一種改進算法的低壓電力線載波電能質量監測系統*

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(西安工程大學 電子信息學院， 西安 710048)

引 言

近年來，國民經濟的穩步發展對電能的需求量越來越大，隨著各種不對稱性、沖擊性、非線性負荷容量的不斷增加，電能質量問題日益突出，已經成為電力部門和電力消費者普遍關注的重要問題之一[1-3]。大多數監測儀檢測指標單一，對電能質量監測的連續性、實時性和抗干擾能力較差[4]。薛萍等人[5-7]提出了硬件鎖相同步頻率跟蹤方案，實現了電能質量的遠程監測。孔亞非等人[8-10]研制了基于DSP和ARM雙系統構成的電能質量監測系統，采用嵌有Linux系統的ARM通過SPI實現與DSP的通信。王平等[11-13]設計了基于DSP和FPGA的實時電能質量監測系統，實現了多通道電能質量的實時監測。上述監測系統雖然都能實現電能質量的監測，但僅限于電壓、電流的監測，沒有實現對諧波和頻率的測量，且對復合式擾動信號的識別能力較差。

針對目前電能質量監測系統中存在的問題，設計了一款基于低壓PLC技術的電能質量監測系統，系統利用DSP和 ARM進行采集信號的精確運算并處理，采用電力線載波通信(PLC)技術實現電能質量信息的傳輸，系統具有通信效率高、誤碼率低、時延低等優點。

1 系統硬件設計

1.1 系統組成框圖

電能質量監測模塊的主要任務包括數據采樣、數據處理和人機交換。DSP與MCU一起完成數據采樣和數據處理的功能。本設計的數字信號處理系統采用TI公司生產的高性能浮點DSP芯片TMS320C6711，包括兩款芯片DSP1和DSP2。這兩款DSP芯片的操作頻率高達250 MHz，并配有32位HPI接口。該系統采用32位嵌入式PC104電腦，工作頻率為300 MHz，MCU操作系統采用嵌入式Linux系統，圖1為系統組成框圖。

圖1 系統組成框圖

為了使電力部門快速有效地獲取電能質量信息，本系統采用電力線載波通信模式傳輸電能質量信息。MAX2990是由MAXIM公司生產的電力線載波通信專用的新產品，其采用OFDM調制方式，理論上通信速度高達100 kbps，可以滿足電能質量監控系統的數據傳輸需求。另外，電能質量監測模塊還可以實現電壓沖擊、瞬態擾動和電壓振蕩瞬態擾動的計算，以及短時電壓變化、動態功率質量擾動、穩定功率質量擾動等計算。

1.2 DSP模塊

DSP模塊主要包含數據采集單元、A/D轉換器、CPLD和DSP芯片。

數據采集單元完成三相電壓和三相電流采樣，包括電阻分壓電路、電流互感器和濾波電路，它可將電壓和電流信號轉換為可由模數轉換器處理的弱信號。

A/D轉換器1采用具有16位高精度的AD7723芯片，該芯片的采樣率高達1.2 MHz，A/D轉換器1將電壓模擬信號轉換為數字信號，并傳輸到DSP1，實際使用的采樣率為1 MHz。A/D轉換器2具有6通道采樣的16位高精度ADS8364芯片，采樣率高達250 kHz。它將3個電壓模擬信號和3個電流模擬信號轉換為數字信號并將其傳送到DSP2。使用6通道可以滿足電壓和電流信號采樣的同步性,實際使用的采樣率為12.8 kHz。其中DSP1完成電壓瞬變擾動和電壓振蕩瞬態擾動的監測和計算;DSP2完成短時電壓變化、電能質量擾動和電氣參數的監測和計算。

DSP的計算模塊將計算結果放入數據緩沖區。計數周期完成后，計算結果將發送到可由MCU讀取的數據交互區域。每個計數子程序都是通過高級算法開發的。為了滿足系統性能的需求，DSP芯片選擇了具有16位HPI接口的TMS320C6711芯片。并行接口HPI是連接DSP和MCU并實現它們之間通信的重要接口。通過HPI接口，MCU可以訪問所有的存儲空間和地址空間的映射，然后控制DSP完成數據交換,還可以使用CPLD幫助DSP控制系統的所有額外設備。

1.3 微處理器模塊

微處理器的模塊包含電源控制電路、MCU、驅動電路、通信接口、數據存儲器、LED和指示燈。在該系統中，由DSP處理的數據將通過HPI接口傳輸到MCU。MCU模塊完成數據處理、數據存儲和數據顯示，同時使用其豐富的外設和多線程應用實現多功能控制。首先MCU通過DSP的HPI接口直接訪問其RAM，然后進一步處理DSP處理的數據，完成數據處理和數據通信。MCU芯片選用32位嵌入式微控制器，工作頻率高達300 MHz，并采用嵌入式Linux操作系統。

