新型嵌入式电能质量监测装置的设计

1、新型嵌入式电能质量监测装置的设计高佳,王爱民,于海(东南大学仪器科学与工程系江苏南京210096摘要:电能质量监测技术是当前电力系统领域的研究热点。根据电能质量监测对于系统支持复杂算法和实时性的特殊要求,并在综合分析了目前电能质量监测现状的基础上,提出了一种基于D SP +M PU 构架的嵌入式电能质量监测装置的解决方案,将嵌入式技术和双CPU 技术有机地融合在一起。分别讨论了设备的硬件系统和基于双CPU 系统的软件设计思想。这种新型设计符合电能质量监测的最新发展要求,相对以往的设计,具有实时性好、性能高、体积小、成本低等优点,更适合于大量安装在现场。关键词:电能质量;监测技术;A RM ;L

2、 inux ;Socket中图分类号:T P 303文献标识码:B 文章编号:1004373X (20051602603D esign of a New Type of Em bedded Power Qua l ity M on itor D ev iceGAO J ia ,WAN G A i m in ,YU H ai(Schoo l of Instrum ent Science and Engineering ,Southeast U niversity ,N anjing ,210096,Ch ina Abs tra c t :T he pow er quality monito ri

3、ng techno logy is a research focus of the p resent electric pow er system field 1A cco rding to thespecial dem and of the pow er quality monito ring that the system should suppo rt characteristics of comp licated algo rithm and real ti m e 1O n the basis of analyzing synthetically the p resent situa

4、ti on of pow er quality monito ring ,a new so luti on is p ropo sed of em bedded pow er quality monito ring device based on D SP +M PU fram ew o rk ,integrating the em bedding techno logy and double CPU techno logy o rganically 1T he hardw are system and softw are based on double CPU system are disc

5、ussed respectively 1Comparing w ith existing designs ,the p ropo sed design can acco rd w ith the dem ands of the upto date requirem ent in pow er quality monito ring and it hasadvantages in perfo r m ance ,computati on vo lum e and co st 1So th is design is suitable to be installed on site in large

6、 quantity 1Ke yw o rds :pow er quality ;monito r techno logy ;A RM ;L inux ;Socket收稿日期:20050428随着电力电子技术的蓬勃发展和广泛应用,电力系统自动化有了众多技术创新和生产应用,与此同时,电力电子技术也给电力系统带来了许多不稳定因素,如电网谐波污染等,造成了电网的电能质量低劣。电能质量差一方面不利于电力系统安全运行,使电气设备寿命缩短、电网损耗增大、继电保护和自动装置误动;另一方面,随着电力系统改革,厂网分开,电能质量的好坏将直接影响到电力公司的市场占有率。电能质量的在线监测正是在这样的基础之上发展起来

7、的。本文所介绍的电能质量监测装置具有以下的主要功能:连续监测公共供电点的电压偏差、三相电压不平衡度、电压谐波、频率偏差及用户注入电网的谐波电流和负序电流;电能质量指标超限报警及数据录波;完善的网络通信功能,实现对供、用电方的双向监督和电能质量故障分析与预报。1电能质量监测装置的系统设计系统要处理的任务种类繁多,既有周期性任务(数据采样、各种计算等,又有突发性任务(通信、人机交互等,同时还要保证系统的实时性,这种情况下不仅要求处理设备本身具有很高的速度和处理能力,而且还要具有实时任务调度能力,最后还要考虑到成本。在原有的D SP 和PC 机的双处理器结构中,D SP 处理实时任务,PC 机用于和

8、用户交互,一定程度上解决了电能质量监测的实时性问题,但没有达到智能化和网络化的程度,而且采用PC 机加大了设备的成本,不适于作为永久性在线监测设备大量安装于现场。目前流行的设计模式是采用D SP +M CU 双处理器,通过双口RAM 实现数据交换和协同工作。这样,在满足处理大运算量实时任务要求的同时,极大地降低了系统的设计成本。单片机用来分担部分实时性要求不高的系统任务,如系统配置管理、人机交互、通信等。但是,为了实现实时任务的调度,软件上必须结合嵌入式实时多任务操作系统,才能设计成真正意义上的嵌入式实时系统。比较上述2种设计模式的优缺点之后,选择以D SP +M PU 为双处理器,开发出本文

