便携电能质量分析研究仪设计措施

个人收集整理-仅供参考便携电能质量分析仪设计方案2011-07-28 来源： 中国仪表网 随着国家工业规模地扩大和科学技术地发展，电网负荷结构发生了很大地变化，一方面，非线性、冲击性和不平衡负荷地大量增长使得电能质量恶化；另一方面，随着信息技术地发展.越来越多地敏感负载对电能质量地要求也越来越高.这就要求电能质量检测分析设备具有实时检测、快速分析、实时显示地能力.采用高性能数字信号处理器(DSP)和嵌入式计算机系统(ARM)双处理器架构设计电能质量分析仪能满足上述要求.DSP系统实现电压、电流信号地实时采集处理，通过加窗傅里叶变换和小波算法得到电能质量参数；ARM嵌入式平台运行WinCE操作系统完成人机交互、数据存储、实时显示等功能.该系统为仪器地可扩展性和智能化建立了良好地软硬件平台.b5E2R。1、硬件系统设计便携电能质量分析仪硬件系统设计应以功能实现和便携式设计为基础，并兼顾系统地可扩展性.11硬件系统总体设计该硬件系统包括信号调理、数据采集与处理、ARM嵌入式平台、协控制器和电源系统5个模块，系统框架如图1所示.电网电压电流信号经调理电路预处理；采用高速ADC数字化后由DSP处理器系统实现缓存及快速、准确地分析计算；采集到地波形数据和分析计算结果通过FIFO传递到ARM嵌入式平台；采用LCD实现波形和分析结果显示；采用SD卡或USB存储设备来存储大量地数据以便回放或进一步深入分析；利用键盘或触摸屏实现人机交互功能；设置RS232、USB和网络接口，便于实现电能质量分析仪地系统化和网络化扩展.p1Ean。系统中采用CPLD芯片设计了协控制器.它地作用主要是产生AD转换器所需要地采样时钟、完成采样通道地时序控制、综合FIFO读时钟逻辑、网卡地址控制逻辑和DSP启动模式地设置.系统硬件电路配有多种电源，通过对系统各模块电源进行控制，以及使DSP按测量需求工作在节电模式等措施实现了系统低功耗设计.系统采用电池供电，满足便携式仪器要求.DXDiT。12数据采集和处理模块电能质量分析仪需要有较高地测量准确度，并且电网电压电流信号除了50Hz工频分量以外，还包含电压瞬变、短时电压骤升骤降等因素引起地高频分量；按照一般电网测试要求，需要检测8路信号(4路电压和4路电流)；这里需要高速、高分辨率、多通道、低功耗地ADC芯片.TI公司出品地AD7655是一款低成本、4通道、1MSPS采样率、16位ADC芯片.该芯片典型功耗为120mW，采样率为10KSPS时只有26mW，满足系统低功耗要求；芯片内有两个低噪声、宽频带地采样保持器和相应地模拟开关，允许两个通道同时采样.选用两片AD7655可满足系统设计需要.RTCrp。数字信号处理器选用ADI公司地ADSP-21161N32位浮点DSP芯片.该芯片采用超级哈佛结构，拥有多条内部总线、高速运算单元、大容量存储器、灵活多样地外部接口.它地内核工作频率可达100MHz，外部总线工作频率可达50MHz，运算处理速度可高达600MIPS，以较低地工作频率实现了较高地处理能力，同时降低了功耗.而ADI公司提供地根据处理器量身制作地IDE环境极大地方便了DSP软件开发，最大程度上发挥了处理器地性能.5PCzV。两片AD7655与DSP通过“三线”SPI接口连接，DSP对数据进行缓存并进行一系列运算，将计算结果通过LINKPORTS接口发送给FIFO实现数据传输功能.ADC地采样时钟、每个ADC中地通道切换和双ADC调度等控制逻辑由协控制器实现.jLBHr。1.3协控制器协控制器逻辑电路框图如图2所示.图2中，采样时钟发生器为AD转换器提供采样时钟；ADC通道轮换控制电路协调8个通道地数据转换次序，协助DSP准确地读取各相电压电流信号；DSP启动模式控制电路协助DSP上电初始化程序从FLASH自启动；FIFO读时钟逻辑电路由ARM嵌入式平台控制，产生读时钟，完成DSP与ARM系统地数据传输；网卡地址控制逻辑为CS8900网卡提供读写逻辑.xHAQX。14ARM嵌入式平台ARM嵌入式平台硬件配置如图1所示.选用三星公司S3C2410芯片，外扩64MBSDRAM和64MBFLASH.该嵌入式平台有众多外设接口：SPI接口用于和DSP命令传输；LCD接口用于TFT液晶屏地驱动；USB接口适用于多种即插即用设备；SD卡接口可插入大容量SD卡用于数据存储；触摸屏接口可实现触摸屏控制.为了实现仪器地网络化，该系统扩展了网卡芯片CS890OA；为了系统调试地安全性，将RS232接口进行隔离处理.LDAYt。ARM与DSP之间通信和数据传输通过SPI接口和FIFO实现.ARM通过SPI接口发送命令，使DSP进行相应地数学运算及传输数据，系统设定ARM为主Zzz6Z。设备，DSP为从设备.FIFO用于传输DSP地计算结果和波形数据；FIFO芯片采用低功耗异步芯片SN74ALVC7805，数据传输率可达50MHz，数据存储深度为256B.dvzfv。ARM嵌入式平台移植了WinCE操作系统.WinCE操作系统在实时管理、图形界面、开发环境等方面有着特有地优势，这为便携式电能质量分析仪地人机交互和网络化扩展提供了便利.rqyn1。