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1 引言 隨著我國經濟的迅速發展，電力負荷急劇增大，對電力系統的污染越來越嚴重，而諧波含量則是目前電網中影響最為重要的一項指標。這也對監測電力系統運行狀況的儀器設備提出了更高的要求。在我國傳統的電網運行參數測量和監控系統中，大多使用8位單片機來實現。由于其運算速度和處理數據能力的限制，越來越難以滿足目前電網監測的需要。本文設計了一種基于arm9的三相電網電壓諧波監測儀，它通過對三路電壓電流信號的測量，利用快速傅立葉變換算出諧波含量等電網參數，同時還具有監測數據統計分析，與上位機通信、顯示及報警等功能。 2 諧波監測系統原理 由于電網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呈現非正弦性，出現波形的畸變。但在絕大多數情況下，畸變并不是任意的，多數畸變是周期性的，屬于諧波的范疇。也就是說從整個過程來看，其波形變化緩慢并且幾乎每個周期都是一樣的。因此，可以認為畸變的電壓、電流波形是非正弦的周期信號。 頻域分析中，利用傅立葉級數將畸變的電壓、電流信號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; 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，由波形的畸變程度和分析的準確性要求來決定。 但對于電網這種不規則的畸變波形無法表示成函數解析式后用傅里葉技術進行計算。一般對該種波形的時間連續信號用采樣裝置進行等間隔采樣，并把采樣值依次轉換成數字序列傳輸至處理器進行快速諧波分析，離散傅里葉變換（DFT）的提出為傅里葉技術在計算機領域的應用鋪平了道路，但對于諧波監測系統而言直接進行DFT計算量較大，難以保證監測系統的實時性，所以監測系統采用了一種基于滑窗迭代思想的DFT快速檢測算法。 式中：Ncur表示最新的采樣數據點，x（iτ）表示i個采樣周期前的采樣數據，最新的實時采樣數據參與負載電流監測分析，而相應地淘汰最老的采樣數據，加快了采樣數據的更新速度，提高了監測系統的實時性。 3 硬件結構 諧波檢測系統硬件主要由電壓電流采集電路，信號調理電路，模數轉換電路，顯示及按鍵電路等組成。系統的處理器采用S3C2410，是一款基于ARM920T內核的RISC嵌入式微處理器。ARM920T核由ARM9TDMI、存儲管理單元MMU和高速緩存三部分組成。其中，MMU可以管理虛擬內存，高速緩存由獨立的16KB地址和16KB數據高速Cache組成。ARM920T有兩個內部協處理器：CP14和CP15。CP14用于調試控制，CP15用于存儲系統控制以及測試控制。根據國家對諧波測量儀器的要求，A級測量儀器應分析到50次諧波，根據采樣定理的要求，采樣頻率與被采樣信號頻譜中最高頻率的比值應大于2，因此工頻周期采樣點數為256時，采樣頻率為640kHz。S3C2410的主頻能達到203MHz完全能夠滿足采集要求。而且能有一定的時間可以處理顯示和按鍵掃描等。硬件系統框圖如圖1： 圖1 諧波檢測系統硬件框圖 3.1 電源電路設計 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，獨立的設計，目的是為了保證系統的良好運行。 圖2 電源電路 3.2 信號的采集 信號的采集無論是對原始電網諧波分析,還是對電網的頻率等其他電能質量參數的精確測量都十分關鍵。在監測儀中采用精密電壓互感器,將輸入端電壓信號轉化為毫安級的電流信號,經過電阻取得電壓信號。此電壓信號經多路選擇開關后跟隨、放大,調理到A/D轉換器允許的電壓輸入范圍。 信號調理電路設計的目的就是對從傳感器過來的信號進行放大提升等處理后送進ADC模塊。放大倍數可以通過變換電阻阻值來調整。下圖是信號調理電路原理圖。 圖3 信號調理電路 多路開關輸出的電壓信號經過同步鎖相電路后接MCU的中斷引腳，使MCU可控制A/D轉換器對輸入信號保持同步采樣。由于電壓互感器的隔離作用，外部干擾不易對系統內部產生影響。考慮到控制器主要關注的是電網諧波參數，在設計信號調理電路時盡量避免使用電容，以免產生不必要的濾波和相移。 3.3 AD芯片的選擇 雖然S3C2440A自帶內部AD，但精度只有10位，為滿足采集精度要求該監測儀AD轉換芯片采用MAXIM公司的MAX125，它是一種八通道高速14位模數轉換器件，采用逐次逼近轉換技術，模數轉換器的轉換時間為3μs。 4 軟件設計 系統的軟件分為系統初始化、采樣轉換、FFT計算、數據統計分析存儲、時鐘讀寫、人機交互以及和上位機的通信等幾個模塊。滑窗迭代DFT檢測方法實現流程圖如圖4所示。 圖4 諧波檢測程序流程圖 本系統的信號采樣頻率為*k，即每個工頻周期采樣128點，然后進行FFT計算，所得結果再根據系統的設定參數進行統計、分析、存儲、顯示等操作，同時時刻監測有無按鍵輸入和上位機命令請求。 由于嵌入式系統體積有限，存儲設備的容量有限不可能保存長期的測量數據，所以可以通過將數據上傳至PC機大容量硬盤中的辦法保存歷史數據，然后利用上位機軟件對諧波數據進行宏觀分析。 5 系統的抗干擾設計 為了保證系統的穩定工作，系統在硬件設計中采取以下抗干擾措施。 （1）給處理器電源加濾波電路，以減少電源噪聲對微處理器的干擾。 （2）對電路板進行合理布局，數模分區，強電、弱電分區，將處理器盡可能遠離開關電源等強干擾源。 （3）在進行DFT變換前，多采集幾組數據求平均值后在進行計算，可以有濾除干擾的作用。 6 結束語 本文設計的三相電壓諧波監測儀充分利用了32位arm9處理器的運算速度快、處理數據能力強及片上資源豐富等優點，合理進行外圍電路擴展，在系統硬件和軟件上采取了多項抗干擾措施，使該監測儀完全能夠滿足對電力系統各項參數監測的實際需求，必將有著良好的應用前景。 |
