电能质量监测终端设计

汪长林

摘要：嵌入式多處理器架构，可监测电网电能质量，实时分析线路故障，并对故障点录波，存储故障波形数据，运作于二次线路中的智能终端。该装置包含显示屏，采用QT设计界面，支持参数配置，波形显示，历史数据/实时数据显示等等。内部数据通信主要由以太网、SPI、Local Bus组成，装置内置嵌入式Web服务器，可以把数据传输到PC端网页，显示出数据和波形，装置设计框架清晰明朗，各工作部件各司其职，有序衔接。

关键词：电能质量监测装置;设计方案;电力系统;故障录波

0 引言

电力能源是当今社会最不可或缺的清洁能源之一，由于近年来科学技术发展飞快，各种电力自动化设备、电子设备接入电网，对电能输出的平滑度造成了一定冲击，电能质量问题越来越受到社会各界的广泛关注，用户对于电能质量的要求越来越高，供电部门在整改电气环境、加强电力系统管理的同时，也需要一种高效的电能质量分析自动化装置。为此，电能质量监测终端应运而生，它可以帮助监测电网各项指标[1]，智能分析电力系统出现的故障。本文将对电能质量监测装置的功能和内部实现进行分析和介绍。

1 系统组成

1.1    硬件框架组成

该装置由多CPU组成，采集部分采用DSP处理器，通信和显示部分则由ARM处理器实现。框架结构如图1和图2所示。

1.2    软件框架组成

软件部分主要为DSP端运算程序和ARM端处理程序，前端采集由DSP来完成，采用BF609工业级芯片，主频1 GHz，双核，搭载独立16位AD芯片AD7607完成高精度采样。每周波采样512点，采样点采用FFT算法，计算出基波到0.5～50次的各次[间]谐波电压电流分量、总[间]谐波电压电流含量、各次[间]谐波畸变率、总电压电流[间]谐波畸变率、各次[间]谐波功率、[间]谐波相角等，以及三相不平衡、电压波动、瞬态事件等电力系统数据。

前端采样一直处于高效实时运作状态，数据通过高速SPI接口传输到ARM处理器，这里可以考虑扩展板卡，ARM板主要用于数据通信和存储等，让通信板和采样DSP板独立开，SPI接口即板间通信通道。ARM板处理器选用ARM9以上可运行Linux系统的皆可，本装置选型为TI的AM335，cortex-A8内核，800 MHz主频，外加512M DDR，移植了嵌入式Linux 3.2的内核，NAND FLASH 512M，由于存储数据量较大，还配备了16G的存储卡。

文献[2]中提到一种ARM9处理器的bootloader启动加载过程，A8也类似，CPU上电后，从nand flash启动，一级bootloader，二级bootloader（关看门狗，关中断，设置CPU时钟频率等），三级bootloader（uboot），启动内核，挂载文件系统。

通信板对外接口丰富，有2路RS485接口，2个USB接口，2个以太网接口;HMI部分由按键和液晶屏组成，4.3寸彩屏，6键导航按键，操作方便友好。软件框架如图3所示。

2 电力系统数据运算

在AD采样得到一系列波形数据后，可进行积分运算，电压和电流的有效值计算公式如下：

式中：u（x）为一个周期内各时间点的电压瞬时值;T为周期;U为电压有效值。

式中：i（x）为一个周期内各时间点的电流瞬时值;T为周期;I为电流有效值。

数据计算参照国标《电能质量 公用电网谐波》（GB/T 14549—1993）[3]。

谐波部分，第h次谐波电压含有率HRUh为：

式中：HRUh为第h次谐波电压含有率;Uh为第h次谐波电压（方均根值）;U1为基波电压（方均根值）。

谐波电压含量UH为：

文献[3-9]列出了部分常用电能质量数据计算标准，文献[10]讲述了Comtrade文件的格式标准。

3 数据处理和存储

采集板通过SPI接口进行板间通信，把数据传输到ARM板，每数百微秒发起一次数据通信，传输有效值、波形数据、谐波、电压波动等等，ARM板操作系统下运行多进程/线程处理程序，收到数据作相应处理、转发、显示。进程间使用共享内存进行通信，电力系统数据以3 s（可设置）为时间间隔存储到flash上，存储方式为sqlite数据库。SPI驱动数据触发部分程序：

void psq_handler（int signum）

{

static unsigned int cnt = 0;

ioctl（fd， IOREQ_READ_NOTIFY， &app）;

cnt = app.cnt;

memcpy（&DSPBuf[wpoint][0]，base+（cnt*SLOT_SIZE），app.byte_num[cnt]）;

nsize[wpoint]=app.byte_num[cnt];

wpoint++;

if（wpoint >=DSPBUFCOUNT）

wpoint =0;

if（！sigflag）

{

：：raise（SIGUSR1）;

}

}

……

signal（SIGIO， psq_handler）;

fcntl（fd， F_SETOWN， getpid（））;

oflags = fcntl（fd， F_GETFL）;

fcntl（fd， F_SETFL， FASYNC | oflags）;