摘要：本研究的目的是設(shè)計(jì)一種嵌入式電能質(zhì)量分析儀。采用了ARM+DSP+FPGA的新型技術(shù)，加入了RS485接口、以太網(wǎng)接口，實(shí)現(xiàn)了儀器的遠(yuǎn)程通信。同時(shí)加入了USB接口和SD卡接口，可以實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的導(dǎo)入導(dǎo)出、存儲(chǔ)分析。本研究采用大尺寸LCD顯示、人機(jī)界面友好、明了。在軟件上采用了Linux系統(tǒng)，使得儀器更加智能化，同時(shí)也降低了軟件設(shè)計(jì)的難度。

0 引言

如今開展電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)、分析與控制己成為國家戰(zhàn)略發(fā)展的需要，在《國家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006—2020年)》中明確將“電能質(zhì)量檢測(cè)與控制技術(shù)”列為能源重點(diǎn)領(lǐng)域的優(yōu)先主題內(nèi)容，要求有效開展大功率電力電子技術(shù)應(yīng)用、實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量控制等。

本研究將電能質(zhì)量分析儀和電能質(zhì)量管理系統(tǒng)配合，構(gòu)成較完整的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)、分析、管理系統(tǒng)。本研究實(shí)時(shí)采集電能質(zhì)量指標(biāo)，對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量、記錄、監(jiān)控以及分析，并可通過RS485或以太網(wǎng)，將數(shù)據(jù)傳送至電能質(zhì)量管理系統(tǒng)，從而使電能質(zhì)量管理系統(tǒng)對(duì)電能質(zhì)量監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析、顯示、存儲(chǔ)或者打印報(bào)表等。

1 電能質(zhì)量分析儀及其關(guān)鍵技術(shù)

1.1 電能質(zhì)量定義

電能質(zhì)量通常是指電網(wǎng)供給用電設(shè)備的電能的電壓或電流的幅度、頻率、波形等主要參數(shù)與電網(wǎng)給出的標(biāo)準(zhǔn)值之間的偏差。我國目前給出了六個(gè)電能質(zhì)量有關(guān)的單項(xiàng)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，分別是：

電網(wǎng)電壓允許偏差標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 12352—1990)：

電網(wǎng)頻率允許偏差標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 15945—1995);

三相電壓不平衡度允許標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 15543-1995 );

電網(wǎng)諧波允許標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 14543-1993);

電壓波動(dòng)和閃變?cè)试S標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 12326-1990及GB/T 12326—2000);

暫時(shí)過電壓和瞬態(tài)過電壓允許標(biāo)準(zhǔn)(GB/T18481—2001)。

1.2 電能質(zhì)量分析儀的軟件組成

電能質(zhì)量分析儀的軟件設(shè)計(jì)主要是GUI(人機(jī)交互界面)部分和數(shù)據(jù)處理部分，軟件部分的框圖如圖1所示。

其中左側(cè)為ARM端軟件，右側(cè)為DSP端軟件，圖中陰影部分是本論文的主要工作，同時(shí)也是整個(gè)軟件設(shè)計(jì)部分的主要工作，包括ARM端的GUI設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析程序設(shè)計(jì);DSP端的數(shù)據(jù)處理程序。

數(shù)據(jù)分析儀中的數(shù)據(jù)處理流程如圖2所示。

主要的數(shù)據(jù)路徑是從模擬信號(hào)輸入后進(jìn)行放大、濾波等調(diào)理后進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，然后傳送到DSP齲進(jìn)行相應(yīng)的處理后，送入ARM處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，然后送入GUI顯示，提供給使用者。

DSP端的數(shù)據(jù)處理軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1.3 硬件系統(tǒng)介紹

