電能質(zhì)量監(jiān)測終端設(shè)計

汪長林

摘要：嵌入式多處理器架構(gòu)，可監(jiān)測電網(wǎng)電能質(zhì)量，實時分析線路故障，并對故障點錄波，存儲故障波形數(shù)據(jù)，運作于二次線路中的智能終端。該裝置包含顯示屏，采用QT設(shè)計界面，支持參數(shù)配置，波形顯示，歷史數(shù)據(jù)/實時數(shù)據(jù)顯示等等。內(nèi)部數(shù)據(jù)通信主要由以太網(wǎng)、SPI、Local Bus組成，裝置內(nèi)置嵌入式Web服務(wù)器，可以把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C端網(wǎng)頁，顯示出數(shù)據(jù)和波形，裝置設(shè)計框架清晰明朗，各工作部件各司其職，有序銜接。

關(guān)鍵詞：電能質(zhì)量監(jiān)測裝置;設(shè)計方案;電力系統(tǒng);故障錄波

0 引言

電力能源是當(dāng)今社會最不可或缺的清潔能源之一，由于近年來科學(xué)技術(shù)發(fā)展飛快，各種電力自動化設(shè)備、電子設(shè)備接入電網(wǎng)，對電能輸出的平滑度造成了一定沖擊，電能質(zhì)量問題越來越受到社會各界的廣泛關(guān)注，用戶對于電能質(zhì)量的要求越來越高，供電部門在整改電氣環(huán)境、加強電力系統(tǒng)管理的同時，也需要一種高效的電能質(zhì)量分析自動化裝置。為此，電能質(zhì)量監(jiān)測終端應(yīng)運而生，它可以幫助監(jiān)測電網(wǎng)各項指標(biāo)[1]，智能分析電力系統(tǒng)出現(xiàn)的故障。本文將對電能質(zhì)量監(jiān)測裝置的功能和內(nèi)部實現(xiàn)進行分析和介紹。

1 系統(tǒng)組成

1.1 ? ?硬件框架組成

該裝置由多CPU組成，采集部分采用DSP處理器，通信和顯示部分則由ARM處理器實現(xiàn)?？蚣芙Y(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示。

1.2 ? ?軟件框架組成

軟件部分主要為DSP端運算程序和ARM端處理程序，前端采集由DSP來完成，采用BF609工業(yè)級芯片，主頻1 GHz，雙核，搭載獨立16位AD芯片AD7607完成高精度采樣。每周波采樣512點，采樣點采用FFT算法，計算出基波到0.5～50次的各次[間]諧波電壓電流分量、總[間]諧波電壓電流含量、各次[間]諧波畸變率、總電壓電流[間]諧波畸變率、各次[間]諧波功率、[間]諧波相角等，以及三相不平衡、電壓波動、瞬態(tài)事件等電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)。

前端采樣一直處于高效實時運作狀態(tài)，數(shù)據(jù)通過高速SPI接口傳輸?shù)紸RM處理器，這里可以考慮擴展板卡，ARM板主要用于數(shù)據(jù)通信和存儲等，讓通信板和采樣DSP板獨立開，SPI接口即板間通信通道。ARM板處理器選用ARM9以上可運行Linux系統(tǒng)的皆可，本裝置選型為TI的AM335，cortex-A8內(nèi)核，800 MHz主頻，外加512M DDR，移植了嵌入式Linux 3.2的內(nèi)核，NAND FLASH 512M，由于存儲數(shù)據(jù)量較大，還配備了16G的存儲卡。

文獻[2]中提到一種ARM9處理器的bootloader啟動加載過程，A8也類似，CPU上電后，從nand flash啟動，一級bootloader，二級bootloader（關(guān)看門狗，關(guān)中斷，設(shè)置CPU時鐘頻率等），三級bootloader（uboot），啟動內(nèi)核，掛載文件系統(tǒng)。

通信板對外接口豐富，有2路RS485接口，2個USB接口，2個以太網(wǎng)接口;HMI部分由按鍵和液晶屏組成，4.3寸彩屏，6鍵導(dǎo)航按鍵，操作方便友好。軟件框架如圖3所示。

2 電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)運算

在AD采樣得到一系列波形數(shù)據(jù)后，可進行積分運算，電壓和電流的有效值計算公式如下：

式中：u（x）為一個周期內(nèi)各時間點的電壓瞬時值;T為周期;U為電壓有效值。

式中：i（x）為一個周期內(nèi)各時間點的電流瞬時值;T為周期;I為電流有效值。

數(shù)據(jù)計算參照國標(biāo)《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》（GB/T 14549—1993）[3]。

諧波部分，第h次諧波電壓含有率HRUh為：

式中：HRUh為第h次諧波電壓含有率;Uh為第h次諧波電壓（方均根值）;U1為基波電壓（方均根值）。

諧波電壓含量UH為：

文獻[3-9]列出了部分常用電能質(zhì)量數(shù)據(jù)計算標(biāo)準(zhǔn)，文獻[10]講述了Comtrade文件的格式標(biāo)準(zhǔn)。

3 數(shù)據(jù)處理和存儲

采集板通過SPI接口進行板間通信，把數(shù)據(jù)傳輸?shù)紸RM板，每數(shù)百微秒發(fā)起一次數(shù)據(jù)通信，傳輸有效值、波形數(shù)據(jù)、諧波、電壓波動等等，ARM板操作系統(tǒng)下運行多進程/線程處理程序，收到數(shù)據(jù)作相應(yīng)處理、轉(zhuǎn)發(fā)、顯示。進程間使用共享內(nèi)存進行通信，電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)以3 s（可設(shè)置）為時間間隔存儲到flash上，存儲方式為sqlite數(shù)據(jù)庫。SPI驅(qū)動數(shù)據(jù)觸發(fā)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）;