基于分布式电网电能质量监测装置的研制

江友华, 常 建, 田书锦

(上海电力学院 电子与信息工程学院, 上海 200090)

根据十三五规划纲要,国家要大力发展分布式电源并网,由于分布式电源需通过电力电子器件接入电网,因而大功率电力电子变流装置在电力系统负载中所占比例将会越来越大.这将给分布式电网带来前所未有的冲击与污染,造成电网谐波、三相不平衡、电压波动、高压尖峰干扰等问题,严重影响了安全稳定生产[1].因此,实时有效监测电网的电能质量非常必要.目前,市场上众多的电能质量装置的监测谐波次数不高(通常63次以下)且监测点较少(一般只有3个网点),不能客观地反映电能质量存在的问题.

电能质量监测系统设计方案有许多种,常规方案都是以一个CPU辅助其他外围电路来达到设计的目的.但其缺点是在系统中需要进行繁琐的译码、逻辑变换,使得硬件电路很复杂,调试也比较困难.本文设计了一种以DSP+ARM为核心的双CPU电能质量监测系统,利用DSP强大的数字运算能力,对采样电路送来的数字信号进行处理,完成各种算法,实现对频率、功率、谐波、电压有效值等电参量的计算与分析.利用ARM7系列微处理器功耗低、速度快、性能好、外围接口丰富以及方便移植Linux操作系统等优势,实现系统的显示、通讯、存储等功能.本系统能实时精准测量多个电能质量数据,采用C语言和汇编语言编程,程序界面友好;电能质量数据存储时间长达一年;具有抗干扰能力强、实时性好、体积小、成本低等特点.

1 硬件系统设计

本系统采用DSP+ARM+CPLD为核心,以运行嵌入式Linux操作系统的ARM为主控制模块,DSP为数据运算处理模块,充分运用了DSP自身快速处理数据的能力以及与ARM协调管理及控制的能力.本系统实时性好,人机界面友好,功能强大,具有智能化、数字化、网络化的特点.

图1为电能质量监测装置的功能框图.该电能质量监测装置分为数据采集处理模块和人机交互管理模块两部分.由图1可知,前端数据采集处理模块是由参数釆集模块(采集卡)、CPLD模块以及DSP数据处理模块组成.首先通过参数釆集模块对来自互感器二次侧的三相电压电流进行采集,然后通过采集卡上的A/D芯片对参数采集模块输出的6路信号进行采样,并釆用并口方式通过数据总线将釆样后数据传送到DSP进行相应的数据处理.DSP模块的主要任务是控制A/D转换并将转换后的电能质量数据进行存储计算,然后再通过双口RAM将处理后的数据传送给数据管理模块,即ARM模块进行存储、通信以及显示.

图1 电能质量监测装置功能示意

1.1 数据采集模块

数据采集模块是电能质量监测系统的重要组成部分,其采集的精确度对整个电能质量装置的性能至关重要.其数据采集任务由Data Acquisition(DAQ)模块完成,即数据采集卡[2].DQA卡的选择主要考虑采样率、采集范围、数据分辨率、输入模式、输入范围、增益、隔离性能等相关指标.

本系统采用8个数据采集卡,可以测量8路三相电压信号和8路三相电流信号.数据采集卡是一款由ADLINK公司推出的DAQ-2000系统中的DAQ2205,开发了直接内存访问(Direct Memory Access,DMA)通道,通过该通道,DQA设备采集到的数据可以直接到达计算机,不需要通过处理器.DMA通道可将采集来的数据直接存储到内存中,并不占用处理器.本采集卡的采样速度块,能够同时对多通道进行参数采集,且跟随驱动软件,操作者可以对其进行编程.

1.2 调理电路的设计

调理电路[3]的主要作用是对原始信号进行放大、滤波等处理.根据ADS7656对采样信号的要求,采样信号采用差分输入时,加在芯片采样引脚的电压应在0～5 V,而且从互感器出来的信号是一个电流信号,调理电路的一个作用就是将电流信号转换为电压信号并满足ADS7656对输入信号的要求.由于本系统要求分析2～100次电网谐波,因此滤波截止频率为2×100×50=10 kHz,ADS采样频率被确定为10 000×2=20 kHz,进一步可以算出ADS7656采样时钟频率为20×103×20=400 kHz.调理电路原理图如图2所示.

图2 信号调理电路示意

1.3 锁相环同步脉冲电路

在对交流电路进行采样时,由于电路中电信号的频率并不是固定值,故采用锁相环同步技术[4]实现快速的周期跟踪.由于是对信号进行同步采样,锁相环同步技术能够有效地配合FFT算法,从而实现高精度的信号分析.

