基于快速傳輸海量存儲的電能質量監測系統

秦銀山，張國文，呂玉祥，趙慶生

(太原理工大學電氣與動力工程學院，山西太原030024)

隨著電力電子設備的應用領域越來越廣，導致用電負荷加大，其中一些沖擊性、非線性負荷使得電網中電壓波形畸變，電壓波動、閃變和諧波含量增加等問題時有發生，電網受到嚴重污染;另外，隨著精密和復雜電子設備的大量應用，對電網電能質量的要求也越來越高。因此如何提高電能質量是電力企業面臨的一個重要課題，而對電能進行實時監測是提高和改善電能質量的一個重要組成部分［1］。

目前已有的電能質量監測設備基本實現了對數據的采集、傳輸以及分析處理功能，只是在各功能實現的方式上有所不同。文獻［2～4］分別采用虛擬儀器技術、DSP+MCU雙CPU設計以及在LPC2478上移植uC/OS－Ⅱ操作系統技術來實現對電能質量的監測，其中與外部的通信部分采用RS－232、紅外、RS－485等通信方式。

通信技術是研究與開發電能質量監測系統的關鍵技術之一，其通信性能也直接影響著整個電能質量監測系統的性能，這樣對數據的傳輸速率以及傳輸可靠性方面提出很高的要求。由于CAN總線在性能、可靠性等方面的突出優勢以及可高速、長距離傳輸等特點，使之特別適合現場監控設備的數據通信［5］。因此，采用CAN總線來構建電能質量監測系統的通信網絡，可有效地實現大量數據高速可靠地傳輸。同時，以往在線式電能質量監測裝置的存儲容量較小，而本裝置利用U盤讀寫模塊，使裝置外擴更大容量的移動硬盤，實現了數據的海量存儲。針對以上需求，提出了一種基于CAN總線的電能質量監測及數據存儲系統的設計方案，經實驗測試證明了該方案的有效性。

1 系統工作原理

該系統采用雙DSP作為核心，將采集到的數據進行A/D轉換后輸出給主DSP，主DSP分析處理后連同原始數據一同發送到CAN總線上，CAN－bus轉以太網模塊從總線上讀取數據上傳至上位機進行分析處理，通過圖表顯示、統計、分析，實時顯示電能質量的健康狀況。輔DSP從總線上讀取數據后進行壓縮，通過U盤讀寫模塊將數據存到大容量移動硬盤里。系統工作原理，如圖1所示。

圖1 系統原理框圖

2 系統的硬件設計

2.1 CPU與A/D芯片的選取

根據系統工作需要，CPU既要有快速數據處理能力又要有豐富的外設控制功能，選取TI公司的TMS320F2812，這是一款用于控制的高性能、多功能、高性價比的32位定點DSP芯片，最高可在150 MHz主頻下工作。F2812片內集成眾多資源，本系統主要利用其快速處理和不同于其他CPU的增強型eCAN總線接口和事件管理器(EV)功能，選擇雙CPU主要是根據工作需要，主CPU完成數據采集、處理和發送，而輔CPU完成數據壓縮和存儲。A/D芯片選用TI公司的高性能A/D轉換芯片ADS8364。該芯片是一款高速、低能耗、6通道同步采樣，單+5 V供電的16位高速并行接口的高性能A/D轉換芯片，其不論在精度、速率還是采集方式上都符合本系統設計要求。

2.2 數據采集模塊

數據采集模塊主要完成系統對三相電壓、三相電流的實時而精確的數據采集，為以后各項指標的計算分析提供可靠的數據資源。

2.2.1 電壓、電流互感器

為盡可能使采樣到DSP的信號逼近于原始信號，還應選擇合適的電流、電壓變換器進行測量和轉換，使信號調整為適合A/D轉換的要求。設計采用上海和華電子科技有限公司生產的電流型電壓互感器SPT204A和電流互感器SCT254FK。

2.2.2 抗混疊濾波電路設計

抗混疊濾波電路實質是迫使信號通過一個有限帶寬的低通濾波器，使輸入到A/D轉換器的信號為有限帶寬信號，并且以很小的衰減讓有效的頻率信號通過，而抑制這個頻帶以外的頻率信號，從而防止信號的頻譜發生混疊及高頻干擾。該濾波器的截止頻率為采樣頻率的一半。諧波測量系統在信號每個周期采樣128點即采樣頻率為128×50=6 400 Hz，所以抗混疊濾波器的截止頻率為采樣頻率的一半即3 200 Hz［6］。

圖2 抗混疊低通濾波電路

2.2.3 鎖相倍頻電路的設計

雖然我國電網的頻率規定為50 Hz，但實際電網的頻率受供電負荷不平衡影響會有一些波動。如果以定步長對電力系統的信號進行采樣，會使實際每個工頻周期內采樣點的起始時刻、采樣點個數出現差異，這種差異將導致柵欄效應和頻譜泄露，使信號頻譜分析的結果產生誤差。為盡量減小這種誤差，設計鎖相倍頻電路跟蹤系統頻率的波動［7］。

鎖相倍頻電路由相位比較器、環路濾波器、壓控振蕩器和分頻器4部分構成，具體電路如圖3所示，電路工作原理為:輸入電壓信號通過14腳接入CD4046的相位比較器，經鎖相環的相位鎖定后，由CD4040的4腳輸入CD4046的3腳的信號頻率與原輸入信號的頻率一致。此時由CD4046產生一個頻率為128倍于輸入信號的脈沖作為A/D的采樣頻率。在此，將鎖相倍頻電路輸出端口與ADS8364的/HOLDX相連，以滿足同步采樣的需要。

