電力網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控儀中數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)

胡曉楠

（華北計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工程研究所，北京100083）

近年來，隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各種電力電子裝置在電力系統(tǒng)、工業(yè)控制和日常生活中的應(yīng)用越來越廣泛。這些非線性負(fù)荷設(shè)備大量涌入電力系統(tǒng)，導(dǎo)致電網(wǎng)中的諧波分量大大增加，電網(wǎng)波形畸變?nèi)遮厙?yán)重，對(duì)電力系統(tǒng)中的發(fā)變電設(shè)備、繼電保護(hù)裝置、通信設(shè)備和測(cè)量?jī)x器等造成了不同程度的危害。因此，實(shí)時(shí)可靠地監(jiān)測(cè)和分析電網(wǎng)及非線性用電設(shè)備的諧波，將有利于電能質(zhì)量的評(píng)估，為諧波污染的治理提供依據(jù)。

電力網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控儀廣泛用于變配電站、智能型配電盤/開關(guān)柜、智能建筑和能源管理系統(tǒng)中等，借助一定的通信規(guī)約，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的采集與控制。目前存在的電力參數(shù)測(cè)量?jī)x表多以專用測(cè)量芯片和DSP芯片為核心，但大多數(shù)專用測(cè)量芯片不具備測(cè)量諧波的功能，且移植性差,不利于擴(kuò)展和升級(jí)；高端的監(jiān)控儀集成了ADC+DSP+ARM結(jié)構(gòu)，雖測(cè)量精度大幅度提高，但增加了硬件成本和復(fù)雜度,不利于數(shù)字化監(jiān)控儀的推廣使用。本文所設(shè)計(jì)的電力網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控儀采用了高精度ADC與ARM結(jié)合的模式，利用LPC2138芯片的高性能多資源的特點(diǎn),實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)確度電量參數(shù)計(jì)量和實(shí)時(shí)諧波分析。ARM芯片具有高性價(jià)比、高可靠性和低功耗等特點(diǎn)，易于大范圍推廣使用。

數(shù)據(jù)采集模塊是保證諧波測(cè)量精度的基礎(chǔ)，本文在用FFT做諧波測(cè)量的工程應(yīng)用中對(duì)傳統(tǒng)電力網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控儀的數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行了改進(jìn)。文中采用6通道16 bit的高精度A/D轉(zhuǎn)換芯片CS5451,加入鎖相環(huán)頻率跟蹤電路，基于改進(jìn)的加窗插值FFT算法，使諧波分析的精度在工程應(yīng)用中大幅度提高。

1 加窗插值基-2FFT算法原理

主要的諧波分析檢測(cè)方法有快速傅里葉變換(FFT)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、奇異值分解、小波變換[3]等。其中FFT算法因計(jì)算高效性而在諧波分析中得到廣泛的應(yīng)用。

采用FFT算法進(jìn)行電力系統(tǒng)諧波分析時(shí)很難做到同步采樣和整數(shù)周期截?cái)?存在泄漏現(xiàn)象和柵欄效應(yīng)，使算出的信號(hào)參數(shù)不準(zhǔn)，尤其是相位誤差很大，無法滿足準(zhǔn)確的諧波測(cè)量要求。通過加窗插值算法可以消除柵欄效應(yīng)引起的誤差[5-7]，提高電力系統(tǒng)基波與各次諧波的分析精度。

在實(shí)際測(cè)量中應(yīng)用最多的窗是矩形窗、Hanning窗和Blackman窗。其中Hanning窗的窗口在邊界處平滑衰減到0，可有效減小諧波間泄漏，且幅值分辨率和頻率分辨率精度較高,因此本文選用Hanning窗。

Hanning窗的時(shí)域表達(dá)式為：

設(shè)在一段連續(xù)時(shí)間內(nèi)，對(duì)電壓（或電流）進(jìn)行均勻同步采樣得到采樣序列 x(n)，信號(hào) x(n)經(jīng)過 Hanning窗截?cái)酁镹點(diǎn)序列，即：

對(duì)上式進(jìn)行離散傅里葉變換(DFT)，得到x(n)的頻域顯示X(k)：

FFT運(yùn)算非常有規(guī)律，一般由兩部分構(gòu)成：二進(jìn)制倒序重排和三層嵌套循環(huán)完成M=log2N次迭代。三層循環(huán)的功能是：最里的一層循環(huán)完成相同因子的蝶形運(yùn)算；中間的一層循環(huán)完成因子的變化；而最外的一層循環(huán)則是完成M次迭代過程。

FFT算法流程圖如圖1所示。

2 數(shù)據(jù)處理模塊的硬件設(shè)計(jì)

DFT或FFT都是建立在同步采樣條件之上的，存在同步偏差時(shí)，基于DFT或FFT的諧波分析會(huì)產(chǎn)生同步誤差。減少或者消除同步誤差的方法是使用同步采樣技術(shù)。本文在系統(tǒng)中采用同步采樣環(huán)節(jié)，使采樣點(diǎn)均勻分布在電網(wǎng)的一個(gè)整周波內(nèi)，實(shí)現(xiàn)同步采樣。

目前同步采樣的實(shí)現(xiàn)方法主要有軟件同步采樣法和硬件同步采樣法兩種。但由于電網(wǎng)工頻信號(hào)的頻率并不穩(wěn)定，如果采用軟件定時(shí)來采樣，雖然采樣點(diǎn)之間的時(shí)間間隔相等，但因信號(hào)周期長(zhǎng)度的變化，使得每個(gè)周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)不固定，且不同周期的采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的相位也是隨機(jī)改變的。一個(gè)周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)越少，這個(gè)問題就越嚴(yán)重也就無法對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換。因此本文中采用硬件同步采樣法實(shí)現(xiàn)同步采樣。