硬件部分的大概結(jié)構(gòu)如圖4所示。

整個(gè)硬件系統(tǒng)的構(gòu)成大概可以分為模擬信號(hào)處理、采樣系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理及用戶交互系統(tǒng)三部分，其中模擬信號(hào)處理部分主要是將需要采集的信號(hào)處理成AD芯片可以量化的電平范圍，模擬處理部分的最前端是互感器，通過采用不同的互感器，可以將高壓轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛪航涣麟姡部梢詫㈦娏餍盘?hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛪航蛔冸妷?，然后通過信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行衰減或者放大處理后轉(zhuǎn)變?yōu)楹线m的電壓值，通常情況下模擬信號(hào)調(diào)理部分也加入了濾波電路，將高與奈奎斯特采樣頻率的信號(hào)濾除，避免AD采樣發(fā)生混疊。

采樣部分由FPGA、AD及觸發(fā)電路組成，因?yàn)橐话闱闆r下儀器的處理過程都是先采樣，然后進(jìn)行處理，然后再采樣，這樣不斷重復(fù)，所以通常情況下都會(huì)設(shè)定一定的觸發(fā)條件，在滿足觸發(fā)條件的情況下啟動(dòng)采樣。觸發(fā)電路也可以設(shè)定故障采樣模式，例如在電壓高于閥值的情況下及時(shí)采樣，避免漏掉故障信號(hào)。而且加入觸發(fā)鎖相功能可以實(shí)現(xiàn)不同相電壓、電壓與電流、不同采樣時(shí)間內(nèi)的相位鎖定。該部分實(shí)現(xiàn)對(duì)三相電壓、三相電流共6路信號(hào)進(jìn)行同步采樣并存入FPGA的內(nèi)部緩沖區(qū)供處理器訪問。

2 主界面及數(shù)據(jù)處理設(shè)計(jì)

2.1 主界面設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本分析儀主要包含測(cè)量、監(jiān)視、記錄、儲(chǔ)存這幾種功能，同時(shí)主界面還需要加入系統(tǒng)設(shè)定和相關(guān)信息，所以設(shè)計(jì)了如圖5的主界面。

在界面的最上端，建立了一個(gè)工具條作為標(biāo)題欄，最左邊是一個(gè)文本框，里面顯示當(dāng)前界面的功能名稱，在這里是“main menu”，文本框右側(cè)是2個(gè)標(biāo)簽，左邊的標(biāo)簽顯示的是日期，右邊的標(biāo)簽顯示的是系統(tǒng)時(shí)間，當(dāng)時(shí)間顯示錯(cuò)誤時(shí)可以在系統(tǒng)設(shè)置里面可以對(duì)日期和時(shí)間進(jìn)行調(diào)整。在界面的下端建立了一個(gè)工具條作為導(dǎo)航欄，用來放置功能按鈕，在主菜單里只需要一個(gè)退出按鈕用來關(guān)閉程序。上下界面之間是主要信息顯示區(qū)，在主界面里顯示的是系統(tǒng)具有的功能，通過點(diǎn)擊相應(yīng)的圖標(biāo)即可打開相應(yīng)的功能界面。

2.2 數(shù)據(jù)處理設(shè)計(jì)

2.2.1 RMS測(cè)量數(shù)據(jù)

RMS測(cè)量功能包含三相電壓有效值Vrms、峰值Vpk、峰值系數(shù)Vcf的測(cè)量;三相電流與和電流有效值A(chǔ)rms、峰值A(chǔ)pk、峰值系數(shù)Acf的測(cè)量;三相與和功率有功功率P、無功功率Q、視在功率S、功率因數(shù)PF、位移功率因數(shù)DPF、頻率。

(1)電壓參數(shù)測(cè)量。電壓參數(shù)測(cè)量功能的輸入信號(hào)是3相線電壓AD采樣：vol_A，vol_B，vol_C，輸出是三路采樣的Vrms值，Vpk值，還有Vcf值。其中Vpk值是尋找所有采樣點(diǎn)中絕對(duì)值值最大的采樣點(diǎn)的絕對(duì)值。Vrms是通過公式

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