基于DSP+ARM的分布式電源遠(yuǎn)程監(jiān)控裝置設(shè)計(jì)＊

李 鵬，張韶珍，唐金鳳，劉鳳雛

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司韶關(guān)供電局，廣東韶關(guān)512028）

1 引言

隨著國家大力推進(jìn)新能源的發(fā)展，電力電子技術(shù)在配電系統(tǒng)中獲得迅猛發(fā)展，其主要以分布式電源的形式呈現(xiàn)，而分布式電源具有波動(dòng)性、間歇性、離散型的特征，會造成電壓偏差與電壓波動(dòng)、三相不平衡以及諧波電流等方面的電能質(zhì)量問題，加之能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢下的大數(shù)據(jù)分析是對電能量數(shù)據(jù)有需求的，亟需加強(qiáng)對分布式電源的工作情況進(jìn)行有效的監(jiān)控，并對電能量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理［1-4］。針對上述問題，文獻(xiàn)［5］提出的基于CISC單片機(jī)的光伏電站智能監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)夥臏囟?、光照?qiáng)度、發(fā)電量進(jìn)行監(jiān)控、報(bào)警，具有較高的準(zhǔn)確性和高效性，但功能簡單難以滿足日趨復(fù)雜的監(jiān)控要求。文獻(xiàn)［6］設(shè)計(jì)了一套基于GPRS的分布式電源監(jiān)控子站系統(tǒng)，其僅對電流、電壓、開關(guān)量等信息進(jìn)行采集，并未對采集到的信息作進(jìn)一步的處理，未能給出較為詳細(xì)、有用的信息進(jìn)行分布式電源的協(xié)調(diào)控制，同時(shí)DSP主處理器的性能未能充分得到應(yīng)用。文獻(xiàn)［7］設(shè)計(jì)的分布式電源監(jiān)控系統(tǒng)未結(jié)合實(shí)際需求考慮，功能冗余，硬件、軟件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、對主站系統(tǒng)的的軟硬件要求較高，性價(jià)比不高。本文提出了一種分布式電源遠(yuǎn)程監(jiān)控裝置的設(shè)計(jì)方案，通過對分布式電源的監(jiān)測和協(xié)調(diào)控制，一方面可實(shí)現(xiàn)對分布式電源的有序利用及電能量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確獲取，另一方面可用于配網(wǎng)電能質(zhì)量的協(xié)調(diào)治理，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的安全、可靠運(yùn)行。

2 分布式電源遠(yuǎn)程監(jiān)控裝置的組成和工作原理

2.1 裝置組成

分布式電源遠(yuǎn)程監(jiān)控裝置需要完成一系列的計(jì)算任務(wù)，包括各種電能質(zhì)量和環(huán)境量數(shù)據(jù)的采集，諧波測量需要快速傅里葉變換（FFT），支持載波、Zig-Bee、3G和WiFi通信，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)與用戶的智能交互等功能?？紤]到成本、功耗與計(jì)算能力的平衡，本設(shè)計(jì)采用DSP芯片與ARM芯片結(jié)合的雙處理器架構(gòu)。

DSP芯片采用TMS320F28335芯片，既負(fù)責(zé)電能質(zhì)量和環(huán)境量數(shù)據(jù)的采集，也負(fù)責(zé)進(jìn)行上行通信和下行通信，還包括對分布式電源接入電網(wǎng)進(jìn)行操作控制。

ARM芯片采用ARM920T，配合LCD高清觸摸屏，負(fù)責(zé)提供友好界面，與用戶進(jìn)行交互。

DSP芯片與ARM芯片結(jié)合的雙處理器架構(gòu)，其總體的框圖如圖1所示。

2.2 工作原理

分布式電源遠(yuǎn)程監(jiān)控裝置實(shí)現(xiàn)的功能主要包括各基本電量和環(huán)境量的測量、電能質(zhì)量檢測，支持多種通信方式，能快速安全地開斷用電器，另外光伏接入的分布式電源遠(yuǎn)程監(jiān)控裝置還要求具備連續(xù)控制分布式光伏的能力。

