基于138平臺(tái)的電能質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

陳曉娟,鞏永穩(wěn)

(東北電力大學(xué)信息工程學(xué)院,吉林 吉林 132012)

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基于138平臺(tái)的電能質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

陳曉娟*,鞏永穩(wěn)

(東北電力大學(xué)信息工程學(xué)院,吉林 吉林 132012)

摘要:現(xiàn)有的電能質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集量和處理量大,實(shí)時(shí)性要求高等特點(diǎn),并根據(jù)電力行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀,結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際需求,提出了基于138平臺(tái)+FPGA的分布式控制結(jié)構(gòu)。以138平臺(tái)為核心,充分發(fā)揮OMAPL-138平臺(tái)DSP+ARM雙核的優(yōu)勢(shì),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速率處理,通過(guò)FPGA實(shí)現(xiàn)通信協(xié)議的拓展,完成不同通信協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換,整體設(shè)計(jì)提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和數(shù)據(jù)處理能力。該平臺(tái)具有質(zhì)量良好,穩(wěn)定性好,具有一定的推廣前景。

關(guān)鍵詞:電能質(zhì)量檢測(cè);OMAPL-138平臺(tái);KSZ8041;linux

近幾十年來(lái),我國(guó)的現(xiàn)代電力系統(tǒng)得到了迅速的發(fā)展,規(guī)模不斷擴(kuò)大,用電緊張的情況得到了根本性解決,因此人們把電能質(zhì)量檢測(cè)的相關(guān)問(wèn)題提上了日程。隨著工業(yè)與科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,整流器、變頻調(diào)速器、電弧爐等電力電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用,各種沖擊性、非線性、波動(dòng)性負(fù)載也大量增加,使電網(wǎng)受到不同成度的沖擊,出現(xiàn)諸如電壓閃變、波形畸變和凹陷等問(wèn)題。并且一些工業(yè)用戶,特別是自動(dòng)化程度較高的,對(duì)電能質(zhì)量問(wèn)題特別敏感,任何電能質(zhì)量問(wèn)題都將導(dǎo)致產(chǎn)品的質(zhì)量下降,甚至是工業(yè)作業(yè)的停止,給用戶造成不可估量的損失[1-2]。在以上背景下,提出了基于OMAPL138平臺(tái)+FPGA分布式結(jié)構(gòu)的軟件系統(tǒng)和硬件平臺(tái)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)人機(jī)交互界面實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的電能質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、處理、分析和存儲(chǔ)。并且通過(guò)以太網(wǎng)將監(jiān)測(cè)的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī),進(jìn)行集中分析和處理。使工作人員全面了解電網(wǎng)運(yùn)行狀況。

1　電能質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

將一定數(shù)量的數(shù)據(jù)采集點(diǎn)合理布設(shè)于監(jiān)測(cè)環(huán)境,使用光纜傳輸數(shù)據(jù)采集信號(hào),經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換模塊,轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。整個(gè)系統(tǒng)以O(shè)MAPL138為核心處理器,依靠138平臺(tái)強(qiáng)大的高速運(yùn)算能力實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電能質(zhì)量的在線監(jiān)測(cè),具有成本低、集成度高、實(shí)時(shí)性好等特點(diǎn)。且具有高性價(jià)比及市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力,適合實(shí)際工業(yè)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。

整個(gè)系統(tǒng)有主處理器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、液晶顯示、觸摸模塊、通訊接口模塊和電源模塊組成,如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)框圖

圖2　AD7658_1電路連接圖

各個(gè)模塊的功能實(shí)現(xiàn):

(1)主處理器模塊:主處理器模塊是整個(gè)系統(tǒng)的中心,負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)模塊的控制、管理等工作,并完成電能質(zhì)量檢測(cè)算法程序的運(yùn)行;

(2)數(shù)據(jù)采集模塊:負(fù)責(zé)采集電網(wǎng)的頻率、三相基波電壓、電流有效值、基波無(wú)功功率、有功功率、相位、功率因數(shù)、三相電壓不平衡度、頻率偏差、電壓偏差、負(fù)序電壓電流、三相電流不平衡度、電壓、電流的總諧波畸變率、各次諧波含有率、相位、幅值等電能質(zhì)量參數(shù)的測(cè)量,是電能質(zhì)量分析的數(shù)據(jù)源;

(3)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊:存放文件系統(tǒng)、引導(dǎo)程序、linux內(nèi)核,同時(shí)也是系統(tǒng)工作時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元;

