可用于檢測(cè)單相或三相交流供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量檢測(cè)分析

一、項(xiàng)目概述

1.1 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的蓬勃發(fā)展，基于大功率電力電子開關(guān)設(shè)備的普及及應(yīng)用，使得電力網(wǎng)中的非線性設(shè)備及電力負(fù)荷大量增加，同時(shí)由于為了提高系統(tǒng)效益而不斷地采用電子裝置，這些現(xiàn)象所帶來的各種電能質(zhì)量問題已日益突出。特別是沖擊性和非線性負(fù)荷容量的不斷增長，使得電網(wǎng)發(fā)生波形畸變和三相不平衡等電能質(zhì)量問題，嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)和電力用戶供用電設(shè)備的安全運(yùn)行。

電能質(zhì)量的優(yōu)劣將直接影響整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，已經(jīng)引起了各國電力工作者的高度重視。電能質(zhì)量所帶來的問題和其他環(huán)境問題一樣成為公害，電能質(zhì)量的檢測(cè)分析和質(zhì)量控制越來越引起電力供應(yīng)企業(yè)和電力用戶的關(guān)注。電能質(zhì)量的問題取決于供電和用電方，要提高電網(wǎng)的電能質(zhì)量水平，使用戶用上優(yōu)質(zhì)的電能，同時(shí)也為了電力設(shè)備的安全運(yùn)行，必須由電力部門和接入電網(wǎng)的廣大電力用戶來共同維護(hù)。為了切實(shí)維護(hù)電力部門和用戶的利益，保證電網(wǎng)的安全運(yùn)行，凈化電氣環(huán)境，必須加強(qiáng)電力系統(tǒng)電網(wǎng)電能質(zhì)量的檢測(cè)和管理。

1.2 項(xiàng)目背景/選題動(dòng)機(jī)

電能質(zhì)量越來越引起電力企業(yè)與用戶的關(guān)注，如何準(zhǔn)確的評(píng)定電能質(zhì)量的好壞，如何可靠的檢測(cè)電能質(zhì)量參數(shù)，已成為電能質(zhì)量研究中必要的一環(huán)。研究電能質(zhì)量并制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，是評(píng)定電能質(zhì)量以及電力技術(shù)工作者選用補(bǔ)償方法、裝置和技術(shù)措施的依據(jù)。

目前在國際上主要有兩大電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)體系，分別是IEEE標(biāo)準(zhǔn)和IEC標(biāo)準(zhǔn)，我國在參考這些電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合自己國家的國情，制定出自己的電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。我國電能質(zhì)量有5項(xiàng)指標(biāo):電壓偏差，頻率偏差，諧波，電壓波動(dòng)和閃變，三相電壓不平衡度，這些標(biāo)準(zhǔn)分別為：

《電能質(zhì)量 供電電壓允許偏差》(GB12325)

《電能質(zhì)量 電力系統(tǒng)頻率允許偏差》(GB/T 15945)

《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》(GB/T 14549)

《電能質(zhì)量 供電電壓允許波動(dòng)閃變》(GB12326)

《電能質(zhì)量 三相電壓允許不平衡度》(GB/T 15543)

與這些標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)的測(cè)試應(yīng)用范圍廣闊，工作方式和測(cè)試項(xiàng)目也比較多。這些測(cè)試要求同其他的自動(dòng)化系統(tǒng)相比具有一定挑戰(zhàn)性，電力應(yīng)用決定了它是一個(gè)高速和實(shí)時(shí)性的應(yīng)用，連續(xù)的測(cè)試分析統(tǒng)計(jì)又需要大的數(shù)據(jù)吞吐量，而作為測(cè)試分析設(shè)備或儀器又對(duì)分辨率和精度有較高要求。

為了滿足電能質(zhì)量的檢測(cè)需求，有關(guān)電能質(zhì)量檢測(cè)和分析設(shè)備的研制開發(fā)一直都在進(jìn)行中。國內(nèi)外采取了許多先進(jìn)的軟、硬件技術(shù)以及數(shù)學(xué)仿真方法，涌現(xiàn)了許多研究成果和相應(yīng)的產(chǎn)品。目前電能質(zhì)量研究分析的方法主要有：時(shí)域仿真方法、頻域分析方法和基于變換方法；這些實(shí)現(xiàn)有基于微處理器開發(fā)的嵌入式系統(tǒng)，也有運(yùn)行于計(jì)算機(jī)上的基于各種高級(jí)編程語言開發(fā)的軟件系統(tǒng)。其中，嵌入式的電能質(zhì)量在線檢測(cè)儀，由于其抗干擾能力強(qiáng)、精度高、耗電低、體積小、免維護(hù)、費(fèi)用省等特點(diǎn)，成為電能質(zhì)量在線檢測(cè)的首選設(shè)備，而且，通過快速的數(shù)據(jù)傳輸通道，將所獲取的原始數(shù)據(jù)傳輸計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上，可以進(jìn)行一些需要大量的存儲(chǔ)空間和運(yùn)算能力的復(fù)雜的分析計(jì)算和統(tǒng)計(jì)。

