摘 要：本文設(shè)計(jì)了一種三相電壓電流諧波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)基于ARM9內(nèi)核處理器，擴(kuò)展外圍功能電路模塊，可以完成對(duì)三相電壓電流諧波等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)存儲(chǔ)、通信、人機(jī)交互等功能。文中討論了該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作原理和軟硬件結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)討論了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)及抗干擾措施。

關(guān)鍵詞：ARM9;諧波監(jiān)測(cè);傅里葉變換

Abstract: In this paper, an intelligent instrument is introduced for measuring 3-phase voltage, current and Harmonic. The System is based on the ARM9 processor core, the expansion of functional circuit modules enabled the Harmonic detection of power system working as an real-time monitoring device, at the same time the system will be capable of saving data and making communications between people and the device. The paper discusses the principles of the Harmonic detection of power system, hardware design and anti-interference are re-commended detailly in this paper.

Keywords: ARM9;harmonic detection; Fast Fourier Transform（FFT）

1 引言

　　隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，電力負(fù)荷急劇增大，對(duì)電力系統(tǒng)的污染越來(lái)越嚴(yán)重，而諧波含量則是目前電網(wǎng)中影響最為重要的一項(xiàng)指標(biāo)。這也對(duì)監(jiān)測(cè)電力系統(tǒng)運(yùn)行狀況的儀器設(shè)備提出了更高的要求。在我國(guó)傳統(tǒng)的電網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)測(cè)量和監(jiān)控系統(tǒng)中，大多使用8位單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于其運(yùn)算速度和處理數(shù)據(jù)能力的限制，越來(lái)越難以滿足目前電網(wǎng)監(jiān)測(cè)的需要。本文設(shè)計(jì)了一種基于arm9的三相電網(wǎng)電壓諧波監(jiān)測(cè)儀，它通過(guò)對(duì)三路電壓電流信號(hào)的測(cè)量，利用快速傅立葉變換算出諧波含量等電網(wǎng)參數(shù)，同時(shí)還具有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，與上位機(jī)通信、顯示及報(bào)警等功能。

2 諧波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理

　　由于電網(wǎng)中非線性器件的存在，電力傳輸線中的電流和電壓波形都會(huì)呈現(xiàn)非正弦性，出現(xiàn)波形的畸變。但在絕大多數(shù)情況下，畸變并不是任意的，多數(shù)畸變是周期性的，屬于諧波的范疇。也就是說(shuō)從整個(gè)過(guò)程來(lái)看，其波形變化緩慢并且?guī)缀趺總€(gè)周期都是一樣的。因此，可以認(rèn)為畸變的電壓、電流波形是非正弦的周期信號(hào)。

　　頻域分析中，利用傅立葉級(jí)數(shù)將畸變的電壓、電流信號(hào)分解成基波和一系列諧波的疊加
      

　　式中W———基波的角頻率，rad/s;

　　n———諧波次數(shù);

　　Un In———分別為第n次諧波的電壓和電流的均方根值;

　　αnβn———分別為第n次諧波電壓和電流的初相角;

　　N———所考慮的諧波的最高次數(shù)，由波形的畸變程度和分析的準(zhǔn)確性要求來(lái)決定。

　　但對(duì)于電網(wǎng)這種不規(guī)則的畸變波形無(wú)法表示成函數(shù)解析式后用傅里葉技術(shù)進(jìn)行計(jì)算。一般對(duì)該種波形的時(shí)間連續(xù)信號(hào)用采樣裝置進(jìn)行等間隔采樣，并把采樣值依次轉(zhuǎn)換成數(shù)字序列傳輸至處理器進(jìn)行快速諧波分析，離散傅里葉變換（DFT）的提出為傅里葉技術(shù)在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用鋪平了道路，但對(duì)于諧波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)而言直接進(jìn)行DFT計(jì)算量較大，難以保證監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，所以監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用了一種基于滑窗迭代思想的DFT快速檢測(cè)算法。

　　

　　式中：Ncur表示最新的采樣數(shù)據(jù)點(diǎn)，x（iτ）表示i個(gè)采樣周期前的采樣數(shù)據(jù)，最新的實(shí)時(shí)采樣數(shù)據(jù)參與負(fù)載電流監(jiān)測(cè)分析，而相應(yīng)地淘汰最老的采樣數(shù)據(jù)，加快了采樣數(shù)據(jù)的更新速度，提高了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

3 硬件結(jié)構(gòu)

　　諧波檢測(cè)系統(tǒng)硬件主要由電壓電流采集電路，信號(hào)調(diào)理電路，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，顯示及按鍵電路等組成。系統(tǒng)的處理器采用S3C2410，是一款基于ARM920T內(nèi)核的RISC嵌入式微處理器。ARM920T核由ARM9TDMI、存儲(chǔ)管理單元MMU和高速緩存三部分組成。其中，MMU可以管理虛擬內(nèi)存，高速緩存由獨(dú)立的16KB地址和16KB數(shù)據(jù)高速Cache組成。ARM920T有兩個(gè)內(nèi)部協(xié)處理器：CP14和CP15。CP14用于調(diào)試控制，CP15用于存儲(chǔ)系統(tǒng)控制以及測(cè)試控制。根據(jù)國(guó)家對(duì)諧波測(cè)量?jī)x器的要求，A級(jí)測(cè)量?jī)x器應(yīng)分析到50次諧波，根據(jù)采樣定理的要求，采樣頻率與被采樣信號(hào)頻譜中最高頻率的比值應(yīng)大于2，因此工頻周期采樣點(diǎn)數(shù)為256時(shí)，采樣頻率為640kHz。S3C2410的主頻能達(dá)到203MHz完全能夠滿足采集要求。而且能有一定的時(shí)間可以處理顯示和按鍵掃描等。硬件系統(tǒng)框圖如圖1：

