張曉冰++鄭帥兵++車成弟++崔曉萌

摘要：針對目前電能計量存在的問題，在研究畸變信號條件下電能計量新方法的基礎(chǔ)上，設(shè)計了基于DM3730的畸變信號條件下電能計量實驗儀，驗證了畸變信號條件下電能計量新方法的正確性.采用片上雙CPU架構(gòu)與片內(nèi)共享內(nèi)存數(shù)據(jù)的設(shè)計方法，搭建了硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，闡述了其工作原理.設(shè)計了實驗儀的軟件系統(tǒng)，使用C編程實現(xiàn)小波分頻帶測量功率算法.最后在實驗儀上對電網(wǎng)典型畸變信號進行功率測量實驗，實驗結(jié)果表明畸變信號條件下電能計量實驗儀的準(zhǔn)確度高及小波分頻帶測量算法的實時性好，為深入研究畸變信號條件下電能計量裝置提供了一定的參考價值.

關(guān)鍵詞：電能計量；DM3730；小波變換；畸變信號

DOI：10.15938/j.jhust.2015.05.015

中圖分類號：TM744

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1007-2683（2015）05-0074-06

0 引言

隨著電網(wǎng)中非線性負載的迅速增加，電能質(zhì)量日趨惡化，這不僅嚴(yán)重影響電網(wǎng)安全高效的運行，而且對經(jīng)典的電能計量理論、方法和儀表的設(shè)計都提出了新的挑戰(zhàn).在當(dāng)前電網(wǎng)信號嚴(yán)重畸變的現(xiàn)狀下，如何準(zhǔn)確合理地計量功率和電能已經(jīng)成為電氣測量技術(shù)及儀器儀表研究領(lǐng)域急需解決的問題，解決這個問題，既需要研究能真實反映非線性負載電能消耗及合理計量的新方法又需要研究工程上切實可行的硬件電路和軟件算法.

目前，諧波信號條件下電能計量方法研究及電能準(zhǔn)確合理計量儀器研發(fā)都取得了很多成果，如湖北電力試驗研究所研制開發(fā)的FEE3型基波電能表利用低通濾波器實時衰減畸變信號中的諧波成分而只計其中的基波功率，從而使電能計量更趨合理.清華大學(xué)與河南新鄉(xiāng)電業(yè)局聯(lián)合研制的微機化采樣式電能表能夠同時測量基波電能與總電能，據(jù)此判斷用戶是線性還是非線性以及諧波水平，其準(zhǔn)確度為0.2級.威勝公司最新開發(fā)的0.2級諧波表DTSD341/DSSD331-9采用實時積分算法計算電能，同時通過FFT算法提供基波電能及諧波電能，并通過諧波電能的方向區(qū)分用戶是諧波源用戶還是非諧波源用戶，該表可為電力管理部門對用戶用電管理提供依據(jù).但是基波表、諧波表并不能解決沖擊信號等畸變信號條件下電能合理計量的問題，因為諧波模型并不能真實反映電網(wǎng)信號的實際情況，尤其是沖擊性負載等非線性負載產(chǎn)生的電壓、電流信號根本無法用諧波信號的數(shù)學(xué)模型來描述.

本文針對目前電能計量存在的問題，在研究畸變信號條件下電能計量新方法的基礎(chǔ)上，設(shè)計了畸變信號條件下電能計量實驗儀，驗證了畸變信號條件下電能計量新方法的正確性.同時，本實驗儀的設(shè)計為研發(fā)適用范圍更廣、計量更合理的畸變信號條件下電能計量儀表提供了基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)和技術(shù)先導(dǎo).

1 實驗儀的硬件系統(tǒng)設(shè)計

本文設(shè)計了基于達芬奇平臺的畸變信號條件下電能計量實驗儀，并采用小波分頻帶功率測量算法在實驗儀上實現(xiàn)了電網(wǎng)典型畸變信號條件下電能的合理計量.

1.1 實驗儀總體結(jié)構(gòu)

實驗儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，選用TI的DM3730作為核心處理器，它內(nèi)部集成了1CH_z的Cortex-A8 ARM彈性內(nèi)核以及800MHz的TMS320C64x+DSP內(nèi)核，這樣提高了實驗儀的實時響應(yīng)能力與控制能力，實驗儀內(nèi)設(shè)有模擬信號發(fā)生器，它采用數(shù)?；旌显碓O(shè)計，可以輸出各種典型電網(wǎng)信號，主控單元建立了ARM+DSP片上雙核的最小系統(tǒng)，同時根據(jù)實際需要進行了外設(shè)擴展，包括數(shù)據(jù)采集模塊、通信接口、存儲模塊以及人機交互界面模塊.

