畸變信號(hào)條件下電能計(jì)量實(shí)驗(yàn)儀設(shè)計(jì)

張曉冰++鄭帥兵++車(chē)成弟++崔曉萌

摘要：針對(duì)目前電能計(jì)量存在的問(wèn)題，在研究畸變信號(hào)條件下電能計(jì)量新方法的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于DM3730的畸變信號(hào)條件下電能計(jì)量實(shí)驗(yàn)儀，驗(yàn)證了畸變信號(hào)條件下電能計(jì)量新方法的正確性.采用片上雙CPU架構(gòu)與片內(nèi)共享內(nèi)存數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)方法，搭建了硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，闡述了其工作原理.設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)儀的軟件系統(tǒng)，使用C編程實(shí)現(xiàn)小波分頻帶測(cè)量功率算法.最后在實(shí)驗(yàn)儀上對(duì)電網(wǎng)典型畸變信號(hào)進(jìn)行功率測(cè)量實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明畸變信號(hào)條件下電能計(jì)量實(shí)驗(yàn)儀的準(zhǔn)確度高及小波分頻帶測(cè)量算法的實(shí)時(shí)性好，為深入研究畸變信號(hào)條件下電能計(jì)量裝置提供了一定的參考價(jià)值.

關(guān)鍵詞：電能計(jì)量；DM3730；小波變換；畸變信號(hào)

DOI：10.15938/j.jhust.2015.05.015

中圖分類(lèi)號(hào)：TM744

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-2683（2015）05-0074-06

0 引言

隨著電網(wǎng)中非線(xiàn)性負(fù)載的迅速增加，電能質(zhì)量日趨惡化，這不僅嚴(yán)重影響電網(wǎng)安全高效的運(yùn)行，而且對(duì)經(jīng)典的電能計(jì)量理論、方法和儀表的設(shè)計(jì)都提出了新的挑戰(zhàn).在當(dāng)前電網(wǎng)信號(hào)嚴(yán)重畸變的現(xiàn)狀下，如何準(zhǔn)確合理地計(jì)量功率和電能已經(jīng)成為電氣測(cè)量技術(shù)及儀器儀表研究領(lǐng)域急需解決的問(wèn)題，解決這個(gè)問(wèn)題，既需要研究能真實(shí)反映非線(xiàn)性負(fù)載電能消耗及合理計(jì)量的新方法又需要研究工程上切實(shí)可行的硬件電路和軟件算法.

目前，諧波信號(hào)條件下電能計(jì)量方法研究及電能準(zhǔn)確合理計(jì)量?jī)x器研發(fā)都取得了很多成果，如湖北電力試驗(yàn)研究所研制開(kāi)發(fā)的FEE3型基波電能表利用低通濾波器實(shí)時(shí)衰減畸變信號(hào)中的諧波成分而只計(jì)其中的基波功率，從而使電能計(jì)量更趨合理.清華大學(xué)與河南新鄉(xiāng)電業(yè)局聯(lián)合研制的微機(jī)化采樣式電能表能夠同時(shí)測(cè)量基波電能與總電能，據(jù)此判斷用戶(hù)是線(xiàn)性還是非線(xiàn)性以及諧波水平，其準(zhǔn)確度為0.2級(jí).威勝公司最新開(kāi)發(fā)的0.2級(jí)諧波表DTSD341/DSSD331-9采用實(shí)時(shí)積分算法計(jì)算電能，同時(shí)通過(guò)FFT算法提供基波電能及諧波電能，并通過(guò)諧波電能的方向區(qū)分用戶(hù)是諧波源用戶(hù)還是非諧波源用戶(hù)，該表可為電力管理部門(mén)對(duì)用戶(hù)用電管理提供依據(jù).但是基波表、諧波表并不能解決沖擊信號(hào)等畸變信號(hào)條件下電能合理計(jì)量的問(wèn)題，因?yàn)橹C波模型并不能真實(shí)反映電網(wǎng)信號(hào)的實(shí)際情況，尤其是沖擊性負(fù)載等非線(xiàn)性負(fù)載產(chǎn)生的電壓、電流信號(hào)根本無(wú)法用諧波信號(hào)的數(shù)學(xué)模型來(lái)描述.

本文針對(duì)目前電能計(jì)量存在的問(wèn)題，在研究畸變信號(hào)條件下電能計(jì)量新方法的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了畸變信號(hào)條件下電能計(jì)量實(shí)驗(yàn)儀，驗(yàn)證了畸變信號(hào)條件下電能計(jì)量新方法的正確性.同時(shí)，本實(shí)驗(yàn)儀的設(shè)計(jì)為研發(fā)適用范圍更廣、計(jì)量更合理的畸變信號(hào)條件下電能計(jì)量?jī)x表提供了基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)和技術(shù)先導(dǎo).