(4)液晶顯示觸摸屏:經(jīng)過(guò)運(yùn)算得出的實(shí)時(shí)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)結(jié)果通過(guò)液晶顯示屏顯示,完成人機(jī)交互,并把操作指令轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳輸給主處理器;

(5)通訊接口模塊:實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通訊的常用接口,如:網(wǎng)絡(luò)接口、USB、串行接口等,本設(shè)計(jì)也連接了SD卡、SATA,完成數(shù)據(jù)的靜態(tài)存儲(chǔ),通過(guò)EMIFA與FPGA的連接實(shí)現(xiàn)雙口RAM,使用SPI、UPP、MCBSP與FPGA相連,通過(guò)FPGA完成的通信協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換;

(6)電源模塊,為整個(gè)系統(tǒng)供電。

2　部分硬件電路圖

2.1數(shù)據(jù)采集模塊

三相電流電壓經(jīng)過(guò)電流互感器和電壓互感器,對(duì)采集的電壓和電流進(jìn)行變換,并傳送給A/D轉(zhuǎn)換模塊。A/D芯片的選擇就顯得至關(guān)重要,本設(shè)計(jì)中選用AD7658-1芯片[3]。AD7658-1芯片內(nèi)置了6個(gè)16 bit/14 bit/12 bit、快速、低功耗逐次逼近型ADC,并集成到一個(gè)封裝里,吞吐速率為250 ksample/s,內(nèi)置低噪聲、寬帶寬采樣保持放大器,可以處理4.5 MHz的輸入頻率。轉(zhuǎn)換過(guò)程與數(shù)據(jù)采集利用CONVST信號(hào)和內(nèi)部振蕩器進(jìn)行控制。3個(gè)CONVST引腳(CONVST A、CONVST B、CONVST C)3對(duì)ADC獨(dú)立地同步采樣。AD7658-1電路原理圖如圖2所示。

2.2網(wǎng)口和串口模塊

本設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)接口采用光口和電口兩種形式,光口采用AVAGO公司的AFBR 5803 AQZ光電模塊,電口使用RJ45,PHY芯片均采用KSZ8041FTL物理層芯片,把AFBR 5803 AQZ光電模塊的傳輸方式設(shè)置成RMII格式,連接到FPGA上。電口RJ45直接連接到138平臺(tái)上,使用MII傳輸方式。串口的連接方式使用DB9,物理層芯片使用MAX3232。通過(guò)這種接口,可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理模塊與上位機(jī)的互聯(lián)[4-5]。光口和串口電路原理圖如圖3所示,電口電路原理圖如圖4所示。

2.3電源模塊

由于FPGA的電源需求為1.8 V和3.3 V,各個(gè)模塊電壓供應(yīng)設(shè)置為5 V。138平臺(tái)的需求電壓為1.2 V、1.8 V和3.3 V。所以本設(shè)計(jì)電源模塊選擇了TPS65251RHAT[6]。全局供電為5 V,電源原理圖如圖5所示。

138內(nèi)核上電順序的要求,使得本設(shè)計(jì)控制電源的上電順序成為本電源設(shè)計(jì)的關(guān)鍵,由圖可知,本模塊的上電順序?yàn)槭紫壬想姙? V,且依次經(jīng)過(guò)電壓變換芯片啟動(dòng)3 V、+1.2 V、+1.8 V、3.3 V,啟動(dòng)順序不能更換。3 V對(duì)U57供電,+1.2 V對(duì)U20供電。

圖3　光口和串口電路原理圖

圖4　電口電路圖

圖5　電源電路圖

3　軟件系統(tǒng)平臺(tái)

軟件平臺(tái)是開(kāi)發(fā)各種應(yīng)用程序和驅(qū)動(dòng)程序的基礎(chǔ),包括嵌入式linux系統(tǒng)軟件和主機(jī)軟件兩大部分。本設(shè)計(jì)的嵌入式linux系統(tǒng)軟件需要完成Uboot移植、UBL移植、文件系統(tǒng)的建立、linux內(nèi)核移植等4個(gè)部分[7-8]。

3.1138平臺(tái)的啟動(dòng)過(guò)程

138平臺(tái)的啟動(dòng)過(guò)程與其他的單DSP或ARM核芯片不同,它采用了多級(jí)Uboot[9]。采用了常用的啟動(dòng)途徑,即從板載的NANDFLASH啟動(dòng),其啟動(dòng)過(guò)程如圖6所示。