整個系統(tǒng)由ARM負責(zé)模擬電網(wǎng)信號的采集以及整個系統(tǒng)的控制管理.DSP負責(zé)對采集的數(shù)據(jù)進行電壓、電流有效值運算及小波分解重構(gòu)等運算.DSP與ARM之間通過DSPLINK和驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)通信.在外設(shè)模塊中，數(shù)據(jù)采集模塊主要采用AD7656實現(xiàn)電網(wǎng)畸變信號的A/D轉(zhuǎn)換.通信接口采用UART與USB、RJ45以太網(wǎng)接口實現(xiàn)與外界的通信以及嵌入式系統(tǒng)的移植下載.存儲模塊用來存儲系統(tǒng)應(yīng)用程序及各項數(shù)據(jù)等.人機交互界面模塊采用帶有觸摸功能的LCD，可實現(xiàn)人機直接交互功能，無需設(shè)置功能按鍵.利用QT設(shè)計實驗儀顯示界面，可以顯示電網(wǎng)畸變信號經(jīng)小波分解重構(gòu)得到的基波信號和畸變信號的波形以及測量后的各項功率值.

1.2 模擬電網(wǎng)信號發(fā)生器

由于電網(wǎng)中存在太多的未知因素，不可能確知電網(wǎng)信號的具體成分，目前國家尚無畸變信號條件下電能計量的標(biāo)準(zhǔn)，更沒有畸變信號條件下電能計量的標(biāo)準(zhǔn)裝置可供校驗和比對.為了驗證理論的正確性，本文設(shè)計了能夠模擬實際電網(wǎng)信號且理論上精確已知的畸變電網(wǎng)信號源.

該信號源能夠模擬典型的電網(wǎng)信號，通過它可確定待處理電網(wǎng)信號的具體成分，模擬電網(wǎng)信號發(fā)生器結(jié)構(gòu)如圖2所示.其中，i₁（t）、u₁（t）分別為標(biāo)準(zhǔn)信號源產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)正弦電流、電壓信號；i_a（t）、u_a（t）為模擬電網(wǎng)電流、電壓信號.EEPROM中已存有數(shù)字正余弦、方波、三角波等函數(shù)表a（t），信號a（t）與u'₁（t）在數(shù)?；旌铣朔ㄆ髦邢喑嗽倥c信號u'₁（t）在加法器中相加得到了信號u'₂（t），若取樣電阻R=1Ω，則u'₂（t）為

當(dāng)a（t）取不同的信號時，i_a（t）、u_a（t）代表著不同的電網(wǎng)電流及電壓信號.所以，此信號源可以模擬各種典型電網(wǎng)信號.

2 實驗儀的軟件系統(tǒng)設(shè)計

軟件設(shè)計分為ARM子系統(tǒng)軟件設(shè)計和DSP子系統(tǒng)軟件設(shè)計.實驗儀系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)層次如圖3所示.ARM子系統(tǒng)實現(xiàn)人機界面，應(yīng)用控制程序和系統(tǒng)的管理.DSP子系統(tǒng)通過DSPLINK接收來自ARM的數(shù)據(jù)信息，根據(jù)控制指令進行電壓、電流的分解重構(gòu)運算及功率值計算.

2.1 ARM軟件設(shè)計

ARM子系統(tǒng)的軟件設(shè)計功能模塊如圖4所示，它主要由設(shè)備驅(qū)動模塊、譯碼模塊和圖形界面模塊等幾個功能模塊組成.系統(tǒng)各模塊在Linux的統(tǒng)一控制管理下有效地協(xié)調(diào)工作.ARM處理器端主要是運行Linux的操作系統(tǒng)，同時嵌入QT/Embedded圖形界面系統(tǒng).使用C++編程實現(xiàn)該圖形界面系統(tǒng)，通過圖形界面系統(tǒng)實現(xiàn)人機交互，最終顯示處理后的數(shù)據(jù)及波形.無需鍵盤和鼠標(biāo)，系統(tǒng)運行后圖形界面的操作全部由觸摸屏完成.

2.2 DSP的軟件設(shè)計

2.2.1

DSP軟件算法

本文應(yīng)用小波分頻帶功率測量算法實現(xiàn)畸變信號條件下的電能的合理計量.由功率潮流分析的結(jié)果可得畸變信號條件下合理計量功率P為： 式中：P，為基波電壓與基波電流產(chǎn)生的功率；P_IS為基波電壓與畸變電流產(chǎn)生的功率；P_IS為畸變電壓與基波電流產(chǎn)生的功率.P_a為計量節(jié)點a處的實測功率；P_S為P_a中的畸變功率.

由式（5）可知，實現(xiàn)畸變信號下電能計量只需要分解與重構(gòu)畸變電流、畸變電壓信號，根據(jù)小波變換原理與各電網(wǎng)信號的具體情況，把不需要的小波系數(shù)置成零，這樣，就得到了重構(gòu)信號的小波系數(shù)，進一步得到畸變信號u'_S（t）、i'_S（t）.

南初始采樣值可得

最后，利用式（5）計算出用戶合理計量的功率.

