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

一、項目概述

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)備的安全運行。

電能質(zhì)量的優(yōu)劣將直接影響整個系統(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，同時也為了電力設(shè)備的安全運行，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。為了切實維護電力部門和用戶的利益，保證電網(wǎng)的安全運行，凈化電氣環(huán)境，必須加強電力系統(tǒng)電網(wǎng)電能質(zhì)量的檢測和管理。

1.2 項目背景/選題動機

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)確的評定電能質(zhì)量的好壞，如何可靠的檢測電能質(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)，是評定電能質(zhì)量以及電力技術(shù)工作者選用補償方法、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項指標(biāo):電壓偏差，頻率偏差，諧波，電壓波動和閃變，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)的測試應(yīng)用范圍廣闊，工作方式和測試項目也比較多。這些測試要求同其他的自動化系統(tǒng)相比具有一定挑戰(zhàn)性，電力應(yīng)用決定了它是一個高速和實時性的應(yīng)用，連續(xù)的測試分析統(tǒng)計又需要大的數(shù)據(jù)吞吐量，而作為測試分析設(shè)備或儀器又對分辨率和精度有較高要求。

為了滿足電能質(zhì)量的檢測需求，有關(guān)電能質(zhì)量檢測和分析設(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：時域仿真方法、頻域分析方法和基于變換方法；這些實現(xiàn)有基于微處理器開發(fā)的嵌入式系統(tǒng)，也有運行于計算機上的基于各種高級編程語言開發(fā)的軟件系統(tǒng)。其中，嵌入式的電能質(zhì)量在線檢測儀，由于其抗干擾能力強、精度高、耗電低、體積小、免維護、費用省等特點，成為電能質(zhì)量在線檢測的首選設(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)傳輸計算機系統(tǒng)上，可以進(jìn)行一些需要大量的存儲空間和運算能力的復(fù)雜的分析計算和統(tǒng)計。

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

二、需求分析

2.1 功能要求

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

本設(shè)計的檢測系統(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)由電壓互感器檢測高壓系統(tǒng)，電流信號輸入為0-5A，直接測量或經(jīng)由電流互感器接入。電能質(zhì)量檢測裝置主要由信號調(diào)理模塊、PIC32采集處理模塊和 PC機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，100M以太網(wǎng)或/和全速USB接口等。

2.3 可擴展性

此設(shè)計完成后，可以進(jìn)一步開發(fā)不同的功能，完成諸如諧波測試分析，閃變測試，無功功率補償測試等各項電能質(zhì)量的測試，開發(fā)出具有特點和競爭力的產(chǎn)品，具有較大的實用意義，與工業(yè)實際結(jié)合起來，實用性強。

2.4 方案設(shè)計

電能質(zhì)量檢測裝置要完成的任務(wù)種類繁多。首先要實現(xiàn)對現(xiàn)場的電能參數(shù)進(jìn)行實時采集，然后要對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行快速處理，最后還要對處理參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計和存儲，同時要完成與用戶的通訊等多個任務(wù)。這就要求我們所設(shè)計的系統(tǒng)不僅具有高速的處理能力，還要具備實時任務(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)量檢測裝置的設(shè)計方案，如（1）基于采集卡+工控機的設(shè)計實現(xiàn)方式，（2）基于單片機的設(shè)計實現(xiàn)方式，（3）基于DSP 的設(shè)計實現(xiàn)方式。

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

本項目采用基于帶5級流水線的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和DSP的功能，構(gòu)成一功能強大的32位DSC(數(shù)字處理控制器)，特別適合于控制、處理雙密集型的場合，且該類處理器資源豐富、片內(nèi)外設(shè)功能強大，足夠滿足常用控制場合。采用該設(shè)計方案，在滿足處理大運算量實時任務(wù)要求的同時，系統(tǒng)的設(shè)計成本也相對較低。

PIC32系列單片機是Microchip Technology Inc．(美國微芯科技公司)推出的高性能32位單片機，它是以MIPS32架構(gòu)為基礎(chǔ)設(shè)計的。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系列單片機采用哈佛結(jié)構(gòu)，帶有5級流水線，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個內(nèi)核寄存器，可實現(xiàn)1.56 DMIPS/MHz的運行速度。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，可縮短單個指令的取指時間，支持MIPSl6e 16位指令集構(gòu)架，可最多減少40％的代碼。

PIC32系列單片機包括了閃存范圍從32KB到512KB的可擴展器件，片上RAM從8KB到128KB，引腳與64/100引腳的16位單片機PIC24FJ-XXXGA系列兼容，新推出的PIC32MX5XX/6XX/7XX提供XBGA的封裝。另外，PIC32系列單片機帶有豐富的外設(shè)資源——5個定時器、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PIC32還有集成的CRC計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系列單片機不僅比PIC 8位、16位單片機速度更快、性能更強，同時相對于ARM系列的32位單片機也具有一定的優(yōu)勢。雖然Microc-hip能選擇的MISP 4K最高時鐘頻率只有80 MHz，但是由于MIPS內(nèi)核簡潔，多家處理器評估機構(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微公司還有一個非常獨特的優(yōu)勢，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，同時免費提供了如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型號單片機，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。

