多通道實(shí)時(shí)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

萬(wàn)海龍，趙春宇

(上海交通大學(xué)儀器工程系，上海 200240)

0 引言

電能質(zhì)量問(wèn)題是指在供電過(guò)程中導(dǎo)致電器設(shè)備出現(xiàn)誤動(dòng)作或者故障損壞的任何異?，F(xiàn)象(IEEE)。隨著計(jì)算機(jī)、電力電子和信息技術(shù)等高新產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和普及，電能質(zhì)量問(wèn)題逐漸被提升為一個(gè)愈來(lái)愈重要的議題。目前電能質(zhì)量引發(fā)的糾紛和設(shè)備事故呈上升趨勢(shì)，電能質(zhì)量的監(jiān)測(cè)管理和電力污染的治理工作變得越來(lái)越重要，相關(guān)應(yīng)用的設(shè)備和技術(shù)研究已成為近年來(lái)電力系統(tǒng)研究領(lǐng)域中新的研究熱點(diǎn)[1]。

電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)是收集、分析電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)原始測(cè)量數(shù)據(jù)，并將其測(cè)算成相應(yīng)電能質(zhì)量指標(biāo)結(jié)果的過(guò)程。建立完善的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量管理和改善都是十分重要的。文中根據(jù)IEC及國(guó)家關(guān)于電能監(jiān)測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)研制了以電壓/電流測(cè)量模塊為核心的多通道、實(shí)時(shí)電能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)用于基頻為50 Hz的電力系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)，可對(duì)我國(guó)電網(wǎng)的主要性能指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和記錄。

1 電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

電子工程師協(xié)會(huì)(IEEE)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)委員為“電能質(zhì)量”[2]這一概念做了明確定義：合格電能質(zhì)量的概念是指提供給敏感設(shè)備的電力和接地適合于該設(shè)備運(yùn)行。通俗來(lái)講，電能質(zhì)量一般是指電壓或電流的幅值，頻率，波形等參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)值的偏差。電能質(zhì)量問(wèn)題包括穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量和暫態(tài)電能質(zhì)量?jī)蓚€(gè)方面。傳統(tǒng)的電能質(zhì)量問(wèn)題都是基于系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)而言的，如三相不平衡、高次諧波等，經(jīng)過(guò)研究與努力，穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量有了相當(dāng)?shù)奶岣摺ｋS著工業(yè)自動(dòng)化和電力系統(tǒng)的深入發(fā)展，一方面。配電網(wǎng)中非線性負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)的電能質(zhì)量構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅；另一方面，配電網(wǎng)中如計(jì)算機(jī)等用電設(shè)備對(duì)系統(tǒng)干擾更加敏感．它們對(duì)電能質(zhì)量提出了高可靠性和高可控性的要求，因此，暫態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一。

結(jié)合IEEE-1159、GB/T19862—2005等國(guó)際國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)電能質(zhì)量的穩(wěn)態(tài)參數(shù)和暫態(tài)事件有著明確的定義，提供了相應(yīng)的測(cè)算標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)學(xué)模型或波形記錄規(guī)范。電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)設(shè)備需要按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行指標(biāo)性能測(cè)量，并記錄暫態(tài)電能質(zhì)量事故波形。系統(tǒng)支持測(cè)量的電網(wǎng)性能指標(biāo)如表1所示，除了囊括了主要的電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，還根據(jù)電網(wǎng)的應(yīng)用特性，增加了對(duì)電流和功率的測(cè)量。

表1 本系統(tǒng)支持測(cè)量的電網(wǎng)性能指標(biāo)

2 測(cè)量模塊的硬件設(shè)計(jì)

電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商對(duì)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)設(shè)備的應(yīng)用場(chǎng)景通常是這樣的：對(duì)某一位置的多個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓、電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并且一般會(huì)有多個(gè)節(jié)點(diǎn)的供電電壓一致但流經(jīng)電流不同。

根據(jù)這一場(chǎng)景，該電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，電壓和電流的測(cè)量模塊被設(shè)計(jì)成板卡單元。多個(gè)電壓和電流測(cè)量單元插在一塊底板上以協(xié)同工作。另外，底板上還插有一塊運(yùn)行ARM處理器的控制模塊，以實(shí)現(xiàn)配置系統(tǒng)信息、控制監(jiān)測(cè)狀態(tài)、收集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、提供人機(jī)交互等功能。在一個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，底板上最多可擴(kuò)展8塊電壓或電流測(cè)量單元。用戶(hù)可根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)際需求，選擇相應(yīng)的電壓和電流測(cè)量板卡的數(shù)目；通過(guò)控制板卡配置好板卡連接關(guān)系、電網(wǎng)三相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、電能質(zhì)量基準(zhǔn)值或限值等信息(統(tǒng)稱(chēng)為“用戶(hù)信息”)，即可進(jìn)行適配性地監(jiān)測(cè)工作。文中將側(cè)重介紹電壓/電流質(zhì)測(cè)量模塊的設(shè)計(jì)。