2.2.2 DSP軟件實現(xiàn)

實驗儀的DSP核主要由DSP/BIOS操作系統(tǒng)控制，承擔(dān)的主要功能是與ARM端的數(shù)據(jù)傳遞、小波分頻帶功率測量算法的實現(xiàn)及各項功率值計算，它可以單獨驗證某一階段算法的有效性，也可以一次性處理所有階段的驗證.系統(tǒng)初始化后，ARM采集數(shù)據(jù)并發(fā)送給DSP時，ARM先將數(shù)據(jù)存放在共享內(nèi)存中，通過DSPLINK向DSP發(fā)出中斷，DSP收到中斷后開始執(zhí)行程序，DSP從共享內(nèi)存中讀出數(shù)據(jù)進行電壓、電流的小波分解與重構(gòu)運算以及功率值計算.當(dāng)DSP進行小波分頻帶功率測量算法后，會中斷ARM讀取處理后的數(shù)據(jù)結(jié)果.DSP主程序流程圖如圖5所示，

其中針對小波分頻帶算法，編寫了電能計量算法函數(shù)庫，包括小波分解函數(shù)、小波重構(gòu)函數(shù)以及各個功率計量函數(shù)，以滿足不同畸變信號條件下的應(yīng)用要求.還編寫了中斷處理函數(shù)、數(shù)據(jù)接收分類處理等輔助函數(shù)，在進行應(yīng)用程序開發(fā)時就可以直接調(diào)用電能計量控制函數(shù)庫中的函數(shù)，這樣使程序模塊化減少了重復(fù)編寫代碼段的工作，同時增強了程序的可讀性與可移植性.

2.3 雙核間通信

基于DM3730處理器的雙核通信軟件系統(tǒng)調(diào)用由DSPLINK來完成，DSPLINK提供一套通用API，從應(yīng)用層抽象出ARM與DSP的物理連接特性，進而降低用戶開發(fā)的復(fù)雜度.

圖6 DSP/BIOS LINK的軟件體系結(jié)構(gòu)圖

DSP/BIOS LINK的軟件體系結(jié)構(gòu)圖如圖6所示，圖中在DSP端用DSP/BIOS來支持畸變信號條件下電能計量算法的運行，在ARM端OS用Linux來支持其對系統(tǒng)外設(shè)的管理.DSPLINK作為嵌入式Linux操作系統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)動程序，管理ARM端和DSP端應(yīng)用程序的交互，從而實現(xiàn)DSP核資源的管理和利用.

3 實驗結(jié)果

3.1 直流、諧波和間諧波信號實驗結(jié)果

半導(dǎo)體整流信號中含有直流、諧波及問諧波，調(diào)制信號a（t）為為階躍信號，

由模擬電網(wǎng)信號發(fā)生器輸出的半導(dǎo)體整流信號的電壓、電流信號如圖7中（a）、（d）所示.

在實驗儀上進行功率分解測量實驗，圖7 rf，（b）、（e）是經(jīng)dB40小波分解重構(gòu)的基波電壓、電流信號，（c）、（f）為重構(gòu)的畸變電壓電流信號，根據(jù)重構(gòu)的信號計算各項功率值，結(jié)果如表l所爪.

表1結(jié)果表明在此硬件平臺上測量的各功率潮流方向與理論分析結(jié)果相同，驗證了畸變信號條件下電能合理計量方法的正確性.同時，測試了C代碼實現(xiàn)功率分解測量算法的運行時問為2054μs，說明該算法滿足實時性的要求.

3.2 連續(xù)頻譜信號實驗結(jié)果

設(shè)a（t）為連續(xù)頻譜信號

其他其中t₀為a（t）出現(xiàn)的時刻，

在實驗儀上對此電壓和電流信號進行數(shù)據(jù)處理得到各項功率值，圖8中（a）、（d）是由模擬電網(wǎng)信號發(fā)生器產(chǎn)生的連續(xù)畸變信號的電壓信號、電流信號；（b）、（e）是經(jīng)dB40小波分解重構(gòu)的基波電壓、電流信號，（c）、（f）為重構(gòu)的畸變電壓電流信號，根據(jù)重構(gòu)的信號計算各項功率值，結(jié)果如表2所示.

表2結(jié)果表明合理計量方法也適用于連續(xù)譜畸變信號的電能計量.同時，算法的執(zhí)行程序在硬件上的運行時間為1902μs，算法能夠滿足實時性要求.

4 結(jié)論

針對畸變信號條件下電能計量算法復(fù)雜度與實時性的要求，本文設(shè)計出一種以DSP與ARM雙核架構(gòu)的系統(tǒng)為中心的電能計量實驗儀.搭建了實驗平臺，通過實驗儀將給定的畸變信號運用小波分解與重構(gòu)算法，測量其各個功率值并且與理論值進行了比較，并記錄了軟件算法在實驗儀的運行時間，得到以下結(jié)論：

1）實驗儀測量的各功率潮流方向與理論分析結(jié)果相同，功率測量的準(zhǔn)確度為10^-4～10^-3數(shù)量級，證明了畸變信號條件下電能計量方法的正確性和準(zhǔn)確性.

2）軟件算法在實驗儀的運行時間可以達到微秒級，說明小波分頻帶功率測量算法能夠滿足實時性要求.

3）本文將嵌入式技術(shù)應(yīng)用到電能計量實驗儀中，提高了實驗儀的系統(tǒng)穩(wěn)定性與移動性，同時也方便后續(xù)系統(tǒng)的擴展和升級.