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(西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院， 西安 710048)

引 言

近年來，國(guó)民經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)步發(fā)展對(duì)電能的需求量越來越大，隨著各種不對(duì)稱性、沖擊性、非線性負(fù)荷容量的不斷增加，電能質(zhì)量問題日益突出，已經(jīng)成為電力部門和電力消費(fèi)者普遍關(guān)注的重要問題之一[1-3]。大多數(shù)監(jiān)測(cè)儀檢測(cè)指標(biāo)單一，對(duì)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)的連續(xù)性、實(shí)時(shí)性和抗干擾能力較差[4]。薛萍等人[5-7]提出了硬件鎖相同步頻率跟蹤方案，實(shí)現(xiàn)了電能質(zhì)量的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)?？讈喎堑热薣8-10]研制了基于DSP和ARM雙系統(tǒng)構(gòu)成的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用嵌有Linux系統(tǒng)的ARM通過SPI實(shí)現(xiàn)與DSP的通信。王平等[11-13]設(shè)計(jì)了基于DSP和FPGA的實(shí)時(shí)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了多通道電能質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。上述監(jiān)測(cè)系統(tǒng)雖然都能實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量的監(jiān)測(cè)，但僅限于電壓、電流的監(jiān)測(cè)，沒有實(shí)現(xiàn)對(duì)諧波和頻率的測(cè)量，且對(duì)復(fù)合式擾動(dòng)信號(hào)的識(shí)別能力較差。

針對(duì)目前電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中存在的問題，設(shè)計(jì)了一款基于低壓PLC技術(shù)的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)利用DSP和 ARM進(jìn)行采集信號(hào)的精確運(yùn)算并處理，采用電力線載波通信(PLC)技術(shù)實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量信息的傳輸，系統(tǒng)具有通信效率高、誤碼率低、時(shí)延低等優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成框圖

電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)模塊的主要任務(wù)包括數(shù)據(jù)采樣、數(shù)據(jù)處理和人機(jī)交換。DSP與MCU一起完成數(shù)據(jù)采樣和數(shù)據(jù)處理的功能。本設(shè)計(jì)的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)采用TI公司生產(chǎn)的高性能浮點(diǎn)DSP芯片TMS320C6711，包括兩款芯片DSP1和DSP2。這兩款DSP芯片的操作頻率高達(dá)250 MHz，并配有32位HPI接口。該系統(tǒng)采用32位嵌入式PC104電腦，工作頻率為300 MHz，MCU操作系統(tǒng)采用嵌入式Linux系統(tǒng)，圖1為系統(tǒng)組成框圖。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

為了使電力部門快速有效地獲取電能質(zhì)量信息，本系統(tǒng)采用電力線載波通信模式傳輸電能質(zhì)量信息。MAX2990是由MAXIM公司生產(chǎn)的電力線載波通信專用的新產(chǎn)品，其采用OFDM調(diào)制方式，理論上通信速度高達(dá)100 kbps，可以滿足電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸需求。另外，電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)模塊還可以實(shí)現(xiàn)電壓沖擊、瞬態(tài)擾動(dòng)和電壓振蕩瞬態(tài)擾動(dòng)的計(jì)算，以及短時(shí)電壓變化、動(dòng)態(tài)功率質(zhì)量擾動(dòng)、穩(wěn)定功率質(zhì)量擾動(dòng)等計(jì)算。

1.2 DSP模塊

DSP模塊主要包含數(shù)據(jù)采集單元、A/D轉(zhuǎn)換器、CPLD和DSP芯片。

數(shù)據(jù)采集單元完成三相電壓和三相電流采樣，包括電阻分壓電路、電流互感器和濾波電路，它可將電壓和電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為可由模數(shù)轉(zhuǎn)換器處理的弱信號(hào)。

