基于Android系統(tǒng)的電力諧波檢測(cè)儀*

劉真，孫彩堂，周逢道

（吉林大學(xué)儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院，長(zhǎng)春130026）

0 引 言

近年來(lái)，電力行業(yè)的發(fā)展極大的推動(dòng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)事業(yè)的發(fā)展，成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的強(qiáng)大動(dòng)力，但是隨著新型發(fā)電設(shè)備和用電設(shè)備廣泛應(yīng)用，不對(duì)稱(chēng)、沖擊性負(fù)載涌入電網(wǎng)，引起基波電壓、電流畸變，嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)安全運(yùn)行。

此外，高精密設(shè)備的廣泛應(yīng)用要求我國(guó)電力系統(tǒng)更安全、穩(wěn)定、可靠。在此環(huán)境下，加強(qiáng)我國(guó)電力系統(tǒng)電能質(zhì)量檢測(cè)，保證電力系統(tǒng)安全、平穩(wěn)運(yùn)行成為電力工作者新的重要研究課題。高效、準(zhǔn)確的分析諧波能夠?yàn)殡娏ο到y(tǒng)電能質(zhì)量改善治理提供技術(shù)支持，保障用電設(shè)備安全運(yùn)行。

國(guó)內(nèi)電能質(zhì)量檢測(cè)設(shè)備多采用DSP單CPU或DSP+ARM雙CPU控制模式［1-3］。該設(shè)計(jì)方案具有較高的檢測(cè)精度和較快的處理速度，但是不能完全脫離PC，在移植性，便攜性上存在不足。

本文基于Cortex-A9處理器設(shè)計(jì)的電力諧波檢測(cè)儀，具有功耗低，運(yùn)算速度快，擴(kuò)展能力強(qiáng)，方便系統(tǒng)移植等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)移植Android系統(tǒng)，檢測(cè)儀可完全脫離PC，獨(dú)立完成電力諧波信號(hào)檢測(cè)任務(wù)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)管理，波形繪制，電參數(shù)測(cè)量等功能。

1 電力諧波檢測(cè)算法

文中設(shè)計(jì)的電力諧波檢測(cè)儀主要實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)諧波檢測(cè)。目前諧波檢測(cè)最常用的方法有基于傅里葉變換的諧波檢測(cè)及其改進(jìn)方法［4］，基于小波變換的諧波檢測(cè)方法［5］，基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的諧波檢測(cè)方法［6］，基于改進(jìn) S變換的諧波檢測(cè)［7-9］等。基于小波變換可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)諧波信號(hào)的時(shí)頻檢測(cè)，但是在對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析和重構(gòu)過(guò)程中運(yùn)算復(fù)雜，計(jì)算量大，同時(shí)對(duì)頻率相近的諧波具有較差的分辨能力。S變換對(duì)分析電能擾動(dòng)具有明顯的效果，改進(jìn)的S變換引入可調(diào)因子實(shí)現(xiàn)對(duì)電力諧波檢測(cè)，但調(diào)節(jié)因子的選取并沒(méi)有合理的理論依據(jù)，不適合一般電力諧波檢測(cè)。瞬時(shí)無(wú)功功率理論的諧波檢測(cè)方法在工程中應(yīng)用廣泛，但此方法需要坐標(biāo)變換，且都需要低通濾波器［10］。FFT是目前絕大多數(shù)電力諧波檢測(cè)儀選取的諧波檢測(cè)算法，通過(guò)采用加窗方法對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行處理可減小頻譜泄漏造成的檢測(cè)誤差，提高檢測(cè)精度。

選用的窗函數(shù)是布萊克曼-哈里斯（Blackman-Harris）窗。該窗函數(shù)為四階全余弦窗函數(shù)，具有旁瓣小，衰減快，主瓣窄特點(diǎn)。表達(dá)式為：

式中n＝0，1，2，…，N-1；K＝3；a0＝0.358 75；a1＝0.488 29；a2＝0.141 28；a3＝0.011 68。

對(duì)信號(hào)進(jìn)行N次采樣，采樣頻率為fs，采樣信號(hào)的時(shí)域表示為x（t），信號(hào)離散化加窗處理后表示為：

對(duì)加窗后信號(hào)進(jìn)行離散傅里葉變換如下：

式中k＝0，1，2…，N-1；。

利用旋轉(zhuǎn)因子的對(duì)稱(chēng)性和周期性，對(duì)xN（n）按奇、偶分為兩組，變換得到：

2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

本設(shè)計(jì)選用某公司的Exynos4412為主控制器構(gòu)建電力諧波檢測(cè)儀，在Android操作系統(tǒng)下實(shí)現(xiàn)電能諧波檢測(cè)?；陔娏ο到y(tǒng)的實(shí)際要求，電力諧波檢測(cè)裝置要具有數(shù)據(jù)采集、處理、存儲(chǔ)、顯示等能力。

