任子暉，劉聽政，李 沖

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，江蘇徐州 221008)

0 引言

由于煤礦電網(wǎng)系統(tǒng)大量使用了電力電子元件，而電力電子元件對(duì)于電網(wǎng)的污染相當(dāng)嚴(yán)重，所以，對(duì)于煤礦系統(tǒng)電網(wǎng)諧波的研究非常有意義[1]。諧波會(huì)使電子器件產(chǎn)生許多問題，因此，如何減小其危害是電力系統(tǒng)所面臨的重大技術(shù)問題，而其中關(guān)鍵就是諧波的檢測(cè)與分析。目前國(guó)內(nèi)外電能質(zhì)量檢測(cè)儀多采用單片機(jī)或DSP作為運(yùn)算處理數(shù)據(jù)的核心。傳統(tǒng)的單片機(jī)存在速度慢、硬件結(jié)構(gòu)不完善等問題；而DSP在處理暫態(tài)數(shù)據(jù)和控制外圍低速電路有很大缺陷，限制其處理速度。其他一些檢測(cè)設(shè)備也存在成本較高、功耗大等問題，不利于大規(guī)模的推廣。煤礦電網(wǎng)支路較多，需要逐條檢測(cè)，且諧波檢測(cè)所需時(shí)間較長(zhǎng)，使用單一設(shè)備測(cè)量費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

文中提出了一種基于ARM9S3C2440A處理器為核心、以μC/OS-Ⅱ系統(tǒng)為操作系統(tǒng)、使用GPRS進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆植际街悄軝z測(cè)儀器設(shè)計(jì)方案。ARM具有較低的功耗、適合移植嵌入式操作系統(tǒng)的架構(gòu)、較快的處理速度和較低的成本等特點(diǎn)，并且可以根據(jù)實(shí)際需求定制軟硬件，做到系統(tǒng)最優(yōu)化；友好的人機(jī)接口和可觸控界面使儀器的操作非常方便，片上系統(tǒng)可定制多重功能。針對(duì)煤礦供電系統(tǒng)中多條負(fù)載支路的情況，采用了基于GPRS無(wú)線傳輸?shù)姆植际綌?shù)據(jù)測(cè)量和采集方案，可以做到多點(diǎn)采集、集中處理，方便檢測(cè)人員快速檢測(cè)，節(jié)省測(cè)量時(shí)間，也可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電網(wǎng)諧波的情況。

1 總體架構(gòu)

諧波檢測(cè)系統(tǒng)主要包括分布式采集硬件模塊和軟件處理模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。采用高精度的信號(hào)采集電路對(duì)煤礦電網(wǎng)諧波進(jìn)行采集，并通過GPRS無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊MC35i模塊將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至主處理器，然后運(yùn)用FFT和小波變換相結(jié)合的方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，系統(tǒng)控制通過觸摸屏操作，并顯示處理結(jié)果。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)圖

2 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件部分主要包括：電壓/電流互感、抗混疊濾波、A/D采樣、PLL倍頻、GPRS無(wú)線傳輸MC35i模塊、顯示模塊等部分組成，硬件系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。首先電壓/電流互感模塊采集電壓和電流信息，使其經(jīng)過限壓運(yùn)放調(diào)整，再經(jīng)過抗混疊低通濾波器濾波，然后進(jìn)入A/D采樣。由于電壓與電流的基波頻率對(duì)于諧波數(shù)據(jù)的測(cè)量與分析至關(guān)重要，對(duì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和精度都有著直接的影響，所以系統(tǒng)采用PLL鎖相環(huán)技術(shù)實(shí)現(xiàn)采樣頻率對(duì)于工頻頻率的自動(dòng)跟蹤。采集數(shù)據(jù)后保存至SD卡中，通過GPRS無(wú)線傳輸模塊MC35i發(fā)送至主處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理與分析。

圖2 硬件系統(tǒng)架構(gòu)