9、所要介绍的新型实时嵌入式电能质量网络监测装置。嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高等优点,同时,在该领域技术成熟、产品类型多、选择空间大,满足各种性能需求的处理器比较容易获得。随着采用R ISC 体系的高性能M PU(比如采用A RM 构架的处理器芯片等的出现,M PU 在62嵌入式技术高佳等:新型嵌入式电能质量监测装置的设计嵌入式领域中的地位经久不衰。在本装置中采用的就是A RM 构架的嵌入式芯片S 3C 2410。2监测装置的硬件结构设计监测装置的硬件结构如图1所示 。图1硬件系统结构框图监测装置采用D SP +M PU 结构。D SP 芯片的优势在于运算,在本装置中采用的是

10、T I 公司的TM S 320F 2812芯片,以完成采样及对采样结果的实时变换处理;嵌入式系统部分则是以S 3C 2410芯片为核心,附加外围的触摸屏、电子盘存储、以太网通信等硬件电路,用以完成统计、存储、通讯及人机对话等功能。二者通过串口进行数据交换。211模数转换模块电力系统中高次谐波的含量相对于基波分量而言是非常低的。根据实测数据,如果采用D SP 内置的12位分辨率的A D 转换芯片,仅因为A D 转换精度不够,对15次谐波而言至少会引起1.67%的误差,高次谐波测量数据将没有可信性。因此选用了16位分辨率的AD 73360。212嵌入式处理器模块使用嵌入式处理器替代同类产品中的工控

11、机或单片机系统是本装置的一个创新之处:工控机的高成本使得该监测装置的普及显得极为不易,而单片机系统的低性能又不足以完成复杂的工作。嵌入式处理器恰恰弥补了两者的缺点,其性能高,能在其上移植嵌入式实时操作系统,例如在本装置中移植的A RM L inux 。3监测装置的软件设计从软件设计的角度看,D SP 子系统主要完成实时数据的采集和计算,同时响应M PU 子系统的通信请求,把各种计算结果和信息报告给M PU ,而M PU 子系统执行整个系统的控制和管理,在需要数据的时候,向D SP 子系统发出通信请求,获取各种数据和信息。这样一来大量的实时采样和计算与系统的管理和控制就可以并行执行,通过通信使双

12、方在任务执行上同步。这种基于双CPU 结构的系统对于实时性的保证起到了关键性的作用。软件系统层次结构如图2所示。软件设计包括D SP 芯片的软件设计和M PU 芯片的软件设计2部分。311D SP 软件设计D SP 软件设计部分采用模块化结构设计,在循环中分时调用各程序,实时性要求强的部分,采用中断处理。D SP软件采用C 语言和汇编语言混合编程方式,用汇编语言编制FFT 算法部分,在一个周波20m s 时间内实现对电压电流6路信号的128点基二FFT 分析,以获取每周波的谐波信息。在这里,必须保证在20m s 内除完成上一周波的6次FFT 变换外还余几m s 的时间,才能达到实时分析每一周波

13、的目的。在出现特殊情况(周波级电压突升、电压跌落时,启动录波 。图2软件系统结构图由FFT 运算得到的基波电压、电流幅值和相位,可以利用对称分量法求出三相电压的正序、负序分量,从而确定三相不平衡度。D SP 软件还可以得到电压有效值、电流有效值、有功功率、无功功率、功率因数、频率等多项测量结果。312M PU 软件设计开发平台选用源码开放的A RM L inux 操作系统,应用程序采用C 语言编码,同时使用GDB 工具进行调试。开发过程中,通过建立一个交叉编译环境来完成内核和应用程序的调试和编译,生成RAM D ISK 文件系统,并最终形成一个固化文件。数据库采用嵌入式数据库sqlite ,他

