電能質量監測終端設計

汪長林

摘要：嵌入式多處理器架構，可監測電網電能質量，實時分析線路故障，并對故障點錄波，存儲故障波形數據，運作于二次線路中的智能終端。該裝置包含顯示屏，采用QT設計界面，支持參數配置，波形顯示，歷史數據/實時數據顯示等等。內部數據通信主要由以太網、SPI、Local Bus組成，裝置內置嵌入式Web服務器，可以把數據傳輸到PC端網頁，顯示出數據和波形，裝置設計框架清晰明朗，各工作部件各司其職，有序銜接。

關鍵詞：電能質量監測裝置;設計方案;電力系統;故障錄波

0 引言

電力能源是當今社會最不可或缺的清潔能源之一，由于近年來科學技術發展飛快，各種電力自動化設備、電子設備接入電網，對電能輸出的平滑度造成了一定沖擊，電能質量問題越來越受到社會各界的廣泛關注，用戶對于電能質量的要求越來越高，供電部門在整改電氣環境、加強電力系統管理的同時，也需要一種高效的電能質量分析自動化裝置。為此，電能質量監測終端應運而生，它可以幫助監測電網各項指標[1]，智能分析電力系統出現的故障。本文將對電能質量監測裝置的功能和內部實現進行分析和介紹。

1 系統組成

1.1 ? ?硬件框架組成

該裝置由多CPU組成，采集部分采用DSP處理器，通信和顯示部分則由ARM處理器實現。框架結構如圖1和圖2所示。

1.2 ? ?軟件框架組成

軟件部分主要為DSP端運算程序和ARM端處理程序，前端采集由DSP來完成，采用BF609工業級芯片，主頻1 GHz，雙核，搭載獨立16位AD芯片AD7607完成高精度采樣。每周波采樣512點，采樣點采用FFT算法，計算出基波到0.5～50次的各次[間]諧波電壓電流分量、總[間]諧波電壓電流含量、各次[間]諧波畸變率、總電壓電流[間]諧波畸變率、各次[間]諧波功率、[間]諧波相角等，以及三相不平衡、電壓波動、瞬態事件等電力系統數據。

前端采樣一直處于高效實時運作狀態，數據通過高速SPI接口傳輸到ARM處理器，這里可以考慮擴展板卡，ARM板主要用于數據通信和存儲等，讓通信板和采樣DSP板獨立開，SPI接口即板間通信通道。ARM板處理器選用ARM9以上可運行Linux系統的皆可，本裝置選型為TI的AM335，cortex-A8內核，800 MHz主頻，外加512M DDR，移植了嵌入式Linux 3.2的內核，NAND FLASH 512M，由于存儲數據量較大，還配備了16G的存儲卡。

文獻[2]中提到一種ARM9處理器的bootloader啟動加載過程，A8也類似，CPU上電后，從nand flash啟動，一級bootloader，二級bootloader（關看門狗，關中斷，設置CPU時鐘頻率等），三級bootloader（uboot），啟動內核，掛載文件系統。

通信板對外接口豐富，有2路RS485接口，2個USB接口，2個以太網接口;HMI部分由按鍵和液晶屏組成，4.3寸彩屏，6鍵導航按鍵，操作方便友好。軟件框架如圖3所示。

2 電力系統數據運算

在AD采樣得到一系列波形數據后，可進行積分運算，電壓和電流的有效值計算公式如下：

式中：u（x）為一個周期內各時間點的電壓瞬時值;T為周期;U為電壓有效值。

式中：i（x）為一個周期內各時間點的電流瞬時值;T為周期;I為電流有效值。

數據計算參照國標《電能質量 公用電網諧波》（GB/T 14549—1993）[3]。

諧波部分，第h次諧波電壓含有率HRUh為：

式中：HRUh為第h次諧波電壓含有率;Uh為第h次諧波電壓（方均根值）;U1為基波電壓（方均根值）。

諧波電壓含量UH為：

文獻[3-9]列出了部分常用電能質量數據計算標準，文獻[10]講述了Comtrade文件的格式標準。

3 數據處理和存儲

采集板通過SPI接口進行板間通信，把數據傳輸到ARM板，每數百微秒發起一次數據通信，傳輸有效值、波形數據、諧波、電壓波動等等，ARM板操作系統下運行多進程/線程處理程序，收到數據作相應處理、轉發、顯示。進程間使用共享內存進行通信，電力系統數據以3 s（可設置）為時間間隔存儲到flash上，存儲方式為sqlite數據庫。SPI驅動數據觸發部分程序：

void psq_handler（int signum）

{

static unsigned int cnt = 0;

ioctl（fd， IOREQ_READ_NOTIFY， &app）;

cnt = app.cnt;

memcpy（&DSPBuf[wpoint][0]，base+（cnt*SLOT_SIZE），app.byte_num[cnt]）;

nsize[wpoint]=app.byte_num[cnt];

wpoint++;

if（wpoint >=DSPBUFCOUNT）

wpoint =0;

if（！sigflag）

{

：：raise（SIGUSR1）;

}

}

……

signal（SIGIO， psq_handler）;

fcntl（fd， F_SETOWN， getpid（））;

oflags = fcntl（fd， F_GETFL）;

fcntl（fd， F_SETFL， FASYNC | oflags）;