由傳感信號(hào)調(diào)理電路、A/D采樣電路和DSP組成的測(cè)量模塊其系統(tǒng)框圖如圖1所示。取決于該模塊用于采樣電壓還是采樣電流，圖中的信號(hào)調(diào)理電路和輔助電路會(huì)有細(xì)微差別。

圖1 測(cè)量模塊的系統(tǒng)框圖

2．1信號(hào)調(diào)理電路

需檢測(cè)的信號(hào)為高電壓(380 V，額定值)和大電流信號(hào)(5 A，額定值)，因此需采用信號(hào)變換單元將被測(cè)電氣信號(hào)按一定關(guān)系轉(zhuǎn)換到A/D允許的輸入范圍內(nèi)(0～5 V)。對(duì)于被測(cè)電壓信號(hào)，采用電阻分壓的方法進(jìn)行信號(hào)變換；對(duì)于電流信號(hào)的變換則采用電流互感器。使用運(yùn)算放大電路將信號(hào)幅值調(diào)理到適合A/D采樣的范圍。

由于是三相交變電壓、電流信號(hào)，信號(hào)調(diào)理電路實(shí)際上包含4路完全相同的(電壓或電流)信號(hào)變送單元。因?yàn)殡妷耗K還需測(cè)量中線電壓；電流模塊還需測(cè)量零線電流。

2．2A/D采樣電路

A/D采樣電路使用一片AD7655，它是4通道16位精度的ADC，具有兩個(gè)低噪音寬帶寬的跟蹤/保持放大器。通道采樣頻率可達(dá)1 MSPS，完全可以滿足采樣頻率的要求。同時(shí)，它能夠4路同時(shí)采樣，16位并行輸出，這既能滿足4路同時(shí)采樣的需要，又便于和緩沖存儲(chǔ)器連接。

電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)必須在電網(wǎng)參數(shù)受到擾動(dòng)、發(fā)生畸變的情況下測(cè)量故障事件下的電能質(zhì)量參數(shù)并記錄波形，在此情況下同步采樣的設(shè)計(jì)極易發(fā)生“失鎖”現(xiàn)象而導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常工作[4]。因此系統(tǒng)采用異步采樣的設(shè)計(jì)。按照IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)應(yīng)以每10個(gè)電網(wǎng)周波為一個(gè)測(cè)算周期，采樣2 048個(gè)點(diǎn)。以我國(guó)交變電基準(zhǔn)頻率50 Hz為參考，采樣頻率設(shè)為10 240 Hz．

A/D采樣電路的原理圖如圖2所示。通過(guò)一片CPLD芯片EPM240T100C5N實(shí)現(xiàn)，該芯片控制AD7655對(duì)4路信號(hào)逐次采樣、讀取采樣結(jié)果、并以ping-pang緩存的方式存儲(chǔ)在一片SRAM芯片中。SRAM的型號(hào)為IS61LV6416，具有16 bit數(shù)據(jù)寬度，64 K容量大小，足夠滿足存儲(chǔ)需求。在每個(gè)采用周期完成后，即采集了4路信號(hào)各2 048個(gè)點(diǎn)后，CPLD會(huì)通過(guò)SPI接口將采樣數(shù)據(jù)發(fā)送至DSP芯片進(jìn)行處理；由于采用ping-pang緩存的方式，A/D采樣和數(shù)據(jù)傳輸可以同時(shí)進(jìn)行而不相互沖突，保證了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

圖2 A/D采樣電路

2．3DSP處理模塊

文采用定點(diǎn)/浮點(diǎn)DSP芯片TMS320C6747。由于電能質(zhì)量參數(shù)的運(yùn)算以FFT算法為基礎(chǔ)，另外閃變計(jì)算要用到濾波器計(jì)算[5]，因此使用支持浮點(diǎn)的DSP能夠最大程度發(fā)揮其速度和精度的優(yōu)勢(shì)。TMS320C674x型DSP核同時(shí)兼具了浮點(diǎn)核TMS320C67x+和定點(diǎn)核TMS320C64x+的性能，因此兼容上述兩種浮點(diǎn)和定點(diǎn)的指令集。其中含有6個(gè)ALU單元，2個(gè)MFU單元，支持32位整型和混合精度浮點(diǎn)型(32位單精度和64位雙精度)的加法、乘法、倒數(shù)和開(kāi)方運(yùn)算。