14、的特点是无需独立运行的数据库引擎,而是由程序直接调用相应的A P I 去实现对数据的存取操作。更直白地讲,他是一种具备了基本数据库特性的数据文件。该嵌入式数据库的一个很重要的特点是他们的体积非常小,编译后的产品也不过几十kB ,所以很适合在M PU 中运行。关于GU I 设计,与通用的GU I 系统相比,嵌入式系统下对GU I 的基本要求包括:轻型、占用资源少、高性能、高可靠性和可配置。目前,面向嵌入式L inux 系统的有代表性的GU I 系统有M iniGU I ,M icroW indow s ,Q t Em bedded 。在本监测装置中,选用北京飞漫公司的M iniGU I 系统进行

15、GU I 设计。M iniGU I 最初是为了满足一个工业控制系统计算机数控系统的需求而设计和开发的,他在设计之初就考虑到了小巧、高性能和高效率,因此比较适合于工控领域的简单应用。在装置中通过Socket 调用实现向网络上的服务器端上传监测数据,Socket 是BSD U nix 提供的网络应用编程接口,他是应用程序与TCP IP 以及其他具有U nix 内核的协现代电子技术2005年第16期总第207期 嵌入式与单片机议的界面,并采用客户机 服务器的通信机制,使网络客户机和服务器通过Socket实现网络之间的连接和数据传输。这部分软件主要实现的功能为:M PU每5m in接收一次由D SP计

16、算出来的结果,统计出最大值、最小值、95%概率大值、合格率等结果,执行存储数据、记录波形、数据上传、分析异常等事件,同时通过触摸屏显示一个友好的GU I界面,用户通过点击该界面,即可实现实时查询、历史查询、数据统计等功能。4结语本文介绍的电能质量监测装置采用D SP+M PU的双CPU的工作模式,实现了对电能质量数据的实时监测。并且为满足建设电能质量监测网络的需要,将该装置设计成网络中的独立节点,为电力局端服务器上的高级分析软件提供实时的电能质量数据。同时在装置端提供了良好的人机界面,以便工程人员进行本地操作和维护。另外还针对目前电能质量数据交换没有统一文件格式的状况,采用IEEE的推荐格式P

17、QD IF,为将来开发更完善的电能监测系统打下了坚实的基础。参考文献1李令冬1电能质量监测与分析仪器的分类及选用C1电世界,2002,(7:13412崔军朝,蔡静,黄波,等1分层分布式区域电能质量监测系统设计J1现代电力,2003,20(3:59621 3何金定,萧先勇1电能质量监测系统中的数据处理技术J1四川大学学报,2004,36(2:9810114丁屺峰,程浩忠,占勇,等1电能质量监测技术现状及发展J1中国电力,2004,37(7:16191作者简介高佳女,1982年出生,江苏省高淳县人,硕士研究生。主要从事测控技术与仪器方面的研究。(上接第23页层操作系统的差异;内存管理的封装作为嵌入

18、式操作系统封装层中的一部分,对整个系统的可靠性起到很大的作用。以上有关内存管理封装的设计方法已经得到了实际的应用,并得到了比较好的结果。参考文献1鲍国超,柳长安,芦东昕1面向对象的操作系统抽象层和运行支撑层J1计算机工程,2003,29(22:59611 2汤子瀛,哲风屏,汤小丹1计算机操作系统M1西安:西安电子科技大学出版社,199613美W ind R iver1V x W o rk程序员指南M1王金刚,高伟,苏琪,等译1北京:清华大学出版社,200314T anenbaum A S,W oodhull A S1操作系统:设计与实现M1王鹏,尤晋元,朱鹏,等译1北京:电子工业出版社,200215W indR iver System Inc1To rnado212U ser GuideZ1U SA,199916L ap lante P A1R eal ti m e System s D esign and A nalysis,A nEngineers H andbookC1P iscataw ay,N ew Jersey:IEEE Computer Society P ress,199217王学龙1嵌入式V x W o rk s系统开发与应用M1北京:人民邮电出版社,200318美W