圖6　138平臺(tái)的啟動(dòng)框圖

OMAPL-138啟動(dòng)時(shí)默認(rèn)的ARM核休眠,DSP核工作。所以DSP首先啟動(dòng),從片內(nèi)L2 ROM處讀取TI已經(jīng)固化好的僅DSP核可以訪問(wèn)的RBL。RBL初始化之后,通過(guò)PSC模塊使能ARM核,休眠DSP核。

3.2操作系統(tǒng)的搭建和移植

板級(jí)支持包是主板硬件和操作系統(tǒng)連接的橋梁,主要工作是支持操作系統(tǒng),使能夠很好地運(yùn)行于硬件主板。設(shè)備驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā),包括數(shù)據(jù)采集模塊、觸摸屏顯示模塊、通信模塊等設(shè)備的驅(qū)動(dòng)。面向應(yīng)用程序和驅(qū)動(dòng)提供友好的靈活的接口,方便使用。

3.3數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集模塊是整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來(lái)源,是系統(tǒng)比較重要的部分,其驅(qū)動(dòng)的穩(wěn)定性和高效性是整個(gè)系統(tǒng)的重要因素,其工作流程如圖7所示。

圖7　工作流程圖

圖8　layout電路圖

4　電路圖和實(shí)物圖

圖8為使用layout繪制的電路圖,圖9為已經(jīng)調(diào)試完成的實(shí)物圖,電路調(diào)試完畢,能正常完成理論設(shè)計(jì)所需求的工作。

圖9　實(shí)物圖

5　測(cè)試數(shù)據(jù)

頻率(輸入電壓為57.74V,選擇裝備B相數(shù)據(jù)),誤差值在0.002 V～0.009 V之間,測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　頻率分析

基波電壓(頻率為50Hz,選取A、B、C三相數(shù)據(jù))測(cè)量數(shù)據(jù)如表2所示,測(cè)得值與所加的電壓誤差值較小。

表2　基波電壓測(cè)量數(shù)據(jù)

基波電流(頻率為50Hz,選取A、B、C三相數(shù)據(jù))測(cè)量數(shù)據(jù)如表3所示,測(cè)得值與所加的電流誤差值較小。

表3　基波電流測(cè)量數(shù)據(jù)

6　結(jié)束語(yǔ)

基于138平臺(tái)的雙核處理器,完成了電能質(zhì)量檢控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),相比于以往的采用DSP、ARM和FPGA或單片機(jī)單純的結(jié)合,性能要好的多,充分發(fā)揮了DSP的強(qiáng)大運(yùn)算能力和ARM核的控制能力,使系統(tǒng)的功能更加強(qiáng)大,分工更加明細(xì)。實(shí)現(xiàn)的監(jiān)控系統(tǒng)的良好運(yùn)行。本設(shè)計(jì)的核心模塊也可應(yīng)用于其他監(jiān)測(cè)領(lǐng)域,具有廣闊的應(yīng)用前景。

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陳曉娟(1970-),女,漢族,吉林省吉林市人,東北電力大學(xué)信息工程學(xué)院教授,博士學(xué)位,主要研究方向?yàn)槟M電路故障診斷以及電力線通信cxj_neiep@126.com;

鞏永穩(wěn)(1985-),男,漢族,吉林省吉林市人,東北電力大學(xué)信息工程學(xué)院碩士生,研究方向?yàn)殡娔苜|(zhì)量檢測(cè),ggyyww1986@163.com。

TheDesignaboutthePowerQualityDetectionSystemBasedon138Platform*

CHENXiaojuan*,GONGYongwen

(Information Engineering College Northeast Dianli University;Jilin Jilin 132012,China)

Abstract:Power quality detection system has the features about the characteristics of huge data acquisition and processing,and the high real-time requirement and so on,and according to the status of power industry development,combined with the actual production requirements,made the distributed control structure based on 138 platform+FPGA,the 138 platform as a core,full played the advantage of OMAPL-138 platform DSP+ARM double nuclear,achieved the data of high-speed rate processing,through FPGA achieved expansion about communications agreement,completed the conversion between different communications agreement,Integrated design system improved the real-time and the capabilities of data processing.The platform has a good quality,good stability,and has a certain promotion prospects.

Key words:Power Quality Detection;OMAPL-138 platform;KSZ8041;linux

doi:EEACC:814010.3969/j.issn.1005-9490.2014.05.041

中圖分類(lèi)號(hào):TM933.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1005-9490(2014)05-0991-05

收稿日期:2013-10-09修改日期:2013-10-29

項(xiàng)目來(lái)源:國(guó)家自然科學(xué)基金(61271115)