多通道实时电能质量监测系统

万海龙，赵春宇

(上海交通大学仪器工程系，上海 200240)

0 引言

电能质量问题是指在供电过程中导致电器设备出现误动作或者故障损坏的任何异常现象(IEEE)。随着计算机、电力电子和信息技术等高新产业的发展和普及，电能质量问题逐渐被提升为一个愈来愈重要的议题。目前电能质量引发的纠纷和设备事故呈上升趋势，电能质量的监测管理和电力污染的治理工作变得越来越重要，相关应用的设备和技术研究已成为近年来电力系统研究领域中新的研究热点[1]。

电能质量监测是收集、分析电网节点原始测量数据，并将其测算成相应电能质量指标结果的过程。建立完善的电能质量监测系统，对整个电力系统的电能质量管理和改善都是十分重要的。文中根据IEC及国家关于电能监测的标准研制了以电压/电流测量模块为核心的多通道、实时电能监测系统。该监测系统用于基频为50 Hz的电力系统的监测，可对我国电网的主要性能指标进行实时分析和记录。

1 电能质量标准

电子工程师协会(IEEE)标准化协会委员为“电能质量”[2]这一概念做了明确定义：合格电能质量的概念是指提供给敏感设备的电力和接地适合于该设备运行。通俗来讲，电能质量一般是指电压或电流的幅值，频率，波形等参数与标准值的偏差。电能质量问题包括稳态电能质量和暂态电能质量两个方面。传统的电能质量问题都是基于系统稳态而言的，如三相不平衡、高次谐波等，经过研究与努力，稳态电能质量有了相当的提高。随着工业自动化和电力系统的深入发展，一方面。配电网中非线性负荷对电网的电能质量构成了严重的威胁；另一方面，配电网中如计算机等用电设备对系统干扰更加敏感．它们对电能质量提出了高可靠性和高可控性的要求，因此，暂态电能质量问题成为当前研究的热点之一。

结合IEEE-1159、GB/T19862—2005等国际国内标准，对电能质量的稳态参数和暂态事件有着明确的定义，提供了相应的测算标准、数学模型或波形记录规范。电能质量监测设备需要按照标准进行指标性能测量，并记录暂态电能质量事故波形。系统支持测量的电网性能指标如表1所示，除了囊括了主要的电能质量标准，还根据电网的应用特性，增加了对电流和功率的测量。

表1 本系统支持测量的电网性能指标

2 测量模块的硬件设计

电网运营商对电能质量监测设备的应用场景通常是这样的：对某一位置的多个节点的电压、电流进行监测，并且一般会有多个节点的供电电压一致但流经电流不同。

根据这一场景，该电能质量监测系统采用模块化的设计思想，电压和电流的测量模块被设计成板卡单元。多个电压和电流测量单元插在一块底板上以协同工作。另外，底板上还插有一块运行ARM处理器的控制模块，以实现配置系统信息、控制监测状态、收集监测数据、提供人机交互等功能。在一个监测系统中，底板上最多可扩展8块电压或电流测量单元。用户可根据监测点的实际需求，选择相应的电压和电流测量板卡的数目；通过控制板卡配置好板卡连接关系、电网三相拓扑结构、电能质量基准值或限值等信息(统称为“用户信息”)，即可进行适配性地监测工作。文中将侧重介绍电压/电流质测量模块的设计。

由传感信号调理电路、A/D采样电路和DSP组成的测量模块其系统框图如图1所示。取决于该模块用于采样电压还是采样电流，图中的信号调理电路和辅助电路会有细微差别。

图1 测量模块的系统框图

2．1信号调理电路

需检测的信号为高电压(380 V，额定值)和大电流信号(5 A，额定值)，因此需采用信号变换单元将被测电气信号按一定关系转换到A/D允许的输入范围内(0～5 V)。对于被测电压信号，采用电阻分压的方法进行信号变换；对于电流信号的变换则采用电流互感器。使用运算放大电路将信号幅值调理到适合A/D采样的范围。

由于是三相交变电压、电流信号，信号调理电路实际上包含4路完全相同的(电压或电流)信号变送单元。因为电压模块还需测量中线电压；电流模块还需测量零线电流。

2．2A/D采样电路

A/D采样电路使用一片AD7655，它是4通道16位精度的ADC，具有两个低噪音宽带宽的跟踪/保持放大器。通道采样频率可达1 MSPS，完全可以满足采样频率的要求。同时，它能够4路同时采样，16位并行输出，这既能满足4路同时采样的需要，又便于和缓冲存储器连接。

电能质量监测系统必须在电网参数受到扰动、发生畸变的情况下测量故障事件下的电能质量参数并记录波形，在此情况下同步采样的设计极易发生“失锁”现象而导致系统不能正常工作[4]。因此系统采用异步采样的设计。按照IEC标准规定，电能质量监测应以每10个电网周波为一个测算周期，采样2 048个点。以我国交变电基准频率50 Hz为参考，采样频率设为10 240 Hz．