2.1 硬件系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

電力諧波檢測(cè)儀以Exynos4412為控制核心，外圍電路包括信號(hào)調(diào)理模塊，電源模塊，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，接口擴(kuò)展模塊，顯示模塊等。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)如圖1所示。主控制器控制模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)電壓、電流信號(hào)的同步采樣，對(duì)采集得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行加窗傅立葉諧波檢測(cè)，LCD完成結(jié)果顯示，SD卡或存儲(chǔ)設(shè)備完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，鍵盤(pán)觸摸屏完成人機(jī)交互，網(wǎng)絡(luò)接口完成系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展。

圖1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)Fig.1 System hardware design

2.2 嵌入式主控模塊

Exynos 4412是一款低功耗、性能高的微處理器，可移植Android操作系統(tǒng)，高速的數(shù)據(jù)處理能力和強(qiáng)大的接口擴(kuò)展能力為電力諧波檢測(cè)儀開(kāi)發(fā)提供了基礎(chǔ)。

2.3 采樣模塊設(shè)計(jì)

圖2為電力諧波檢測(cè)儀數(shù)據(jù)采集模塊原理圖。數(shù)據(jù)采集模塊由電壓／電流互感器、電流-電壓轉(zhuǎn)換電路、4階低通放大濾波電路，6通道16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器組成。電流-電壓轉(zhuǎn)換電路將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，4階低通濾波電路的信號(hào)截止頻率為3 200 Hz，放大倍數(shù)為3.9。最后雙極性信號(hào)傳送到AD芯片的輸入端。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

電力諧波檢測(cè)儀搭載Android操作系統(tǒng)。首先需要完成Android系統(tǒng)的裁剪移植，然后編寫(xiě)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，實(shí)現(xiàn)設(shè)備驅(qū)動(dòng)移植，最后在Eclipse軟件下開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序。

3.1 Android系統(tǒng)移植

本文在Windows系統(tǒng)下安裝VMWare虛擬機(jī)，將Ubuntu14.04安裝在虛擬機(jī)上，配合Windows下的開(kāi)發(fā)工具進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。然后進(jìn)行Bootloader移植，選擇U-boot作為系統(tǒng)開(kāi)機(jī)引導(dǎo)程序，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)儀硬件設(shè)備初始化，建立合適的系統(tǒng)軟硬件環(huán)境，為應(yīng)用程序調(diào)用系統(tǒng)內(nèi)核做好準(zhǔn)備。U-boot能夠支持多種體系結(jié)構(gòu)的處理器，在移植性方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。

圖2 電壓采樣模塊原理圖Fig.2 Principle diagram of voltage sampling module

3.2 Android系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

3.2.1 驅(qū)動(dòng)程序基礎(chǔ)

設(shè)備驅(qū)動(dòng)是連接硬件和應(yīng)用程序的橋梁，可直接對(duì)硬件設(shè)備寄存器進(jìn)行讀寫(xiě)操作，最終使通信設(shè)備能夠收發(fā)數(shù)據(jù)，顯示設(shè)備能夠顯示文字和畫(huà)面，存儲(chǔ)設(shè)備能夠記錄文件和數(shù)據(jù)。

本文為AD7606編寫(xiě)的驅(qū)動(dòng)程序?qū)儆谧址O(shè)備驅(qū)動(dòng)。AD芯片與ARM引腳直接相連，驅(qū)動(dòng)程序可對(duì)AD芯片引腳操作，為AD芯片提供控制信號(hào)。圖3為AD芯片驅(qū)動(dòng)工作原理圖。

圖3 ADC驅(qū)動(dòng)工作原理Fig.3 ADC driving principle

3.2.2 Android驅(qū)動(dòng)程序移植

在Ubuntu系統(tǒng)的用戶(hù)文件下存放安卓源碼，在源碼的 kernel／driver／char／ADC目錄下新建 Makefile，Kconfig以及AD7606.c三個(gè)文件，Makefile文件內(nèi)容為：obj-$（CONFIG_ADC_DRIVER）+＝AD7606.o，Kconfig文件中將“ADC_7606”的聲明設(shè)定為參數(shù)tristate，在AD7606.c文件中進(jìn)行AD驅(qū)動(dòng)程序編寫(xiě)。最后配置Menu config，編譯內(nèi)核。Menu config的配置界面如圖4所示，將ADC_7606配置為編譯成模塊，保存配置后再編譯內(nèi)核，在目錄 kernel／drivers／char／ADC下將會(huì)生成模塊文件AD7606.ko。將新生成的AD7606.ko文件拷貝到SD卡，并mount到mnt目錄下，在串口終端任意目錄下執(zhí)行如下指令insmod／mnt／AD7606.ko即可動(dòng)態(tài)加載驅(qū)動(dòng)。

