基于ARM9的電網(wǎng)諧波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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：

圖1 諧波檢測(cè)系統(tǒng)硬件框圖