本系统将CMOS集成锁相环芯片CD4046和计数器CD4040相结合,实现精准的锁相倍频.CD4046的动态功耗低、输入阻抗高.通过过零电压比较电路,基波信号转换为方波信号,输出给后端的锁相环及分频电路,进行基于电网频率的同步倍频,得到的倍频信号作为A/D采样的周期控制信号.CD4046锁相环电路保证了采样频率fs对工频频率f的在线跟踪,即满足fs=Nf.也就是说,A/D在一个工频周期里采集256个点(N=256)供FFT分析计算.

图3为锁相环同步脉冲电路.

图3 锁相环同步脉冲电路

1.4 数据处理模块

DSP数据处理模块的任务是对经过采集卡后的6路电压电流数据进行实时计算处理,并将运算结果通过双口RAM的通道传送至ARM中,完成数据的管理、显示及通信.因此,数据处理模块芯片的选择至关重要.DSP芯片选择了TI公司生产的C6000系列中的TMS320C6747,它是一款32位高性能、低功耗浮点运算CPU,可进行浮点型运算.此芯片特别适合处理大量复杂的数据和算法.

1.5 人机交互模块

ARM采用嵌入式操作系统平台[5],负责系统各任务的调度,实现人机交互、参数设置保存、USB接口、RS232/485接口、SD卡接口等功能.该底板具有丰富的外设接口,依据本装置的功能要求,其硬件功能框图设计如图4所示.

图4 ARM模块功能示意

由图4可知,ARM外围接口包括以下8个模块:

(1) 双口RAM接口模块 主要负责DSP与ARM之间进行通信;

(2) 显示模块 显示屏选择全彩显示屏,触摸板接口采用线电阻式设计方式,实现了人机交互界面的显示功能,而且还可以通过触摸功能进行系统的各项参数设置;

(3) USB通信接口模块 通过USB接口移植Linux系统进行工作,实现与外设的通信;

(4) SD卡接口模块 外接SD卡,可以存储大量电能质量数据供工作人员进行数据分析;

(5) RS232串口模块 实现了开发板与PC机短程之间的通讯;

(6) RS485接口模块 实现了ARM与PC机之间的远程通信,操作人员远程就可以了解电能质量各项指标;

(7) WiFi模块 便于将相关的电能质量数据传送到移动设备上;

(8) JTAG接口模块 主要用于硬件功能的调试.

2 软件系统设计

2.1 DSP的软件设计

DSP软件部分包括DAP和AD的初始化、控制AD芯片进行信号采样、对采集的信号进行处理,以及将运算后的结果传输给ARM进行显示、通讯等.

DSP要实现的算法包括以下两个监测指标.

(1) 基本监测指标 三相电压有效值、三相电流有效值、功率、相位、功率因数等;电压偏差;频率偏差;三相不平衡度、负序电压与电流;电压总谐波畸变率、电流总谐波畸变率、各次谐波含有率;各次谐波的有功和无功功率等.

(2) 高级监测指标 间谐波;电压波动、闪变,其监测的谐波次数可以达到100次,可对多个网点同时进行监测.

DSP系统的主要任务是处理和计算来自每片采集卡的6路三相电压电流数据,并控制AD转换芯片进行AD转换;DSP 将锁相环同步脉冲电路发出的信号作为外部中断,用来启动AD转换.为了保证在AD转换完成之前读取寄存器数据,通常需要在AD转换启动1 h后再去接收转换寄存器中的数据.

因为是6路电压电流信号同步进行AD转换,所以要循环接收6次,当接收完成后,DSP 进入数据处理单元对接收到的数据按要求进行相应的处理,获得要监测的各种电能质量数据,最后根据系统要求进行上传或者存储.其主程序流程如图5所示.

2.2 ARM的软件设计

ARM的功能主要是显示,通讯,存储.ARM的软件设计主要体现在ARM中嵌入Linux操作系统作为开发平台,采用C和C++语言对Web服务器和QT等应用程序完成开发.

2.2.1 Web服务器

Web服务器的作用是监听用户的服务请求,并根据用户的请求给出相应的服务.Linux支持boa,httpd,thttpd 等几种Web服务器,其中boa是一款单任务的Web服务器软件,源代码开发,速度快,性能优越,支持能够实现动态Web技术的CGI[6]技术,特别适合应用在嵌入式系统中.CGI提供了一个Web服务器的外部程序通道,运行在服务器上,并规定了Web服务器调用其他可执行程序(CGI程序)的接口协议标准.Web服务器通过CGI程序实现与浏览器的交互,将响应结果再回送给Web服务器和浏览器.CGI程序可以通过C语言编写.