該芯片內(nèi)置128 KB容量RAM，支持?jǐn)U展NOR、NAND、SDRAM等外部存儲(chǔ)設(shè)備。由于芯片提供強(qiáng)大的DMA功能，使得數(shù)據(jù)傳輸速度得以最大化。這一點(diǎn)對(duì)于文中的實(shí)時(shí)傳輸和處理設(shè)計(jì)起到了至關(guān)重要的作用。

DSP處理模塊與系統(tǒng)其它部分間的通信方式如下：

(1)I2C總線，控制模塊作為主設(shè)備向DSP處理模塊傳送指令和配置信息；

(2)SPI總線，DSP模塊間、DSP模塊和控制模塊間的數(shù)據(jù)傳輸，總線的仲裁由控制模塊控制底板上的門(mén)控電路實(shí)現(xiàn)。

3 測(cè)量模塊的軟件設(shè)計(jì)

多通道電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵在于相關(guān)聯(lián)的電壓測(cè)量模塊和電流測(cè)量模塊之間的協(xié)同處理，這要求每個(gè)模塊相互并行地快速運(yùn)算并及時(shí)地收發(fā)數(shù)據(jù)。

因此，DSP處理模塊的工作原理這樣的，在每個(gè)運(yùn)算周期：首先通過(guò)SPI+DMA方式獲得電壓或電流的采樣數(shù)據(jù)，運(yùn)算獲得有效值、諧波等數(shù)據(jù)，其中電壓測(cè)量模塊還會(huì)計(jì)算三相不平衡度、捕獲暫態(tài)事件；電壓測(cè)試模塊在運(yùn)算完成后，將原始采樣數(shù)據(jù)和處理結(jié)果發(fā)送至電流測(cè)量模塊；電流測(cè)量模塊計(jì)算功率，并記錄各種暫態(tài)事件的波形；最后，電流處理模塊通過(guò)I2C接口，將電能質(zhì)量指標(biāo)(包含事件波形)發(fā)送給控制板卡。另外，控制板卡控制整個(gè)測(cè)量工作的開(kāi)啟和結(jié)束，對(duì)系統(tǒng)總線進(jìn)行仲裁，并可以在任何時(shí)刻對(duì)電能質(zhì)量計(jì)算的用戶(hù)參數(shù)進(jìn)行配置。

軟件的設(shè)計(jì)基于Code Composer Studio開(kāi)發(fā)環(huán)境，系統(tǒng)的調(diào)試借助仿真器，調(diào)試完成后配置DSP通過(guò)NAND Flash自舉并編寫(xiě)了bootloader[6]。

以電壓測(cè)量模塊為例，其軟件流程圖如圖3所示。DSP上電后，首先進(jìn)行初始化配置，包括時(shí)鐘、存儲(chǔ)器接口、DMA通道、SPI和I2C通信端口、中斷源以及用于計(jì)算電能質(zhì)量的用戶(hù)參數(shù)信息。初始化結(jié)束后，DSP等待來(lái)自控制模塊的啟動(dòng)信號(hào)，接著為CPLD提供一個(gè)脈沖信號(hào)，啟動(dòng)A/D采樣電路開(kāi)始工作。在每個(gè)采樣周期里，DSP對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行初步計(jì)算，并在申請(qǐng)到SPI使用權(quán)限后，將原始采樣數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果發(fā)送至與之相關(guān)的電流測(cè)量模塊上。DSP還會(huì)在每個(gè)采樣周期里檢查控制模塊是否有更新用戶(hù)信息。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中設(shè)計(jì)了多通道實(shí)時(shí)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以模塊化的方式實(shí)現(xiàn)了其核心部分，即電壓/電流測(cè)量單元。系統(tǒng)充分發(fā)揮了TMS320C6747型DSP芯片外設(shè)資源豐富和高速浮點(diǎn)運(yùn)算的特點(diǎn)，并精密設(shè)計(jì)了模塊單元間協(xié)同通訊和處理的程序，較好地克服了電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)過(guò)程中的大量數(shù)據(jù)采集和處理的速度瓶頸。該系統(tǒng)能夠滿足當(dāng)前電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)的基本需求，并且可以根據(jù)電網(wǎng)的監(jiān)測(cè)場(chǎng)合進(jìn)行靈活地選擇測(cè)量節(jié)點(diǎn)數(shù)目和配置用戶(hù)信息，因此具有良好的應(yīng)用前景。

圖3 電壓測(cè)量模塊軟件流程圖

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：萬(wàn)海龍(1988-)，碩士研究生，研究方向?yàn)闇y(cè)試測(cè)量技術(shù)。E-mail：wanhailing07@163.com