1 實(shí)驗(yàn)儀的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了基于達(dá)芬奇平臺(tái)的畸變信號(hào)條件下電能計(jì)量實(shí)驗(yàn)儀，并采用小波分頻帶功率測(cè)量算法在實(shí)驗(yàn)儀上實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)典型畸變信號(hào)條件下電能的合理計(jì)量.

1.1 實(shí)驗(yàn)儀總體結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，選用TI的DM3730作為核心處理器，它內(nèi)部集成了1CH_z的Cortex-A8 ARM彈性?xún)?nèi)核以及800MHz的TMS320C64x+DSP內(nèi)核，這樣提高了實(shí)驗(yàn)儀的實(shí)時(shí)響應(yīng)能力與控制能力，實(shí)驗(yàn)儀內(nèi)設(shè)有模擬信號(hào)發(fā)生器，它采用數(shù)模混合原理設(shè)計(jì)，可以輸出各種典型電網(wǎng)信號(hào)，主控單元建立了ARM+DSP片上雙核的最小系統(tǒng)，同時(shí)根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行了外設(shè)擴(kuò)展，包括數(shù)據(jù)采集模塊、通信接口、存儲(chǔ)模塊以及人機(jī)交互界面模塊.

整個(gè)系統(tǒng)由ARM負(fù)責(zé)模擬電網(wǎng)信號(hào)的采集以及整個(gè)系統(tǒng)的控制管理.DSP負(fù)責(zé)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行電壓、電流有效值運(yùn)算及小波分解重構(gòu)等運(yùn)算.DSP與ARM之間通過(guò)DSPLINK和驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)通信.在外設(shè)模塊中，數(shù)據(jù)采集模塊主要采用AD7656實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)畸變信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換.通信接口采用UART與USB、RJ45以太網(wǎng)接口實(shí)現(xiàn)與外界的通信以及嵌入式系統(tǒng)的移植下載.存儲(chǔ)模塊用來(lái)存儲(chǔ)系統(tǒng)應(yīng)用程序及各項(xiàng)數(shù)據(jù)等.人機(jī)交互界面模塊采用帶有觸摸功能的LCD，可實(shí)現(xiàn)人機(jī)直接交互功能，無(wú)需設(shè)置功能按鍵.利用QT設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)儀顯示界面，可以顯示電網(wǎng)畸變信號(hào)經(jīng)小波分解重構(gòu)得到的基波信號(hào)和畸變信號(hào)的波形以及測(cè)量后的各項(xiàng)功率值.

1.2 模擬電網(wǎng)信號(hào)發(fā)生器

由于電網(wǎng)中存在太多的未知因素，不可能確知電網(wǎng)信號(hào)的具體成分，目前國(guó)家尚無(wú)畸變信號(hào)條件下電能計(jì)量的標(biāo)準(zhǔn)，更沒(méi)有畸變信號(hào)條件下電能計(jì)量的標(biāo)準(zhǔn)裝置可供校驗(yàn)和比對(duì).為了驗(yàn)證理論的正確性，本文設(shè)計(jì)了能夠模擬實(shí)際電網(wǎng)信號(hào)且理論上精確已知的畸變電網(wǎng)信號(hào)源.

該信號(hào)源能夠模擬典型的電網(wǎng)信號(hào)，通過(guò)它可確定待處理電網(wǎng)信號(hào)的具體成分，模擬電網(wǎng)信號(hào)發(fā)生器結(jié)構(gòu)如圖2所示.其中，i₁（t）、u₁（t）分別為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)正弦電流、電壓信號(hào)；i_a（t）、u_a（t）為模擬電網(wǎng)電流、電壓信號(hào).EEPROM中已存有數(shù)字正余弦、方波、三角波等函數(shù)表a（t），信號(hào)a（t）與u'₁（t）在數(shù)?；旌铣朔ㄆ髦邢喑嗽倥c信號(hào)u'₁（t）在加法器中相加得到了信號(hào)u'₂（t），若取樣電阻R=1Ω，則u'₂（t）為

當(dāng)a（t）取不同的信號(hào)時(shí)，i_a（t）、u_a（t）代表著不同的電網(wǎng)電流及電壓信號(hào).所以，此信號(hào)源可以模擬各種典型電網(wǎng)信號(hào).