圖1 FFT運(yùn)算流程圖

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電力網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控儀的硬件結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：電源板、主板、CPU板和液晶顯示模塊。如圖2所示。

電源板主要是實(shí)現(xiàn)由交流電到直流電的轉(zhuǎn)換，滿足不同器件所需的供電電壓；CPU板主要完成對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的電壓電流均值計(jì)算和諧波分析并完成相應(yīng)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存；主板采用鎖相環(huán)倍頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)交流同步采樣，并通過串口與上位機(jī)通信。本文重點(diǎn)介紹數(shù)據(jù)采集模塊的硬件設(shè)計(jì)。

本文設(shè)計(jì)利用鎖相環(huán)技術(shù)實(shí)現(xiàn)同步等間隔采樣，即硬件同步采樣法。硬件同步采樣法是采用鎖相環(huán)頻率倍增技術(shù)來控制采樣的定時(shí)和速率：鎖相環(huán)組成的倍頻器的輸出可以用作采樣脈沖，與待測(cè)信號(hào)保持同步，由此觸發(fā)A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行等間隔同步采樣。即可在每個(gè)信號(hào)周期內(nèi)，使輸出的脈沖間隔相等、個(gè)數(shù)固定，且在不同周期采樣對(duì)應(yīng)點(diǎn)的相位角相同，而脈沖信號(hào)之間的時(shí)間間隔隨輸入信號(hào)頻率的波動(dòng)而改變。

2.2 鎖相環(huán)頻率跟蹤電路

如圖3所示的電路是一典型的鎖相環(huán)頻率跟蹤電路。鎖相環(huán)路是一個(gè)相位反饋?zhàn)詣?dòng)控制系統(tǒng)。它由相位比較器、濾波器和振蕩器幾個(gè)基本部件組成。壓控振蕩器的輸出經(jīng)采集并分頻后，與輸入信號(hào)同時(shí)輸入相位比較器。相位比較器通過比較上述兩個(gè)信號(hào)的頻率差，然后輸出一個(gè)直流脈沖電壓，控制振蕩器，改變它的頻率，電路自動(dòng)跟蹤并鎖定，經(jīng)過一個(gè)很短的時(shí)間，振蕩器的輸出就會(huì)穩(wěn)定于某一期望值，達(dá)到鎖相狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)同步采樣。

目前，鎖相環(huán)集成芯片類型很多，本文中采用一款通用CMOS鎖相環(huán)集成芯片CD4046。為滿足數(shù)據(jù)采集模塊高精度的要求，本文采用16位6通道的A/D轉(zhuǎn)換器CS5451，同步采集三相電壓和三相電流值。

鎖相環(huán)同步采樣裝置用鎖相環(huán)路來控制采樣的定時(shí)和速率，從而達(dá)到同步采樣的目的，克服了其他同步方法中所存在的種種問題，且全部由硬件完成，速度快，實(shí)時(shí)性好。

3 數(shù)據(jù)處理單元的軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)過程中需要注意以下兩點(diǎn)：

(1)Hanning窗的主瓣半寬較大(為矩形窗的2倍)，對(duì)臨近一次諧波的泄漏十分嚴(yán)重，為了能完全分開基波和高次諧波，加Hanning窗的截取長(zhǎng)度至少應(yīng)為基波的兩個(gè)周期。

(2)FFT的結(jié)果不能直接用于插值運(yùn)算，需要先將FFT的結(jié)果進(jìn)行求模處理，以得到基波與各次諧波的系數(shù)。

將上述所描述的算法移植到ARM微處理器LPC2138中，程序編寫的大致流程為：(1)將采樣得到的序列進(jìn)行加Hanning窗截?cái)嗵幚恚玫揭唤M新的序列，設(shè)序列長(zhǎng)度為N=2n。(2)對(duì)加窗后的新序列進(jìn)行FFT變換。(3)對(duì)求模后的結(jié)果進(jìn)行單峰插值運(yùn)算。在得到基波與各次諧波的系數(shù)后，查找離散譜線頻點(diǎn)附近左右兩側(cè)幅值最大和次最大的譜線進(jìn)行插值運(yùn)算，從而得到基波與各次諧波的幅值、相角與頻率。具體的軟件流程如圖4所示。

4 鎖相環(huán)倍頻電路誤差分析

鎖相環(huán)技術(shù)是硬件同步采樣電路的基礎(chǔ)，保證了采樣信號(hào)與系統(tǒng)信號(hào)的嚴(yán)格同步。鎖相環(huán)電路其實(shí)是一個(gè)反饋控制系統(tǒng)，如圖5所示。

圖中fsys為系統(tǒng)信號(hào)基頻，fsample為采樣頻率。系統(tǒng)信號(hào)頻率是漸變波動(dòng)的，設(shè)fsys=at1(t)，則其拉氏變換為fsys(S)=a/S2。由圖可得反饋系統(tǒng)的誤差函數(shù)由拉氏變換終值定理得穩(wěn)態(tài)誤差為：

基于鎖相環(huán)的同步采集模塊采用六通道并行同步采樣的高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片，可大大提高交流電各種參數(shù)的測(cè)量精度。利用ARM片內(nèi)豐富的硬件資源和高速處理能力，植入嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，將諧波算法程序作為任務(wù)之一，使功能模塊化，易于功能的擴(kuò)展和軟件的升級(jí)，對(duì)同類儀器有一定的參考價(jià)值。

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