圖4 ADC驅(qū)動(dòng)配置界面Fig.4 ADC driving configuration interface

AD7606為6通道16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可選用并行數(shù)據(jù)傳輸和SPI串行數(shù)據(jù)傳輸模式。本設(shè)計(jì)選用SPI串行數(shù)據(jù)傳輸模式。AD驅(qū)動(dòng)可以通過(guò)控制AD引腳控制采樣開(kāi)始，AD芯片完成一次轉(zhuǎn)換后CS引腳由高電平變?yōu)榈碗娖?，觸發(fā)ARM中斷，ARM中斷處理函數(shù)開(kāi)始讀取AD采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)讀取采用SPI主從模式，讀時(shí)鐘由ARM產(chǎn)生。ARM在接收到數(shù)據(jù)后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，完成諧波分析。

4 諧波檢測(cè)軟件設(shè)計(jì)

4.1 上位機(jī)軟件總體設(shè)計(jì)

在Android系統(tǒng)下，應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)是針對(duì)內(nèi)核和驅(qū)動(dòng)而言的，根據(jù)裝置的檢測(cè)要求，本系統(tǒng)選用e-clipse工具開(kāi)發(fā)基于Android操作系統(tǒng)的電力諧波檢測(cè)軟件。軟件功能結(jié)構(gòu)如圖5所示。上位機(jī)軟件完成電力諧波數(shù)據(jù)檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)諧波分析；將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到SD卡或者USB存儲(chǔ)設(shè)備；通過(guò)第三方圖形顯示控件A chart engine完成三相電壓／電流波形繪制。

圖5 軟件功能結(jié)構(gòu)框圖Fig.5 Block diagram of software function structure

4.2 主程序設(shè)計(jì)

圖6為主程序流程圖。主程序開(kāi)啟后，打開(kāi)驅(qū)動(dòng)文件，并開(kāi)始采集數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集模塊將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后通過(guò)數(shù)據(jù)總線(xiàn)傳送給ARM，ARM數(shù)據(jù)處理程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行加窗傅里葉變換處理，完成電力諧波參數(shù)計(jì)算?？蓪⒂?jì)算得到的三相電能參數(shù)顯示在顯示屏上，同時(shí)可繪制三相電壓／電流波形。檢測(cè)儀還可以完成對(duì)信號(hào)的存儲(chǔ)和查詢(xún)功能。

圖6 主程序流程圖Fig.6 Main program flow chart

5 實(shí)驗(yàn)效果和結(jié)論

所設(shè)計(jì)的高性能、低功耗的嵌入式電力諧波檢測(cè)儀，以Cortex-A9平臺(tái)搭載Android操作系統(tǒng)對(duì)電能信號(hào)進(jìn)行電參數(shù)測(cè)量、數(shù)據(jù)管理、波形顯示。

實(shí)驗(yàn)選用三相交流程控標(biāo)準(zhǔn)源，標(biāo)準(zhǔn)源輸出信號(hào)額定電流為2 A，額定電壓為220 V，額定頻率為50 Hz，設(shè)置 3、7、11、13、17次諧波電壓含有率均為 1%，諧波電流含有率均為3%。采用本文設(shè)計(jì)的電力諧波檢測(cè)儀對(duì)上述標(biāo)準(zhǔn)源輸出信號(hào)進(jìn)行一次檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果界面如圖7、圖8所示。圖7為電參數(shù)檢測(cè)結(jié)果界面，圖8為波形繪制界面。

圖7 電參數(shù)檢測(cè)結(jié)果界面Fig.7 Test results interface of electrical parameter

圖8 波形繪制界面Fig.8 Waveform drawing interface

為進(jìn)一步驗(yàn)證檢測(cè)儀檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性，選取Fluke435作為標(biāo)準(zhǔn)表，F(xiàn)luke435與本檢測(cè)儀分別對(duì)標(biāo)準(zhǔn)源輸出信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，經(jīng)十次測(cè)量取平均值，檢測(cè)結(jié)果如表1、表2所示。經(jīng)過(guò)表1、表2分析，本檢測(cè)儀諧波電流含有率、諧波電壓含有率測(cè)試結(jié)果與Fluke諧波電流含有率、諧波電壓含有率測(cè)試結(jié)果相對(duì)誤差分別控制在10%和25%以?xún)?nèi)，說(shuō)明本檢測(cè)儀具有較高的檢測(cè)精度，滿(mǎn)足電力諧波檢測(cè)要求。

表1 諧波電流含有率測(cè)試結(jié)果Tab.1 Harmonic current rate test results

表2 諧波電壓含有率測(cè)試結(jié)果Tab.2 Harmonic voltage rate test results

6 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)電力諧波檢測(cè)要求，設(shè)計(jì)了一款基于Android操作系統(tǒng)的電力諧波檢測(cè)儀，實(shí)現(xiàn)了電力諧波的檢測(cè)分析功能，對(duì)所構(gòu)造的諧波檢測(cè)儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)比對(duì)，結(jié)果表明該檢測(cè)儀具有一定的檢測(cè)精度。