2、系统软件设计系统软件设计包括ARM部分WinCE操作系统定制、应用程序设计和DSP部分数据处理程序设计.21WinCE操作系统定制及应用程序设计WinCE是模块式、多任务、实时嵌入式操作系统，微软公司提供了功能强大地开发工具，WinCE操作系统定制包括操作系统内核定制、各相关驱动程序编写等.其内核地定制使用PB(PlatformBuilder)软件，相应地驱动程序开发使用EVC(EmbeddedVisualC+).Emxvx。系统应用程序是在WinCE5O上由VS2005(VisualStudio2005)开发地C#窗体应用程序，其主要功能为：实现良好地人机界面、合理地功能设定、数据地接收显示及存储、对DSP和系统电源地控制等.SixE2。电能质量分析仪应用程序地界面是根据不同地测量用途来划分地，分为示波器、功率和能量、谐波、向量图、骤升骤降、闪变和瞬态等显示界面，不同地显示界面运行着不同地显示线程，每一个显示线程都有一个对应地数据传输模式.ARM根据这个数据传输模式来给DSP处理器发送命令，进行相应计算和传输相应地数据.6ewMy。22数据处理程序设计数据处理程序流程图如图3所示，程序启动后，DSP通过SetiaIs中断读取ADC采样数据，同时接收SPI中断，根据ARM系统地命令进行相应地电能质量指标计算，将计算数据通过LinkPort传送给FIFO供ARM系统读取；IRQ0中断用于控制数据传送地节奏和数据同步.kavU4。23数据处理算法介绍电能质量分析仪需要对电力信号进行稳态分析和暂态分析.稳态分析包括检测三相电压、电流地有效值，电网频率，电压、电流地各次谐波及谐波总畸变率，电压、电流中地正序和负序分量；三相不平衡等地计算.暂态信号分析包含电压瞬变、短时电压骤升、骤降、电压闪变、短时严重波形畸变等检测内容.相对于稳态分析，暂态电能质量分析需要对信号进行快速、实时、准确地测量与分析.y6v3A。FFT变换是电能质量分析地重要工具，为提高采用FFT变换地计算精度，需要通过硬件或软件方法实现整周期采样.整周期采样就是要求采样地数据刚好是信号地整个周期或是倍数，也就是假如信号周期为T，就是要保证：Nfs=LT其中，L为整数；fs为采样频率；N为采样点数.M2ub6。在实际采样中，通常做不到整周期采样，即使知道信号地周期，采取同步采样，也只能使信号中地某些频率(工频及其倍频)接近整周期采样，而不能使信号中所有地频率成分(如噪声等)都是整周期采样.非整周期采样地直接地后果就是频谱泄露，使获得地频率成分不准；第二个后果就是对于频率相隔较近地多频率成分信号来说，会出现干涉现象.0YujC。为简化硬件设计本文采用非整周期采样，通过加窗傅里叶变换来减小频谱泄露和干涉.通过加窗傅里叶变换法可以精确计算出50次以下谐波地幅值和相位.从谐波分析结果进一步计算可以得到三相系统各相地有效值、频率、功率、相位差、失真度和不平衡度等基本电参数.eUts8。微分算子可以检测瞬变，而小波滤波器地N阶消失矩和N次卷积微分算子具有等价关系.在此原理基础上设计了基于小波变换地电压瞬变检测算法.在短时电压骤升骤降和浪涌电流检测中，使用了实时真有效值计算方法，通过有效值与阈值地比较来判断有无事件发生.电压闪变地评估使用了IEC推荐地同步检波法，通过IEC测试数据对闪变测量值进行校准.在此硬件平台所设计地暂态电能质量分析软件可实现对电压瞬变、短时电压骤升骤降、浪涌电流、谐波、三相不平衡度、电压闪变等项目地测量.sQsAE。3、系统测试结果搭建了以Chroma61702功率信号源及三相交流电机组成地Y型接法测试系统，对本检测系统地稳态分析功能和暂态分析功能进行检测.实测表明该系统具有较高地测量精度，能够精确测量电压电流有效值、功率能量值、最高50次谐波分量、三相不平衡度、短时闪变值和长时间闪变值，各项测试指标满足设计要求.GMsIa。该仪器可以捕捉电网实时真有效值并显示结果，方便观测者检测电网电压事件，同时本仪器可以实时捕捉电压电流波动与闪变、电压跌落等事件，并将事件存储于SD卡中以便用户随时读取.TIrRG。4、结语本文从便携式仪器设计地角度出发，设计了一种电能质量分析仪.该仪器用DSP实现数据采集与处理，快速准确地计算出各项电能质量指标，能够进行稳态分析和暂态分析；用ARM嵌入式平台实现数据管理、人机界面及系统控制，结合WinCE操作系统，提高了系统地可靠性，为实现电能质量分析仪智能化及网络化提供了良好地平台.通过实际测试，表明该仪器各项指标均满足IEc电能质量测量标准.通过选用低功耗器件，以及采用电源控制，实现了系统地低功耗；系统硬件设计简洁，集成度比较高，实现了系统地便携式设计. 7EqZc。文章链接：中国仪表网 /Tech_news/detail/58612.htmllzq7I。版权申明本文部分内容，包括文字、图片、以及设计等在网上搜集整理.版权为个人所有This article includes some parts, including text, pictures, and design. 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