　　3.1 電源電路設(shè)計(jì)

　　S3C2440A需要3.3V的和1.3V的兩路電源供電。圖中所示電路只為S3C2440A核心供電，獨(dú)立的設(shè)計(jì)，目的是為了保證系統(tǒng)的良好運(yùn)行。

　　3.2 信號(hào)的采集

　　信號(hào)的采集無(wú)論是對(duì)原始電網(wǎng)諧波分析,還是對(duì)電網(wǎng)的頻率等其他電能質(zhì)量參數(shù)的精確測(cè)量都十分關(guān)鍵。在監(jiān)測(cè)儀中采用精密電壓互感器,將輸入端電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為毫安級(jí)的電流信號(hào),經(jīng)過(guò)電阻取得電壓信號(hào)。此電壓信號(hào)經(jīng)多路選擇開(kāi)關(guān)后跟隨、放大,調(diào)理到A/D轉(zhuǎn)換器允許的電壓輸入范圍。

　　信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)的目的就是對(duì)從傳感器過(guò)來(lái)的信號(hào)進(jìn)行放大提升等處理后送進(jìn)ADC模塊。放大倍數(shù)可以通過(guò)變換電阻阻值來(lái)調(diào)整。下圖是信號(hào)調(diào)理電路原理圖。

　　多路開(kāi)關(guān)輸出的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)同步鎖相電路后接MCU的中斷引腳，使MCU可控制A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入信號(hào)保持同步采樣。由于電壓互感器的隔離作用，外部干擾不易對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生影響?？紤]到控制器主要關(guān)注的是電網(wǎng)諧波參數(shù)，在設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路時(shí)盡量避免使用電容，以免產(chǎn)生不必要的濾波和相移。

　　3.3 AD芯片的選擇

　　雖然S3C2440A自帶內(nèi)部AD，但精度只有10位，為滿足采集精度要求該監(jiān)測(cè)儀AD轉(zhuǎn)換芯片采用MAXIM公司的MAX125，它是一種八通道高速14位模數(shù)轉(zhuǎn)換器件，采用逐次逼近轉(zhuǎn)換技術(shù)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間為3μs。

4 軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)的軟件分為系統(tǒng)初始化、采樣轉(zhuǎn)換、FFT計(jì)算、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析存儲(chǔ)、時(shí)鐘讀寫(xiě)、人機(jī)交互以及和上位機(jī)的通信等幾個(gè)模塊?；暗鶧FT檢測(cè)方法實(shí)現(xiàn)流程圖如圖4所示。

　　本系統(tǒng)的信號(hào)采樣頻率為6.4k，即每個(gè)工頻周期采樣128點(diǎn)，然后進(jìn)行FFT計(jì)算，所得結(jié)果再根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)定參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析、存儲(chǔ)、顯示等操作，同時(shí)時(shí)刻監(jiān)測(cè)有無(wú)按鍵輸入和上位機(jī)命令請(qǐng)求。

　　由于嵌入式系統(tǒng)體積有限，存儲(chǔ)設(shè)備的容量有限不可能保存長(zhǎng)期的測(cè)量數(shù)據(jù)，所以可以通過(guò)將數(shù)據(jù)上傳至PC機(jī)大容量硬盤(pán)中的辦法保存歷史數(shù)據(jù)，然后利用上位機(jī)軟件對(duì)諧波數(shù)據(jù)進(jìn)行宏觀分析。

5 系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)

　　為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定工作，系統(tǒng)在硬件設(shè)計(jì)中采取以下抗干擾措施。

　?。?）給處理器電源加濾波電路，以減少電源噪聲對(duì)微處理器的干擾。

　?。?）對(duì)電路板進(jìn)行合理布局，數(shù)模分區(qū)，強(qiáng)電、弱電分區(qū)，將處理器盡可能遠(yuǎn)離開(kāi)關(guān)電源等強(qiáng)干擾源。

　?。?）在進(jìn)行DFT變換前，多采集幾組數(shù)據(jù)求平均值后在進(jìn)行計(jì)算，可以有濾除干擾的作用。

6 結(jié)束語(yǔ)

　　本文設(shè)計(jì)的三相電壓諧波監(jiān)測(cè)儀充分利用了32位arm9處理器的運(yùn)算速度快、處理數(shù)據(jù)能力強(qiáng)及片上資源豐富等優(yōu)點(diǎn)，合理進(jìn)行外圍電路擴(kuò)展，在系統(tǒng)硬件和軟件上采取了多項(xiàng)抗干擾措施，使該監(jiān)測(cè)儀完全能夠滿足對(duì)電力系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)監(jiān)測(cè)的實(shí)際需求，必將有著良好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

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