MCU通信控制單元與RS232/485接口和以太網接口相連接。RS232/485接口和以太網接口具有便于數據通信和監控系統建設的優點。選用的液晶顯示器可以顯示設備的所有電氣參數和運行狀態。MCU處理的數據可由存儲容量為40/80 GB的硬盤存儲設備存儲。圖2為電能質量監測系統結構圖。

圖2 電能質量監測系統結構圖

2 系統軟件設計

2.1 電力線載波通信模塊的結構

電力線載波通信技術采用電力線作為通信媒介，因其布線方便、成本低廉、覆蓋范圍廣泛，所以PLC技術具有廣闊的應用前景。基于電力線載波通信技術的電能質量監測系統可以有效利用電力線傳輸數據，避免建設新的通信線路，與其他通信模式相比，具有獨特的優勢。

MAX2990是由美信公司制造的高速電力線載波通信芯片，采用OFDM調制方式。當工作頻率在10～490 kHz之間時，數字信號輸出的有效數據速率高達100 kbps；當工作頻率在10～95 kHz之間時，數字信號輸出的有效數據速率高達32 kbps。關于電能質量的數據管理，每個項目約為1～6位，主要項目約為二十多個。而在1 s內應考慮傳輸少量報警信息，所需傳輸的通用速率約為2 kb/s。所以MAX2990芯片可以滿足數據速率的需要。

OFDM是一種特殊的多載波調制技術，提供了一種具有較大延遲的信道高速數據速率的方法。OFDM技術將高速數據流分離成許多低速數據流，并以并行模式在正交子信道上傳輸。 因此，對于子信道上的每個符號，信號持續時間長于該信號在信道上的延遲,那么ISI的影響很容易被中和。OFDM不僅具有抗多徑干擾的能力還具有多載波調制的優點，使得頻譜的可用性非常高。圖3為電力線載波通信結構圖。

圖3 電力線載波通信結構圖

2.2 PLC模塊工作流程

在電能質量監控系統中，MAX2990提供服務于數據鏈路層和物理層的通信協議。主處理器CS5530A-UCE負責與MAX2990的通信,MAX2990將物理層(PHY)和媒體訪問控制(MAC)層集成在一個芯片中，并配有16位RISC MAXQ微控制器。MAX2990具有32 KB的Flash存儲器，用于運行MAC編碼和用戶定義的應用軟件，以及一個用于數據存儲的8 KB SRAM。此外，MAX2990支持通過串行端口(如I2C)與網絡中其他UART和SPI設備連接的通信。

MAX2990與MAX2991一起工作，它作為MAX2990的模擬前端器件。MAX2990的主要功能是將數字信號輸出改為模擬形式并重新傳輸到電源線,同時將從電源線輸出的模擬信號更改為數字形式，并將其傳輸到MAX2991，濾波模擬信號來自電源線。數據通過RS232從MCU發送到MAX2990并進行電平轉換后，數據將傳輸到MAX2990的物理層。然后MAX2990以OFDM方式調制數據，并通過AFE SPI將其傳輸到MAX2991。

MAX2991收發器提供兩條主要路徑：發送路徑和接收路徑。發送路徑將OFDM調制信號注入到AC或DC線路中,發送路徑由數字IIR濾波器、數模轉換器(DAC)、低通濾波器和預線驅動器組成。接收路徑用于接收信號的信號增強、濾波和數字信息。接收機由低通和高通濾波器、兩級自動增益控制(AGC)和模數轉換器(ADC)組成。集成的AGC可使信號的最大化動態范圍達到60 dB，而低通濾波器可以去除任何帶外噪聲，并選擇所需的頻帶，而ADC則可將增強和放大的輸入信號轉換為數字形式。MAX2991與電源線驅動器和線耦合器連接。在電源線的另一端，信號由MAX2990進行解調，然后發送到主機，這就是電能質量收集和傳輸的全過程。圖4為電能質量參數監測軟件流程圖。圖5為電能質量控制模塊的軟件流程圖。

圖4 電能質量參數監測軟件流程圖

圖5 電能質量控制模塊的軟件流程圖

3 實驗測試及結果分析

利用本系統設計搭建好的實驗平臺，對電能質量參數如電壓有效值、電流有效值、電網頻率、電壓諧波進行了測量，并與標準電能質量分析儀進行對比。表1為電壓電流有效值對比結果，表2為電壓諧波對比結果。

表1 電壓電流有效值對比結果

表2 電壓諧波對比結果

從表1中可以看出，電壓有效值測量誤差小于0.1%，電流有效值測量誤差小于0.5%。從表2中可以看出，當諧波分量幅值增大時，測量精度較高，但對于較高次諧波，隨著幅值減小，測量精度較差。此外，經過對頻率測量相對誤差的計算，其結果顯示小于0.01%，精度較高。

結 語