經(jīng)過分析，我們認(rèn)為這些測(cè)試要求具有一定的共性，將電能質(zhì)量檢測(cè)分析共性的部分抽取出來，開發(fā)一個(gè)檢測(cè)分析平臺(tái)，然后在其基礎(chǔ)上開發(fā)不同的測(cè)試功能和不同運(yùn)行模式的產(chǎn)品，是可行的。本項(xiàng)目的核心是基于PIC32設(shè)計(jì)開發(fā)電能質(zhì)量檢測(cè)分析平臺(tái)，采用高性能RISC處理器，高速實(shí)時(shí)采集檢測(cè)點(diǎn)的三相電流和三相電壓模擬信號(hào)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析處理，計(jì)算電網(wǎng)的各種電能參數(shù)，分析電網(wǎng)的電能質(zhì)量，對(duì)這些信息進(jìn)行即時(shí)顯示，將檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行就地存儲(chǔ)，并能通過通信接口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶笈_(tái)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

二、需求分析

2.1 功能要求

測(cè)試平臺(tái)要完成功能的主要要求有：對(duì)電壓和電流通道信號(hào)進(jìn)行高速采集，設(shè)計(jì)各種數(shù)據(jù)電參量計(jì)算的算法和統(tǒng)計(jì)算法，開發(fā)可靈活組織的人機(jī)界面程序，系統(tǒng)具有大吞吐量的數(shù)據(jù)傳輸方式。配備PC機(jī)端軟件，數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)口或USB接口與PC機(jī)端軟件進(jìn)行通信，PC機(jī)軟件可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取、處理、存儲(chǔ)、顯示等操作。

本設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)用于單相或三相交流供電系統(tǒng)，適用于低壓220/380V系統(tǒng)，也可以經(jīng)由電壓互感器檢測(cè)高壓系統(tǒng)，電流信號(hào)輸入為0-5A，直接測(cè)量或經(jīng)由電流互感器接入。電能質(zhì)量檢測(cè)裝置主要由信號(hào)調(diào)理模塊、PIC32采集處理模塊和 PC機(jī)軟件模塊這三大模塊構(gòu)成。系統(tǒng)的整體架構(gòu)見圖1。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 性能要求

性能方面要求：三相電壓，三相電流輸入，采樣速率每周波128點(diǎn)，100M以太網(wǎng)或/和全速USB接口等。

2.3 可擴(kuò)展性

此設(shè)計(jì)完成后，可以進(jìn)一步開發(fā)不同的功能，完成諸如諧波測(cè)試分析，閃變測(cè)試，無功功率補(bǔ)償測(cè)試等各項(xiàng)電能質(zhì)量的測(cè)試，開發(fā)出具有特點(diǎn)和競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品，具有較大的實(shí)用意義，與工業(yè)實(shí)際結(jié)合起來，實(shí)用性強(qiáng)。

2.4 方案設(shè)計(jì)

電能質(zhì)量檢測(cè)裝置要完成的任務(wù)種類繁多。首先要實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的電能參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，然后要對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行快速處理，最后還要對(duì)處理參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和存儲(chǔ)，同時(shí)要完成與用戶的通訊等多個(gè)任務(wù)。這就要求我們所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)不僅具有高速的處理能力，還要具備實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度能力，當(dāng)然最主要的還要考慮到設(shè)備的成本問題。目前已經(jīng)出現(xiàn)過多種電能質(zhì)量檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)方案，如（1）基于采集卡+工控機(jī)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方式，（2）基于單片機(jī)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方式，（3）基于DSP 的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方式。

采用上述方案都存在一些問題，基于采集卡+工控機(jī)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方式，設(shè)備成本偏高、體積大、靈活性不夠，不適宜大量定點(diǎn)安放在各檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)；基于單片機(jī)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方式，數(shù)據(jù)處理能力不夠強(qiáng)大，內(nèi)存資源不夠豐富，實(shí)現(xiàn)大量的數(shù)據(jù)計(jì)算和交換比較困難；基于DSP 的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方式，成本高，一般適用于數(shù)據(jù)處理運(yùn)算量比較大，實(shí)時(shí)性要求高而對(duì)控制和通信能力要求相對(duì)較低的檢測(cè)系統(tǒng)。另外還有一些組合方案，如基于單片機(jī)+DSP的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方式，基于MCU+CPLD的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方式，但系統(tǒng)復(fù)雜，開發(fā)困難，成本較高。