圖3 鎖相倍頻電路

2.3 數據通信模塊

數據通信部分采用CAN總線，在傳輸速率上有了很大的提高，可以達到1 Mbit·s－1。F2812內部集成了eCAN控制器。eCAN模塊是一種片上增強控制器，其性能較已有的DSP內嵌CAN控制器有較大提高，而且數據傳輸靈活方便，數據量大、可靠性高、功能完備。CAN驅動器使用TI公司的SN65HVD230D

圖4 CAN驅動電路

設計了CAN－bus轉以太網模塊，用來完成向上位機傳輸數據。該模塊內部集成了一路CAN－bus接口和一路EtherNet接口以及TCP/IP協議棧，利用它可以輕松完成CAN－bus網絡和EtherNet網絡的互聯，進一步拓展CAN－bus網絡的范圍。CAN口通信最高波特率為1 Mbit·s－1，具有TCP Server，TCP Client，UDP等多種工作模式，每個CAN口可支持2個TCP連接或3×254個UDP連接，通過配置軟件可以設定相關配置參數。方便地實現了數據高速傳輸，把數據實時傳到上位機進行分析處理，及時發現問題，為電網安全穩定運行提供了保障。

2.4 數據存儲模塊

本文的設備結合數據壓縮技術，完成對所有數據的存儲，可以連續記錄一年的波形，不需要門檻和觸發閥值，只要簡單地接入，不會丟失事件，為以后的計算分析提供可靠的數據資源。該模塊內嵌USB2.0協議，具有RS232串口和高速SPI接口，SPI口讀寫文件速度為1.5 Mbit·s－1，可以把所有數據及時地存儲到硬盤里，其具有以下功能:檢測U盤的狀態、創建文件和目錄、打開一個已經創建的文件和目錄、從文件中讀取指定長度和位置的數據、寫數據到指定文件的指定地址、列舉目錄下的文件和目錄、刪除文件和目錄、查詢U盤容量、剩余空間及FAT格式。模塊遵守USB2.0協議規范，支持所有基于USB的移動存儲器，支持FAT16/32文件系統。系統工作于命令應答方式下，由用戶系統發出命令，系統再根據該命令進行相應處理后，向用戶系統返回相關的應答。

3 系統軟件設計

實時電能質量監測系統的軟件主要包括:運行在電能質量監測儀上的數據采集、存儲、通信以及各種算法軟件;另一部分是運行在上位機上的軟件，用來對從監測儀獲得的電能質量數據進行統計、分析以及為改善電能質量問題所采取的措施提供依據。結構圖，如圖5所示。

圖5 軟件主體結構

圖6為運行在電能質量檢測儀上的程序流程圖，一些函數模塊的功能介紹如下:

SysCtrl():主要完成系統各功能模塊的初始化任務，包括CPU TMS320F2812的系統時鐘頻率的設置、外設時鐘的開啟以及A/D轉換芯片ADS8364的工作時鐘。

Read_AD():主要用來讀取A/D轉換后的數據，為CPU對數據的后續處理做準備。

fft128():把信號從時域變成頻域，主要完成諧波的分析。

CAN_TX():主CPU把數據發送到CAN總線上。

SPI_TX():主要實現對數據的存儲，把所有實時數據都保存到外擴的移動硬盤。

圖6 程序流程圖

4 系統性能測試

本系統在負載三相交流電機、KT系列晶閘管調壓器、VBF－150/200型真空高溫壓力焊接爐工作下，對三相電壓進行監測。

具體實驗過程:首先負載1工作，將焊接爐內抽成真空，約半小時，接著接通整流設備連同負載2一起工作，整流設備將三相交流電壓轉化成5 V直流電壓，其內置整流、穩壓等電路，可能對電網造成污染。在此期間，本電能質量監測系統一直跟蹤監測，所測電壓數據波形如圖7(a)和圖7(b)所示。

圖7 電壓數據波形圖

由電壓波形圖可知，大型的非線性負載對電網會造成嚴重的污染，因此研究開發新型、實用、穩定可靠的電能質量監測儀，對電網安全穩定運行具有重要意義。

5 結束語

設計的基于CAN總線的電能質量監測及數據存儲系統不僅能夠實現以往產品的功能，還可以保存長達一年的歷史數據，并利用CAN總線結合以太網快速高效地傳輸數據，滿足了現代電能質量監測系統網絡化、實時性的要求，經試驗證明，各項功能指標達到了設計要求。

［1］ 劉潔，余熙．電能質量綜合監測的系統實施方法［J］．繼電器，2000，28(11):26－29．

［2］ 黃旭，田立軍，秦英林，等．基于LabVIEW的電能質量綜合監測及故障錄波系統［J］．電力自動化設備，2009，29(1):120－123．

［3］ 彭明智，劉永強．基于DSP和MCU的電能質量在線監測裝置的設計［J］．電器自動化，2010，32(2):66－68，75．

［4］ 佟為明，楊夏飛，李辰．基于LPC2478的網絡型電能質量監測裝置人機交互功能研發［J］．低壓電器，2010(17):13－18．

［5］ 袁帥，李穎．CAN總線電能質量監測系統中的通信協議設計［J］．低壓電器，2010(5):31－33．

［6］ 邵玉槐，謝朋海，張德志．基于TMS320F2812 DSP的電能質量監測裝置的設計［J］．電測與儀表，2009(2):43－47．

［7］ 王寶安，蔣平，高亮．基于DSP技術的電能質量檢測儀研制［J］．電力自動化設備，2003(4):56－58．