算法在分析周期性信号中具有处理速度快、精确度高的特点，但在测量过程中对于非整数次谐波的检测存在频谱泄漏和栅栏效应的问题，且在实际电网中，电压骤降、骤升、电压中断等暂态信号使其测量误差较大。小波变换是一种新的信号处理方法，具有时频局部化的特点，且对突变信号的检测具有突出的特性，具有较强的暂态信号处理能力，故其非常适用于电能质量的检测与分析。在设计中，采用小波变换与FFT相结合的方法对采集的谐波进行分析。在进行信号分析时，首先进行小波变换，将非稳态谐波和突变以及间断点等奇异信号进行模极大值的分析，然后将这部分信号分量除去，进行FFT运算，取出稳态谐波分量，即可得到分析结果。

4 测量结果与分析

根据国家标准，以徐矿集团旗山矿电网6 kV总进线谐波测量结果为原始数据进行分析，信号S1中7次、9次、11次谐波含量较高，并人为地在时域接近500处增加了一个奇异点，成为了一个非标准正弦信号的暂稳态信号波形，信号a3为信号S1经过db4小波变换后的第三层近似信号，可以看出采用小波变换已经将S1中的奇异信号分离，信号a5为信号S1经过db4小波变换五层分解后的近似信号，结果表明经过多层小波变换后的近似信号已经基本接近标准正弦信号，证明小波变换可以有效地去除高频信号奇异点，便于使用FFT分析谐波成分，如图8所示。

(a)S1

(b)a3

(c)a5

在经过小波变换后，将此信号进行FFT频谱分析，得出此信号谐波的含有率，在此只列出2～11次谐波分析结果。结果如表1所示。

表1 小波变换后FFT谐波数据分析表

谐波分析结果表明，小波变化与FFT相结合的方法可以提高谐波分析的精确度，且系统测量精度较高、分析结果准确，完全满足实用需求。

5 结束语

设计了一种基于ARM芯片的分布式煤矿电网谐波检测系统，对于硬件电路和软件系统进行了详细设计。系统具有操作方便、功耗低、处理速度快、测量精度高等特点。采用GPRS无线数据传输模块，可以实现谐波的远程测量，极大方便了电能质量的监测，减少了测量时间，提高测量的效率。操作系统使用μC/OS-Ⅱ系统，结合FFT和小波变换算法，在系统实时性和可靠性方便有了进一步的提高。可触控操作方便简化了测量人员的操作，提高了系统的可用性。测量分析结果表明整个系统功能强大，使用方便，有极大的应用前景。

参考文献：

[1]任子晖．煤矿电网谐波分析与治理．徐州：中国矿业大学出版社，2003．

[2]樊京，王金菊，张磊．基于MAX275的巴特沃兹滤波器设计．现代电子技术，2006，29(8)：13-14．

[3]宋柏，马善强．基于ARM的GPRS远程数据传输与接收模块的设计．工业仪表与自动化装置，2011(6)：76-77．

[4]张长志，赵飞，夏晶晶．基于虚拟IP的GPRS远程抄表系统的应用．通信技术，2011，44(12)：136-138．

[5]刘慧，刘国海，沈跃．基于快速提升小波变换的谐波实时检测新方法．江苏大学学报(自然科学版)，2009，30(3)：288-292．

[6]LABROSSE JJ．μC/OS-Ⅱ—源码公开的实时嵌入式操作系统．邵贝贝译．北京：中国电力出版社，2001：323．

作者简介：任子晖(1962-)，教授，博士研究生导师，主要从事电网谐波治理、通风机检测研究工作。E-mail：ren_zicumt@126．com

刘听政(1991-)，硕士研究生，现从事电网谐波治理、嵌入式系统研究工作。E-mail：ltzcumt@163．com