本項(xiàng)目采用基于帶5級(jí)流水線的32位MIPS內(nèi)核的高性能RISC處理器 PIC32進(jìn)行開發(fā)，速度高，最高80 MHz的頻率，帶有單周期乘法單元和高性能除法單元，很好的整合了單片機(jī)和DSP的功能，構(gòu)成一功能強(qiáng)大的32位DSC(數(shù)字處理控制器)，特別適合于控制、處理雙密集型的場(chǎng)合，且該類處理器資源豐富、片內(nèi)外設(shè)功能強(qiáng)大，足夠滿足常用控制場(chǎng)合。采用該設(shè)計(jì)方案，在滿足處理大運(yùn)算量實(shí)時(shí)任務(wù)要求的同時(shí)，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成本也相對(duì)較低。

PIC32系列單片機(jī)是Microchip Technology Inc．(美國微芯科技公司)推出的高性能32位單片機(jī)，它是以MIPS32架構(gòu)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的。目前推出的PIC32MX3XX分支為通用型，PIC32MX4XX分支帶有USB功能，PIC32MX5XX分支帶有USB和CAN功能，PIC32MX6XX分支帶有USB和Ethernet功能，PICMX7XX分支則帶有USB、CAN和Ethernet功能。PIC32系列單片機(jī)采用哈佛結(jié)構(gòu)，帶有5級(jí)流水線，工作頻率最高80 MHz；具有高效指令架構(gòu)、高性能硬件乘法器/累加器及多至8組32個(gè)內(nèi)核寄存器，可實(shí)現(xiàn)1.56 DMIPS/MHz的運(yùn)行速度。此外，PIC32系統(tǒng)具有指令和ROM數(shù)據(jù)預(yù)取緩沖器的64字節(jié)高速緩存，128位寬的閃存，可縮短單個(gè)指令的取指時(shí)間，支持MIPSl6e 16位指令集構(gòu)架，可最多減少40％的代碼。

PIC32系列單片機(jī)包括了閃存范圍從32KB到512KB的可擴(kuò)展器件，片上RAM從8KB到128KB，引腳與64/100引腳的16位單片機(jī)PIC24FJ-XXXGA系列兼容，新推出的PIC32MX5XX/6XX/7XX提供XBGA的封裝。另外，PIC32系列單片機(jī)帶有豐富的外設(shè)資源——5個(gè)定時(shí)器、16路通道的10位A/D轉(zhuǎn)換器及通信接口，即SPI、I2C、UART和PMP，同時(shí)PIC32還有集成的CRC計(jì)算功能和基于模式的傳輸終端選擇功能的DMA控制器。此外，PIC32MX5/6/7系列包括10/100 Mbps以太網(wǎng)、CAN2.0b控制器、USB主設(shè)備/從設(shè)備和OTG功能。

PIC32系列單片機(jī)不僅比PIC 8位、16位單片機(jī)速度更快、性能更強(qiáng)，同時(shí)相對(duì)于ARM系列的32位單片機(jī)也具有一定的優(yōu)勢(shì)。雖然Microc-hip能選擇的MISP 4K最高時(shí)鐘頻率只有80 MHz，但是由于MIPS內(nèi)核簡潔，多家處理器評(píng)估機(jī)構(gòu)確認(rèn)PIC32的處理能力總體性能更高，而且PI-C32的指令多為單周期指令，比多周期指令執(zhí)行速度更迅捷。PIC32系列單片機(jī)多達(dá)128 KB的RAM，使其在數(shù)據(jù)處理上更具優(yōu)。Microchip微公司還有一個(gè)非常獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，就是該公司所有8、16和32位的器件都是充分兼容的，所有的這些全系列的產(chǎn)品使用的都是同樣的開發(fā)工具，單一的開發(fā)環(huán)境，軟件庫也是全面兼容的，這對(duì)于客戶更為方便。此外，Ashling、Green Hills及Hi-Tech提供了完整工具鏈支持，CM-X、Exp-ress Logic等提供RTOS支持，EasyGUI、Segger、RamTeX及Micrium等提供繪圖工具支持。值得一提的是，微芯公司為開發(fā)人員準(zhǔn)備了入門工具包，示例源文件，同時(shí)免費(fèi)提供了如USB、TCP/IP協(xié)議棧，以及Graphics和FATl6文件系統(tǒng)開發(fā)的中間件模塊。PIC32的MPLAB C32編譯器包括了16位Microchip MCU兼容的軟件外設(shè)函數(shù)庫，以更加方便快捷地使用外沒模塊。Microchip集成開發(fā)工具支持所有PIC32型號(hào)單片機(jī)，包括MPLAB集成開發(fā)環(huán)境(IDE)、MPLAB C32 C編譯器、MPLAB REAL ICE仿真系統(tǒng)、MPLAB ICD2在線調(diào)試器及Explore 16開發(fā)板等。