2 實(shí)驗(yàn)儀的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)分為ARM子系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)和DSP子系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì).實(shí)驗(yàn)儀系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)層次如圖3所示.ARM子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面，應(yīng)用控制程序和系統(tǒng)的管理.DSP子系統(tǒng)通過(guò)DSPLINK接收來(lái)自ARM的數(shù)據(jù)信息，根據(jù)控制指令進(jìn)行電壓、電流的分解重構(gòu)運(yùn)算及功率值計(jì)算.

2.1 ARM軟件設(shè)計(jì)

ARM子系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)功能模塊如圖4所示，它主要由設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊、譯碼模塊和圖形界面模塊等幾個(gè)功能模塊組成.系統(tǒng)各模塊在Linux的統(tǒng)一控制管理下有效地協(xié)調(diào)工作.ARM處理器端主要是運(yùn)行Linux的操作系統(tǒng)，同時(shí)嵌入QT/Embedded圖形界面系統(tǒng).使用C++編程實(shí)現(xiàn)該圖形界面系統(tǒng)，通過(guò)圖形界面系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，最終顯示處理后的數(shù)據(jù)及波形.無(wú)需鍵盤(pán)和鼠標(biāo)，系統(tǒng)運(yùn)行后圖形界面的操作全部由觸摸屏完成.

2.2 DSP的軟件設(shè)計(jì)

2.2.1

DSP軟件算法

本文應(yīng)用小波分頻帶功率測(cè)量算法實(shí)現(xiàn)畸變信號(hào)條件下的電能的合理計(jì)量.由功率潮流分析的結(jié)果可得畸變信號(hào)條件下合理計(jì)量功率P為： 式中：P，為基波電壓與基波電流產(chǎn)生的功率；P_IS為基波電壓與畸變電流產(chǎn)生的功率；P_IS為畸變電壓與基波電流產(chǎn)生的功率.P_a為計(jì)量節(jié)點(diǎn)a處的實(shí)測(cè)功率；P_S為P_a中的畸變功率.

由式（5）可知，實(shí)現(xiàn)畸變信號(hào)下電能計(jì)量只需要分解與重構(gòu)畸變電流、畸變電壓信號(hào)，根據(jù)小波變換原理與各電網(wǎng)信號(hào)的具體情況，把不需要的小波系數(shù)置成零，這樣，就得到了重構(gòu)信號(hào)的小波系數(shù)，進(jìn)一步得到畸變信號(hào)u'_S（t）、i'_S（t）.

南初始采樣值可得

最后，利用式（5）計(jì)算出用戶(hù)合理計(jì)量的功率.

2.2.2 DSP軟件實(shí)現(xiàn)

實(shí)驗(yàn)儀的DSP核主要由DSP/BIOS操作系統(tǒng)控制，承擔(dān)的主要功能是與ARM端的數(shù)據(jù)傳遞、小波分頻帶功率測(cè)量算法的實(shí)現(xiàn)及各項(xiàng)功率值計(jì)算，它可以單獨(dú)驗(yàn)證某一階段算法的有效性，也可以一次性處理所有階段的驗(yàn)證.系統(tǒng)初始化后，ARM采集數(shù)據(jù)并發(fā)送給DSP時(shí)，ARM先將數(shù)據(jù)存放在共享內(nèi)存中，通過(guò)DSPLINK向DSP發(fā)出中斷，DSP收到中斷后開(kāi)始執(zhí)行程序，DSP從共享內(nèi)存中讀出數(shù)據(jù)進(jìn)行電壓、電流的小波分解與重構(gòu)運(yùn)算以及功率值計(jì)算.當(dāng)DSP進(jìn)行小波分頻帶功率測(cè)量算法后，會(huì)中斷ARM讀取處理后的數(shù)據(jù)結(jié)果.DSP主程序流程圖如圖5所示，

其中針對(duì)小波分頻帶算法，編寫(xiě)了電能計(jì)量算法函數(shù)庫(kù)，包括小波分解函數(shù)、小波重構(gòu)函數(shù)以及各個(gè)功率計(jì)量函數(shù)，以滿(mǎn)足不同畸變信號(hào)條件下的應(yīng)用要求.還編寫(xiě)了中斷處理函數(shù)、數(shù)據(jù)接收分類(lèi)處理等輔助函數(shù)，在進(jìn)行應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)時(shí)就可以直接調(diào)用電能計(jì)量控制函數(shù)庫(kù)中的函數(shù)，這樣使程序模塊化減少了重復(fù)編寫(xiě)代碼段的工作，同時(shí)增強(qiáng)了程序的可讀性與可移植性.

2.3 雙核間通信

基于DM3730處理器的雙核通信軟件系統(tǒng)調(diào)用由DSPLINK來(lái)完成，DSPLINK提供一套通用API，從應(yīng)用層抽象出ARM與DSP的物理連接特性，進(jìn)而降低用戶(hù)開(kāi)發(fā)的復(fù)雜度.