2．1抗混疊濾波與信號(hào)取樣電路

通過對(duì)所參與的諧波治理項(xiàng)目的研究，總結(jié)出煤礦電網(wǎng)供電系統(tǒng)中的電壓電流互感器PT和CT副邊一般分別為100 V和5 A左右，設(shè)計(jì)采用的的電路原理圖如圖3所示。

圖3 電流取樣電路原理圖

根據(jù)實(shí)際測(cè)量經(jīng)驗(yàn)，諧波電流是檢測(cè)煤礦電網(wǎng)諧波情況的主要依據(jù)。故以電流信號(hào)為例，被測(cè)信號(hào)經(jīng)過電流互感器得到CT副邊5 A的電流信號(hào)，然后經(jīng)過取樣轉(zhuǎn)換為0.5 V的電壓信號(hào)，經(jīng)過二極管的雙向限壓保護(hù)，由OP07放大器放大調(diào)整到2.5 V的信號(hào)后送至抗混疊低通濾波器。

根據(jù)電力系統(tǒng)諧波檢測(cè)的需要，考慮到大部分檢測(cè)諧波為50次諧波，由此可得抗混疊濾波器的截止頻率應(yīng)選為2.5 kHz，并且應(yīng)在頻帶范圍內(nèi)特性應(yīng)盡量平坦，且當(dāng)信號(hào)頻率高于截止頻率時(shí)應(yīng)盡快地衰減，故選用巴特沃斯(Butterworth)四階有源低通濾波器[2]。采用MAX275芯片，將其內(nèi)兩個(gè)二階有源低通濾波器串聯(lián)即可組成四階有源低通濾波器。

2．2A/D采樣與PLL倍頻

A/D采樣采用高精度雙四通道高速14位A/D轉(zhuǎn)換芯片MAX126，其具有分辨率高、速度快、工作模式多等特點(diǎn)。在采樣過程中，采樣頻率必須跟隨工頻信號(hào)頻率變化，以防止在FFT運(yùn)算時(shí)產(chǎn)生頻譜泄漏現(xiàn)象，影響測(cè)量精度。在設(shè)計(jì)中采用鎖相環(huán)倍頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)于工頻信號(hào)頻率的自動(dòng)跟蹤。電路原理圖如圖4。

圖4 PLL倍頻跟蹤電路

2．3GPRS無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸

設(shè)計(jì)主要采用MC35i雙頻GSM/GPRS無(wú)線通信模塊，具有傳輸數(shù)據(jù)、語(yǔ)音、SMS和FAX等能力[3]。可為用戶提供永遠(yuǎn)在線、高速度、更簡(jiǎn)單的移動(dòng)數(shù)據(jù)通信接入手段等服務(wù)。MS35i具有體積小、重量輕、低功耗等特點(diǎn)，并提供省電模式、IDLE、TALK、數(shù)據(jù)等工作模式，適用于電能質(zhì)量檢測(cè)應(yīng)用。采用虛擬IP技術(shù)可以對(duì)來(lái)自不同負(fù)載支路的檢測(cè)消息進(jìn)行識(shí)別[4]。

基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)編程主要有TCP和UDP兩種實(shí)現(xiàn)方式，由于通信鏈路中終端的IP地址是由網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)(GGSN)動(dòng)態(tài)分配的，在每次傳輸完數(shù)據(jù)后，終端的IP地址和端口都可能發(fā)生變化，故采用TCP方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的網(wǎng)絡(luò)編程。GPRS服務(wù)端如圖5所示。

圖5 GPRS服務(wù)端

2．4分布式測(cè)量方案

煤礦電網(wǎng)中，負(fù)載支路較多，諧波檢測(cè)往往需要將所有支路全部檢測(cè)，以便研究諧波的分布和大小。且在煤礦中，各負(fù)載支路的使用比較集中，時(shí)間基本同步，在使用單一設(shè)備檢測(cè)時(shí)，需測(cè)量多個(gè)工作日，對(duì)于諧波的檢測(cè)帶來(lái)了極大的不便，故采用分布式測(cè)量方案可以有效避免此種狀況，做到諧波數(shù)據(jù)的快速、統(tǒng)一采集與處理。