图5 DSP主程序流程示意

2.2.2 QT设计

QT是专门为嵌入式系统设计的图形用户界面的工具包,通过QT API与Linux I/O设备直接交互,是面向对象编程的理想环境.面向对象的体系结构使代码结构化、可重用且运行快速.与其他GUI相比,QT GUI非常快,没有分层.QT/Embedded 类库完全采用C++封装,丰富的空间资源和较好的可移植性是QT/Embedded最突出的优点.

2.2.3 ARM模块软件设计

在本系统中,ARM芯片主要负责通信,人机交互管理,接收键盘的中断,根据键盘的要求进行相应的显示和储存;同时ARM芯片还能接收上位机的中断,依据上位机的要求进行相应的参数显示、通信和存储.此外,ARM芯片还可以接收信号处理单元的中断,按照DSP的中断请求进行数据的接收和存储.其主程序流程如图6所示.

图6 ARM的主程序流程

3 实体装置界面显示

3.1 主界面

装置完成初始化后,进入正常界面,如图7所示.

图7 主界面的显示效果

图7中,最上面显示装置时间,中间左侧为监测点显示区,以图标方式显示装置的各个监测点,通过键盘操作可以选定每一个监测点,并在右侧界面浏览监测数据,如三相电压、电流有效值.最下面为状态显示区,其中第1个图标为实时数据通讯状态,第2个图标为统计数据通讯状态,中间图标表示电能质量事件发生信息,如果有新事件发生,图标将会闪烁并提示事件条数;右侧图标则记录装置内置存储器状态,写入数据时,存储图标将会闪烁.状态条图标显示存储器空间使用情况,正常使用时,状态条以蓝色表示存储器使用部分,若数据存满,状态条将会全部变为橙色.

3.2 按 键

装置按键界面显示效果如图8所示.面板配有多个显示灯,具体含义如表1所示.

图8 按键显示效果

名称颜色指示灯含义运行绿装置上电启动过程中闪烁,正常运行时亮谐波红谐波电压、电流超过设定限值时亮闪变红电压闪变超过设定限值时亮电压红电压偏差超过设定限值时亮频率红频率偏差超过设定限值时亮不平衡红三相电压、电流不平衡度超过设定限值时亮备用红备用,可灵活定义告警红装置本身运行异常时亮

按键的具体功能如下:

C ——取消,用于放弃当前操作,或退出正在显示的内容;

R ——信号复归键,用于信号复归.

4 结 语

本系统采用DSP+ARM+CPLD 为内核设计了电能质量监测系统,最多可测量8路三相电压信号和8路三相电流信号,并提供多路报警;可以实时显示电能质量参数及电压电流谐波分析图形、表格等;采用高精度采集卡进行同步采样,采样速率为12.8 kHz,完全达到国家标准A级仪器要求;支持Modem,TCP/IP,RS232,485,GPRS无线传输(选配),WiFi等多种通讯方式;可以实现数据上传功能.单台或多台GKDN808装置可以组屏,屏体上可配置工控机、LED显示器和后台分析软件组成现场工作站,也可以将所有数据远传至监控中心.

与其他测量装置相比,本装置具有更高的测量精度,人机界面友好,实时性更好,可以在线测量并具有远程通信的优点;有助于实时掌握分布式电网中电力负荷的运行情况,及时发现并处理电力事故隐患,有效提高电网监管的时效性.

[1] 金相华.现代电能质量的基本问题[J].黑龙江科技信息,2014,4(6):56-59.

[2] 孙攀,张广明.基于DSP的电能质量监测系统设计[J].自动化仪表,2012,12(3):254-255.

[3] 赵不贿,李霖,徐雷均.基于DSP的电能质量监测系统的设计[J].仪表技术与传感器,2009,33(6):45-50.

[4] 朱琳.基于ARM的电能质量监测装置人机交互系统设计与研究[D].大连:大连海事大学,2014.

[5] 陈树.基于ARM和DSP技术的电能质量监测系统的研究与设计[D].南京:南京理工大学,2009.

[6] CRISTALDI Loredana,FERRERO Alessandro,SALICONE Simona.A distributed system for electric power quality measurement[J].IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement,2010,45(4):425-428.