圖1 裝置整體框架

圖2 DSP及其電源電路

在工作時(shí)，裝置通過各種互感器將線路的電壓、電流、環(huán)境信號轉(zhuǎn)換成電子電路可以處理的電平信號，信號放大與A/D轉(zhuǎn)換后經(jīng)隔離電路送至DSP處理，DSP將三相電壓、電流信號做FFT、正負(fù)序分解后得到所需電能質(zhì)量數(shù)據(jù)與環(huán)境數(shù)據(jù)，將其一同經(jīng)ZigBee/電力載波上傳，同時(shí)也將數(shù)據(jù)傳輸?shù)紸RM用于顯示，ARM可通過3G/WiFi模塊與后臺進(jìn)行數(shù)據(jù)交流獲得調(diào)度后臺指令命令至繼電器，來控制分布式電源的通斷?，F(xiàn)場也可通過觸控屏控制分布式電源，按鍵主要擴(kuò)展調(diào)試、復(fù)位、開關(guān)機(jī)等操作。

3 分布式電源遠(yuǎn)程監(jiān)控裝置主要部分硬件設(shè)計(jì)

整體框架DSP及其電源電路是核心區(qū)域，其電路設(shè)計(jì)如圖2所示。TMS320F28335芯片具有150MHz的高速處理能力，具備的高性能的32位浮點(diǎn)處理單元，使得其在進(jìn)行FFT等復(fù)雜數(shù)字計(jì)算的時(shí)間縮短了一半。同時(shí)以專用的電源芯片雙輸出低壓差穩(wěn)壓器TPS73HD301及濾波電容組成其電源電路，提供安全穩(wěn)定的3.3V核心電壓及1.8V接口電壓，可保證裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性。

圖3 電壓、電流信號測量接線及原理框圖

圖4 信號放大電路

圖5 A/D轉(zhuǎn)換電路

為準(zhǔn)確的采集電壓、電流信號，本設(shè)計(jì)通過采用電阻分壓測量電壓信號，分壓比例為1000：1，采用精密的錳銅合金貼片電阻為電流信號的采樣電阻（R005），獲取的電壓、電流信號值經(jīng)放大器INA129進(jìn)行放大后由AD7606數(shù)據(jù)采集芯片進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，AD7606內(nèi)置模擬輸入箝位保護(hù)、二階抗混疊濾波器、跟蹤保持放大器以及200kSPS高吞吐率可保證對輸入信號進(jìn)行高精度采樣。信號采集、放大、A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)分別如圖3、圖4、圖5所示。

隔離電路采用ADuM7642磁耦合隔離芯片，負(fù)責(zé)將信號采集及放大電路與其他數(shù)字電路進(jìn)行隔離，保證了低壓數(shù)字電路的安全性。其電路設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 隔離電路原理圖

電力載波通信及電源電路、ZigBee通信模塊分別負(fù)責(zé)分布式電源遠(yuǎn)程監(jiān)控裝置之間的低壓電力線載波通信和ZigBee通信，其電路設(shè)計(jì)如圖7、圖8所示。載波通信模塊ZPLC-10內(nèi)置隔離電路，通過自恢復(fù)保險(xiǎn)絲和壓敏電阻直接接到火線和零線上，與DSP之間通過串行通信（SCI）進(jìn)行通信；ZigBee通信模塊DRF1605H與DSP之間同樣通過串行通信（SCI）進(jìn)行通信；分布式電源遠(yuǎn)程監(jiān)控裝置裝置并聯(lián)接入電力線中，通過LD12-20B12電源模塊將220V交流電轉(zhuǎn)換成12V直流電，為分布式電源遠(yuǎn)程監(jiān)控裝置內(nèi)各器件供電。應(yīng)當(dāng)注意，為避免載波信號通過電源模塊耦合到低壓數(shù)字電路產(chǎn)生干擾，電源模塊的220V輸入側(cè)需串聯(lián)一個(gè)共軛電感以濾去高頻載波信號。