嵌入式系統(tǒng)較低的價(jià)格可以滿足多個(gè)檢測(cè)點(diǎn)同時(shí)使用此設(shè)備收集諧波數(shù)據(jù)，且各測(cè)量終端互相獨(dú)立，采用基于虛擬IP的GPRS無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，主站不受固定IP限制，即各測(cè)量終端均可作為主處理器使用。嵌入式系統(tǒng)軟硬件可定制的特點(diǎn)能夠滿足此種應(yīng)用，使分布式測(cè)量系統(tǒng)做到扁平化，可任意調(diào)節(jié)測(cè)量方案。各測(cè)量終端有獨(dú)立的IP地址，可以較容易地識(shí)別其測(cè)量的線路。分布式系統(tǒng)程序流程圖如圖6。

圖6 分布式系統(tǒng)程序流程圖

在諧波測(cè)量中，為了便于比較，常需要同步測(cè)量多條支路。在系統(tǒng)中，首先通過上位機(jī)發(fā)布命令，使多條支路的測(cè)量幾乎同步開始，并設(shè)定測(cè)量時(shí)間。測(cè)量終端在接收命令后開始進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在測(cè)量系統(tǒng)自有的存儲(chǔ)芯片中，在測(cè)量結(jié)束后，各終端將數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)嵌入式系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在系統(tǒng)自帶存儲(chǔ)器內(nèi)，由主處理器集中處理測(cè)量數(shù)據(jù)。在實(shí)現(xiàn)諧波監(jiān)測(cè)時(shí)，分布式系統(tǒng)采用廣播接收方式實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘的同步，即維護(hù)本地網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的相對(duì)時(shí)鐘關(guān)系，使所有測(cè)量終端達(dá)到同一時(shí)間尺度，經(jīng)典的RBS協(xié)議即屬于此類。諧波分析采用快速提升小波變換算法[5]，可以在無(wú)內(nèi)存消耗的情況下加速小波變換，對(duì)突變信號(hào)進(jìn)行有效跟蹤，實(shí)現(xiàn)諧波的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3．1系統(tǒng)軟件架構(gòu)

設(shè)計(jì)的煤礦電網(wǎng)諧波檢測(cè)系統(tǒng)軟件部分主要包括數(shù)據(jù)采樣處理、人機(jī)操作和無(wú)線通信。數(shù)據(jù)處理所使用的算法為快速傅里葉變換和小波變換。系統(tǒng)具有友好的人機(jī)界面，在嵌入式系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了一個(gè)完整的諧波分析系統(tǒng)。系統(tǒng)開發(fā)主要采用C語(yǔ)言和ADS開發(fā)工具。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖7。

圖7 軟件系統(tǒng)架構(gòu)圖

3．2操作系統(tǒng)的移植

操作系統(tǒng)采用具有高性能、源代碼公開等特點(diǎn)的μC/OS-Ⅱ系統(tǒng)，μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)具有非常廣泛的使用，在使用前需要對(duì)其進(jìn)行移植[6]。

移植工作包括以下內(nèi)容：

(1)OS_CPU．H中需設(shè)置一個(gè)常量來(lái)標(biāo)識(shí)堆棧生長(zhǎng)方向；聲明用于開關(guān)中斷和任務(wù)切換的宏；針對(duì)具體處理器的字長(zhǎng)重新定義一系列數(shù)據(jù)類型等。

(2)OS_CPU_C．C需要用C語(yǔ)言編寫：OSTaskStInit()、OSTaskCreateHook()、OSTaskDelHook()、OSTaskSwHook()、OSTaskStartHook()和OSTimeTickHook()等6個(gè)函數(shù)。