A/D采样电路的原理图如图2所示。通过一片CPLD芯片EPM240T100C5N实现，该芯片控制AD7655对4路信号逐次采样、读取采样结果、并以ping-pang缓存的方式存储在一片SRAM芯片中。SRAM的型号为IS61LV6416，具有16 bit数据宽度，64 K容量大小，足够满足存储需求。在每个采用周期完成后，即采集了4路信号各2 048个点后，CPLD会通过SPI接口将采样数据发送至DSP芯片进行处理；由于采用ping-pang缓存的方式，A/D采样和数据传输可以同时进行而不相互冲突，保证了监测系统的实时性。

图2 A/D采样电路

2．3DSP处理模块

文采用定点/浮点DSP芯片TMS320C6747。由于电能质量参数的运算以FFT算法为基础，另外闪变计算要用到滤波器计算[5]，因此使用支持浮点的DSP能够最大程度发挥其速度和精度的优势。TMS320C674x型DSP核同时兼具了浮点核TMS320C67x+和定点核TMS320C64x+的性能，因此兼容上述两种浮点和定点的指令集。其中含有6个ALU单元，2个MFU单元，支持32位整型和混合精度浮点型(32位单精度和64位双精度)的加法、乘法、倒数和开方运算。

该芯片内置128 KB容量RAM，支持扩展NOR、NAND、SDRAM等外部存储设备。由于芯片提供强大的DMA功能，使得数据传输速度得以最大化。这一点对于文中的实时传输和处理设计起到了至关重要的作用。

DSP处理模块与系统其它部分间的通信方式如下：

(1)I2C总线，控制模块作为主设备向DSP处理模块传送指令和配置信息；

(2)SPI总线，DSP模块间、DSP模块和控制模块间的数据传输，总线的仲裁由控制模块控制底板上的门控电路实现。

3 测量模块的软件设计

多通道电能质量监测的关键在于相关联的电压测量模块和电流测量模块之间的协同处理，这要求每个模块相互并行地快速运算并及时地收发数据。

因此，DSP处理模块的工作原理这样的，在每个运算周期：首先通过SPI+DMA方式获得电压或电流的采样数据，运算获得有效值、谐波等数据，其中电压测量模块还会计算三相不平衡度、捕获暂态事件；电压测试模块在运算完成后，将原始采样数据和处理结果发送至电流测量模块；电流测量模块计算功率，并记录各种暂态事件的波形；最后，电流处理模块通过I2C接口，将电能质量指标(包含事件波形)发送给控制板卡。另外，控制板卡控制整个测量工作的开启和结束，对系统总线进行仲裁，并可以在任何时刻对电能质量计算的用户参数进行配置。

软件的设计基于Code Composer Studio开发环境，系统的调试借助仿真器，调试完成后配置DSP通过NAND Flash自举并编写了bootloader[6]。

以电压测量模块为例，其软件流程图如图3所示。DSP上电后，首先进行初始化配置，包括时钟、存储器接口、DMA通道、SPI和I2C通信端口、中断源以及用于计算电能质量的用户参数信息。初始化结束后，DSP等待来自控制模块的启动信号，接着为CPLD提供一个脉冲信号，启动A/D采样电路开始工作。在每个采样周期里，DSP对电能质量进行初步计算，并在申请到SPI使用权限后，将原始采样数据和计算结果发送至与之相关的电流测量模块上。DSP还会在每个采样周期里检查控制模块是否有更新用户信息。

4 结束语

文中设计了多通道实时电能质量监测系统，以模块化的方式实现了其核心部分，即电压/电流测量单元。系统充分发挥了TMS320C6747型DSP芯片外设资源丰富和高速浮点运算的特点，并精密设计了模块单元间协同通讯和处理的程序，较好地克服了电能质量监测过程中的大量数据采集和处理的速度瓶颈。该系统能够满足当前电网电能质量监测的基本需求，并且可以根据电网的监测场合进行灵活地选择测量节点数目和配置用户信息，因此具有良好的应用前景。

图3 电压测量模块软件流程图

参考文献：

[1]朱永强，尹忠东，肖湘宁，等．电能质量监测技术综述．电气时代，2007，25(3)：66-69．

[2]RABINOWITZ M．Power Systems of the Future．IEEE Power Engineering Review，2000，21(3)：15-22．

[3]刘亚洲，李威，纪延超，等．IEC闪变检测方法的数字化实现．继电器，2000，28(3)：18-21．

[4]韦向敏，赵春宇．基于异步采样的在线电能质量监测仪．电力系统及自动化，2011，3(3)：23-25．

[5]孙树勤．电压波动与闪变．北京：中国电力出版社，1998，13-18．

[6]Texas Instrument，TMS320VC6000 DSP External Memory Interface(EMIF)Reference Guide(SPRU670a)，2004(6)，43-66．

作者简介：万海龙(1988-)，硕士研究生，研究方向为测试测量技术。E-mail：wanhailing07@163.com