圖6 DSP/BIOS LINK的軟件體系結(jié)構(gòu)圖

DSP/BIOS LINK的軟件體系結(jié)構(gòu)圖如圖6所示，圖中在DSP端用DSP/BIOS來(lái)支持畸變信號(hào)條件下電能計(jì)量算法的運(yùn)行，在A(yíng)RM端OS用Linux來(lái)支持其對(duì)系統(tǒng)外設(shè)的管理.DSPLINK作為嵌入式Linux操作系統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，管理ARM端和DSP端應(yīng)用程序的交互，從而實(shí)現(xiàn)DSP核資源的管理和利用.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 直流、諧波和間諧波信號(hào)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

半導(dǎo)體整流信號(hào)中含有直流、諧波及問(wèn)諧波，調(diào)制信號(hào)a（t）為為階躍信號(hào)，

由模擬電網(wǎng)信號(hào)發(fā)生器輸出的半導(dǎo)體整流信號(hào)的電壓、電流信號(hào)如圖7中（a）、（d）所示.

在實(shí)驗(yàn)儀上進(jìn)行功率分解測(cè)量實(shí)驗(yàn)，圖7 rf，（b）、（e）是經(jīng)dB40小波分解重構(gòu)的基波電壓、電流信號(hào)，（c）、（f）為重構(gòu)的畸變電壓電流信號(hào)，根據(jù)重構(gòu)的信號(hào)計(jì)算各項(xiàng)功率值，結(jié)果如表l所爪.

表1結(jié)果表明在此硬件平臺(tái)上測(cè)量的各功率潮流方向與理論分析結(jié)果相同，驗(yàn)證了畸變信號(hào)條件下電能合理計(jì)量方法的正確性.同時(shí)，測(cè)試了C代碼實(shí)現(xiàn)功率分解測(cè)量算法的運(yùn)行時(shí)問(wèn)為2054μs，說(shuō)明該算法滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性的要求.

3.2 連續(xù)頻譜信號(hào)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

設(shè)a（t）為連續(xù)頻譜信號(hào)

其他其中t₀為a（t）出現(xiàn)的時(shí)刻，

在實(shí)驗(yàn)儀上對(duì)此電壓和電流信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得到各項(xiàng)功率值，圖8中（a）、（d）是由模擬電網(wǎng)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的連續(xù)畸變信號(hào)的電壓信號(hào)、電流信號(hào)；（b）、（e）是經(jīng)dB40小波分解重構(gòu)的基波電壓、電流信號(hào)，（c）、（f）為重構(gòu)的畸變電壓電流信號(hào)，根據(jù)重構(gòu)的信號(hào)計(jì)算各項(xiàng)功率值，結(jié)果如表2所示.

表2結(jié)果表明合理計(jì)量方法也適用于連續(xù)譜畸變信號(hào)的電能計(jì)量.同時(shí)，算法的執(zhí)行程序在硬件上的運(yùn)行時(shí)間為1902μs，算法能夠滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求.

4 結(jié)論

針對(duì)畸變信號(hào)條件下電能計(jì)量算法復(fù)雜度與實(shí)時(shí)性的要求，本文設(shè)計(jì)出一種以DSP與ARM雙核架構(gòu)的系統(tǒng)為中心的電能計(jì)量實(shí)驗(yàn)儀.搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)儀將給定的畸變信號(hào)運(yùn)用小波分解與重構(gòu)算法，測(cè)量其各個(gè)功率值并且與理論值進(jìn)行了比較，并記錄了軟件算法在實(shí)驗(yàn)儀的運(yùn)行時(shí)間，得到以下結(jié)論：

1）實(shí)驗(yàn)儀測(cè)量的各功率潮流方向與理論分析結(jié)果相同，功率測(cè)量的準(zhǔn)確度為10^-4～10^-3數(shù)量級(jí)，證明了畸變信號(hào)條件下電能計(jì)量方法的正確性和準(zhǔn)確性.

2）軟件算法在實(shí)驗(yàn)儀的運(yùn)行時(shí)間可以達(dá)到微秒級(jí)，說(shuō)明小波分頻帶功率測(cè)量算法能夠滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求.

3）本文將嵌入式技術(shù)應(yīng)用到電能計(jì)量實(shí)驗(yàn)儀中，提高了實(shí)驗(yàn)儀的系統(tǒng)穩(wěn)定性與移動(dòng)性，同時(shí)也方便后續(xù)系統(tǒng)的擴(kuò)展和升級(jí).