基于DSP+ARM的電能質量檢測儀的設計

房緒鵬+李輝+莊見偉+徐飛

摘 要： 基于電能質量分析的實際需要，設計一種基于DSP+ARM的雙CPU架構的電能質量檢測儀。利用DSP高效強大的數據處理能力與在人機界面、通信和多任務管理上有很好表現的ARM，構建一個在線式電能質量檢測儀。為了減少DSP的數據傳輸過程中對CPU資源的消耗，DSP采用中斷的模式分別通過并口與AD7606連接和通過雙口RAM與ARM連接。該設計采用有源濾波濾除50次以上諧波，能夠對工頻交流電的電壓有效值、電流有效值、有功功率、無功功率、功率因數和諧波等主要電能質量參數進行測量。以太網口方便不同供電點甚至多個供電系統的集中檢測。

關鍵詞： 電能質量； DSP； ARM； 雙口RAM； 在線監測

中圖分類號： TN98?34； TM933 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）04?0179?04

Design of electric energy quality detector based on DSP+ARM

FANG Xupeng， LI Hui， ZHUANG Jianwei， XU Fei

（Shandong University of Science and Technology， Qingdao 266590， China）

Abstract： According to the actual demand of the electric energy quality analysis， an electric energy quality detector with dual?CPU architecture based on DSP and ARM was designed. An on?line electric energy quality detector was constructed by means of the DSP with powerful data processing capacity and ARM with good manifestation in man?machine interface， communication and multi?task management. In order to reduce the consumption of CPU resource during the DSP data transfer， the interrupt mode is used in the DSP to connect the AD7606 and the ARM through the parallel port and dual?port RAM respectively. The active power filtering is adopted in the design to filter out the harmonics more than 50 times. The design can measure the main electric energy quality parameters of the voltage effective value， current effective value， active power， reactive power， power factor and harmonic of the power frequency AC. The Ethernet port is convenient for the centralized detection of the different power supply points or even multiple power supply systems.

Keywords： electric energy quality； DSP； ARM； dual?port RAM； online monitoring

0 引 言

隨著電力系統規模的不斷擴大，引起電力系統電能質量問題的原因有：由發電機、變壓器、非線性負載產生的諧波；電力系統的內外故障引起的電能質量問題。電能質量問題會導致電氣設備的壽命縮短，網損加大，裝置誤動作，對通信造成干擾甚至使通信信號丟失[1?2]。本文將在數據處理方面具有優勢的DSP與基于高級操作系統并在人機界面、通信、和多任務處理上有很好表現的ARM芯片相結合，實現對電能質量的在線監測。

1 電能質量檢測儀的硬件設計

電能質量檢測儀的硬件主要包括信號的采集與調理、模/數轉換、DSP處理單元、ARM處理單元等。電網的電壓和電流信號由信號采集與調理電路經高速ADC芯片轉換成數字信號[3]；DSP處理器將采集到的數據信號進行分析處理，并將處理的結果寫入雙口RAM；ARM處理單元將來自雙口RAM的處理計算結果進行管理，并與上位機通信，實現對電能質量的存儲與在線監測，如圖1所示。

1.1 信號采集與調理電路

信號的采集與調理電路具有信號采集、放大與濾波的功能。電壓信號和電流信號的采集分別使用電壓互感器和電流互感器。

其中電壓互感器選用TV31E?2 mA/2 mA電流型電壓互感器。因互感器的輸出是電流信號，需將電流信號經運放轉換為±2 V的電壓信號。電流互感器選用TA21A11?5 A/2 mA電流互感器，電流互感器的輸出端經運放電路將電流信號轉換為±2 V的電壓信號。但由于電壓互感器和電流互感器所采集的信號中含有有用信號和各種頻譜的無用信號[4]。根據香農采樣定理，連續信號的最高頻率必須小于采樣頻率的，否則會引起頻率的重疊，使得采集的數字信號不能再現為原始信號，為此需對信號進行抗混疊濾波。

抗混疊濾波電路根據所需采樣的最高次諧波的頻率確定濾波器的截止頻率。抗混疊濾波電路對轉換為±2 V的電壓和電流信號進行濾波，并放大為±10 V的電壓信號，如圖2所示。