圖7 電力載波通信及電源電路原理圖

圖8 ZigBee通信模塊原理圖

3G部分和WiFi部分保證了裝置在每時(shí)每地都能以無線連接的方式與外網(wǎng)相連接，可以實(shí)時(shí)地把接地線的檢測狀態(tài)以及地理位置同步到云端服務(wù)器，此時(shí)手機(jī)、電腦可通過網(wǎng)絡(luò)訪問該服務(wù)器，獲取各個(gè)設(shè)備的狀態(tài)信息，可實(shí)現(xiàn)各設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控。ARM中WiFi模塊的電路設(shè)計(jì)如圖9所示。

圖9 ARM內(nèi)Wi-Fi模塊設(shè)計(jì)圖

4 電能質(zhì)量檢測算法設(shè)計(jì)

分布式電源遠(yuǎn)程監(jiān)控裝置需選取合適的能實(shí)時(shí)反映系統(tǒng)電壓和電流的檢測方法，檢測精度直接影響電能質(zhì)量的補(bǔ)償精度，同時(shí)還要考慮檢測算法的實(shí)時(shí)性和數(shù)字化處理難易程度。

TMS320F28335芯片開發(fā)了相應(yīng)的FFT庫函數(shù)，使用方便且經(jīng)過了算法優(yōu)化，在同等運(yùn)算下比直接使用C語言編寫出來的函數(shù)效率要高。FFT庫函數(shù)的輸入為一組采樣序列，輸出諧波頻域信息，具體包括各次諧波的幅值和相角，以及各次諧波的實(shí)部和虛部［8］。

本設(shè)計(jì)DSP采樣頻率為19.2kHZ，而FFT庫函數(shù)的輸入要求采樣序列數(shù)是2的整數(shù)次方，故對19.2kHZ的信號采用下采樣方式，使用線性插值方式將每三個(gè)點(diǎn)下采樣為兩個(gè)點(diǎn)，從而得到12.8kHZ的采樣輸入序列。即原一個(gè)工頻周期有384個(gè)采樣點(diǎn)，下采樣有256個(gè)點(diǎn)。

以余弦為基底，輸入一個(gè)N點(diǎn)離散采樣信號序列：

式中，n=0，1…，N-1。

輸出實(shí)部和虛部為：

輸出幅值和相角為：

使用FFT庫函數(shù)檢測諧波正負(fù)序分量的過程如下：

對采樣的三相物理量（電流或電壓）進(jìn)行Clark變換：

式（4）中，由于不再存在直流分量，因此下標(biāo)從1開始。對式（4）的Uα、Uβ分別進(jìn)行FFT變換，得到 Uα的實(shí)部 Uαreal和虛部 Uαimag，以及 Uβ的實(shí)部Uβreal和虛部 Uβimag，分別如式（5）、（6）所示：

根據(jù)式（5）、（6）則可以得到正序諧波分量的d軸直流分量U1d、q軸直流分量U1q，負(fù)序諧波分量d的軸直流分量U2d、q軸直流分量U2q：

式（7）、（8）可直接用于對應(yīng)坐標(biāo)軸下的 PI控制，同時(shí)也可使用相應(yīng)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的反變換得到abc靜止坐標(biāo)下各次諧波的正負(fù)序分量數(shù)值。

同時(shí)，軟件給出了DSP分析電能質(zhì)量算法的代碼設(shè)計(jì)過程（僅以電壓5次諧波為例）：

5 結(jié)束語

本文給出了分布式電源遠(yuǎn)程監(jiān)控裝置的設(shè)計(jì)方案，包括基于TMS320F28335與ARM920T雙核心的部分硬件和軟件設(shè)計(jì)。裝置能充分利用硬件性能，準(zhǔn)確獲取電能量數(shù)據(jù)及環(huán)境數(shù)據(jù)，同時(shí)數(shù)據(jù)上傳可用與配電網(wǎng)的運(yùn)行分析、協(xié)調(diào)治理，有線與無線通訊方式能夠保證對分布式電源遠(yuǎn)程監(jiān)控的可靠性，可加強(qiáng)對配網(wǎng)分布式電源的監(jiān)控與配網(wǎng)電能質(zhì)量的協(xié)調(diào)治理。