PIC32微處理器的最大優(yōu)勢在于速度快、高性能、芯片集成度高和外圍接口豐富，并且目前 PIC32芯片的價格也只略高于單片機。在PIC32上可以移植無MMU的嵌入式實時操作系統(tǒng)，容易實現(xiàn)多任務(wù)調(diào)度，而且簡化了LCD顯示、硬盤存儲、網(wǎng)絡(luò)通訊等功能的開發(fā)，大大減少了產(chǎn)品的開發(fā)周期，同時系統(tǒng)更兼具了運算能力強大的優(yōu)點。本方案不僅滿足設(shè)備具有較高處理速度和處理能力的要求，而且具備了實時處理能力，最后也考慮到了成本的問題。

三、系統(tǒng)硬件架構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。它包括電壓電流信號調(diào)理模塊、PIC32處理器及外圍電路， LCD液晶顯示模塊，USB移動存儲模塊，以太網(wǎng)接口通信模塊。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

通過微型電壓和電流互感器，將輸入的三相三路電壓信號和三路電流信號進(jìn)行信號調(diào)理，得到0~3V范圍的模擬信號，接入到PIC32內(nèi)置AD接口；因為實際三相電的頻率與標(biāo)準(zhǔn)頻率會有一定誤差，所以需要對頻率進(jìn)行測量，鑒于六路信號是同頻率的，只需對其中一路信號頻率測量即可，設(shè)計中對Ua信號頻率進(jìn)行測量，通過一個施密特觸發(fā)器將正弦信號變換為矩形波，然后通過PIC32內(nèi)置的輸入捕捉功能進(jìn)行頻率測量。

連續(xù)每通道采集16個波形，共計128*16個點后，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理：周期計算、FFT變換，求取三相電的基波以及諧波幅值與頻率。然后用LCD顯示處理后的三相基波、諧波波形曲線。同時通以太網(wǎng)將采集到的數(shù)據(jù)傳送到PC機軟件進(jìn)行處理、分析、顯示、存儲。

3.1 電壓電流信號采集回路

模擬量的采集是對電網(wǎng)中電壓和電流的測量，經(jīng)互感器變換再經(jīng)調(diào)理后送給PIC32內(nèi)置A/D輸入端，電路圖如圖3(以電流輸入為例)所示，調(diào)整圖中反饋電阻R和r的值可得到所需要的電壓小信號輸出，R精度>1%。電容C1和r’是用來補償相移的。電容C2和C3是小電容，用來去耦合濾波；兩個反接的二極管是起保護運放作用的。經(jīng)變換后的信號放大后再上拉就可以得到0～3V的單極性電壓(AD輸入范圍為：0～3.3V)，然后就可以送到芯片AD轉(zhuǎn)換器的輸入端進(jìn)行采樣。

圖3 電流信號調(diào)理電路

3.2 LCD液晶顯示模塊

設(shè)計中采用大屏幕液晶顯示屏，320×240 LCD帶背光，可以實時顯示電網(wǎng)的運行電壓、電流、諧波、有功功率、無功功率、視在功率、通信信息等，用戶可以查看各種電參數(shù)和歷史記錄并可對儀器的某些參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

3.3 以太網(wǎng)接口模塊

以太網(wǎng)接口模塊使用PIC32內(nèi)置的帶MII和RMII接口的10/100Mbps以太網(wǎng)MAC。支持全雙工和半雙工工作，可連接同軸電纜和雙絞線，并可自動檢測所連接的介質(zhì)，通過RJ45接口與以太網(wǎng)進(jìn)行通信。

3.4 USB移動存儲模塊

USB移動存儲控制器使用PIC32內(nèi)置的符合USB 2.0規(guī)范的全速設(shè)備和OTG (On-The-Go)控制器，主要用來存儲電網(wǎng)運行參數(shù)記錄，用戶只需將U盤從USB口插入，選擇存儲功能即可。即插即用，操作簡單，使用方便，傳輸速率快，存儲容量不受限制。

四、系統(tǒng)軟件架構(gòu)

4.1 電參數(shù)測量

電參數(shù)測量首先要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，本設(shè)計采用圖3所示的交流采樣，即將二次側(cè)的電壓電流經(jīng)高精度的電壓電流互感器變換成CPU可測量的交流小信號，然后再送入CPU進(jìn)行采樣處理。這種方法可對被測量的瞬時值進(jìn)行采樣、實時性好，相位失真小，解決了一般直流采樣中無法實時采樣，測量精度易受變送器的精度和穩(wěn)定性影響等缺點。

對電壓和電流諧波等電參量的測量采用FFT算法，其計算流程如圖4所示：

圖4 電參量計算流程

先對電壓和電流信號進(jìn)行采樣，得到16個周期的波形數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行FFT計算，得到基波和各次諧波的電壓值和電流值及其含量，然后計算諧波的總畸變率THD，然后計算出電壓和電流的有效值U、I及用功功率P、無功功率Q，再由P和Q計算視在功率S，進(jìn)而可得到線路的功率因數(shù)值以及其它參數(shù)值。

4.2 程序運行流程

在電參量的運算和系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)等問題解決之后，需要考慮程序運行的總的結(jié)構(gòu)流程圖。程序在運行之前首先要對硬件進(jìn)行初始化，并且要自檢以確保硬件部分無故障，為操作系統(tǒng)做好底層的準(zhǔn)備。然后是操作系統(tǒng)的初始化，創(chuàng)建任務(wù)主要是鍵盤檢測、按鍵處理、信號采樣數(shù)據(jù)處理及對這些任務(wù)的優(yōu)先級進(jìn)行排序等。具體的流程見圖5所示.

圖5 程序運行流程圖