(3)OS_CPU_A．ASM中要改寫4個(gè)匯編語(yǔ)言的函數(shù)等。

3．3FFT與小波變換

諧波數(shù)據(jù)處理常用的算法是快速傅里葉變換(FFT)，該算法在分析周期性信號(hào)中具有處理速度快、精確度高的特點(diǎn)，但在測(cè)量過程中對(duì)于非整數(shù)次諧波的檢測(cè)存在頻譜泄漏和柵欄效應(yīng)的問題，且在實(shí)際電網(wǎng)中，電壓驟降、驟升、電壓中斷等暫態(tài)信號(hào)使其測(cè)量誤差較大。小波變換是一種新的信號(hào)處理方法，具有時(shí)頻局部化的特點(diǎn)，且對(duì)突變信號(hào)的檢測(cè)具有突出的特性，具有較強(qiáng)的暫態(tài)信號(hào)處理能力，故其非常適用于電能質(zhì)量的檢測(cè)與分析。在設(shè)計(jì)中，采用小波變換與FFT相結(jié)合的方法對(duì)采集的諧波進(jìn)行分析。在進(jìn)行信號(hào)分析時(shí)，首先進(jìn)行小波變換，將非穩(wěn)態(tài)諧波和突變以及間斷點(diǎn)等奇異信號(hào)進(jìn)行模極大值的分析，然后將這部分信號(hào)分量除去，進(jìn)行FFT運(yùn)算，取出穩(wěn)態(tài)諧波分量，即可得到分析結(jié)果。

4 測(cè)量結(jié)果與分析

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，以徐礦集團(tuán)旗山礦電網(wǎng)6 kV總進(jìn)線諧波測(cè)量結(jié)果為原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，信號(hào)S1中7次、9次、11次諧波含量較高，并人為地在時(shí)域接近500處增加了一個(gè)奇異點(diǎn)，成為了一個(gè)非標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)的暫穩(wěn)態(tài)信號(hào)波形，信號(hào)a3為信號(hào)S1經(jīng)過db4小波變換后的第三層近似信號(hào)，可以看出采用小波變換已經(jīng)將S1中的奇異信號(hào)分離，信號(hào)a5為信號(hào)S1經(jīng)過db4小波變換五層分解后的近似信號(hào)，結(jié)果表明經(jīng)過多層小波變換后的近似信號(hào)已經(jīng)基本接近標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)，證明小波變換可以有效地去除高頻信號(hào)奇異點(diǎn)，便于使用FFT分析諧波成分，如圖8所示。

(a)S1

(b)a3

(c)a5

在經(jīng)過小波變換后，將此信號(hào)進(jìn)行FFT頻譜分析，得出此信號(hào)諧波的含有率，在此只列出2～11次諧波分析結(jié)果。結(jié)果如表1所示。

表1 小波變換后FFT諧波數(shù)據(jù)分析表

諧波分析結(jié)果表明，小波變化與FFT相結(jié)合的方法可以提高諧波分析的精確度，且系統(tǒng)測(cè)量精度較高、分析結(jié)果準(zhǔn)確，完全滿足實(shí)用需求。

5 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一種基于ARM芯片的分布式煤礦電網(wǎng)諧波檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)于硬件電路和軟件系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)具有操作方便、功耗低、處理速度快、測(cè)量精度高等特點(diǎn)。采用GPRS無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊，可以實(shí)現(xiàn)諧波的遠(yuǎn)程測(cè)量，極大方便了電能質(zhì)量的監(jiān)測(cè)，減少了測(cè)量時(shí)間，提高測(cè)量的效率。操作系統(tǒng)使用μC/OS-Ⅱ系統(tǒng)，結(jié)合FFT和小波變換算法，在系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和可靠性方便有了進(jìn)一步的提高?？捎|控操作方便簡(jiǎn)化了測(cè)量人員的操作，提高了系統(tǒng)的可用性。測(cè)量分析結(jié)果表明整個(gè)系統(tǒng)功能強(qiáng)大，使用方便，有極大的應(yīng)用前景。

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作者簡(jiǎn)介：任子暉(1962-)，教授，博士研究生導(dǎo)師，主要從事電網(wǎng)諧波治理、通風(fēng)機(jī)檢測(cè)研究工作。E-mail：ren_zicumt@126．com

劉聽政(1991-)，碩士研究生，現(xiàn)從事電網(wǎng)諧波治理、嵌入式系統(tǒng)研究工作。E-mail：ltzcumt@163．com