A/D轉(zhuǎn)換器1采用具有16位高精度的AD7723芯片，該芯片的采樣率高達(dá)1.2 MHz，A/D轉(zhuǎn)換器1將電壓模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并傳輸?shù)紻SP1，實(shí)際使用的采樣率為1 MHz。A/D轉(zhuǎn)換器2具有6通道采樣的16位高精度ADS8364芯片，采樣率高達(dá)250 kHz。它將3個(gè)電壓模擬信號(hào)和3個(gè)電流模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并將其傳送到DSP2。使用6通道可以滿足電壓和電流信號(hào)采樣的同步性,實(shí)際使用的采樣率為12.8 kHz。其中DSP1完成電壓瞬變擾動(dòng)和電壓振蕩瞬態(tài)擾動(dòng)的監(jiān)測(cè)和計(jì)算;DSP2完成短時(shí)電壓變化、電能質(zhì)量擾動(dòng)和電氣參數(shù)的監(jiān)測(cè)和計(jì)算。

DSP的計(jì)算模塊將計(jì)算結(jié)果放入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。計(jì)數(shù)周期完成后，計(jì)算結(jié)果將發(fā)送到可由MCU讀取的數(shù)據(jù)交互區(qū)域。每個(gè)計(jì)數(shù)子程序都是通過高級(jí)算法開發(fā)的。為了滿足系統(tǒng)性能的需求，DSP芯片選擇了具有16位HPI接口的TMS320C6711芯片。并行接口HPI是連接DSP和MCU并實(shí)現(xiàn)它們之間通信的重要接口。通過HPI接口，MCU可以訪問所有的存儲(chǔ)空間和地址空間的映射，然后控制DSP完成數(shù)據(jù)交換,還可以使用CPLD幫助DSP控制系統(tǒng)的所有額外設(shè)備。

1.3 微處理器模塊

微處理器的模塊包含電源控制電路、MCU、驅(qū)動(dòng)電路、通信接口、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、LED和指示燈。在該系統(tǒng)中，由DSP處理的數(shù)據(jù)將通過HPI接口傳輸?shù)組CU。MCU模塊完成數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)顯示，同時(shí)使用其豐富的外設(shè)和多線程應(yīng)用實(shí)現(xiàn)多功能控制。首先MCU通過DSP的HPI接口直接訪問其RAM，然后進(jìn)一步處理DSP處理的數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)通信。MCU芯片選用32位嵌入式微控制器，工作頻率高達(dá)300 MHz，并采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)。

MCU通信控制單元與RS232/485接口和以太網(wǎng)接口相連接。RS232/485接口和以太網(wǎng)接口具有便于數(shù)據(jù)通信和監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)的優(yōu)點(diǎn)。選用的液晶顯示器可以顯示設(shè)備的所有電氣參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)。MCU處理的數(shù)據(jù)可由存儲(chǔ)容量為40/80 GB的硬盤存儲(chǔ)設(shè)備存儲(chǔ)。圖2為電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖2 電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 電力線載波通信模塊的結(jié)構(gòu)

電力線載波通信技術(shù)采用電力線作為通信媒介，因其布線方便、成本低廉、覆蓋范圍廣泛，所以PLC技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景。基于電力線載波通信技術(shù)的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以有效利用電力線傳輸數(shù)據(jù)，避免建設(shè)新的通信線路，與其他通信模式相比，具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

MAX2990是由美信公司制造的高速電力線載波通信芯片，采用OFDM調(diào)制方式。當(dāng)工作頻率在10～490 kHz之間時(shí)，數(shù)字信號(hào)輸出的有效數(shù)據(jù)速率高達(dá)100 kbps；當(dāng)工作頻率在10～95 kHz之間時(shí)，數(shù)字信號(hào)輸出的有效數(shù)據(jù)速率高達(dá)32 kbps。關(guān)于電能質(zhì)量的數(shù)據(jù)管理，每個(gè)項(xiàng)目約為1～6位，主要項(xiàng)目約為二十多個(gè)。而在1 s內(nèi)應(yīng)考慮傳輸少量報(bào)警信息，所需傳輸?shù)耐ㄓ盟俾始s為2 kb/s。所以MAX2990芯片可以滿足數(shù)據(jù)速率的需要。

OFDM是一種特殊的多載波調(diào)制技術(shù)，提供了一種具有較大延遲的信道高速數(shù)據(jù)速率的方法。OFDM技術(shù)將高速數(shù)據(jù)流分離成許多低速數(shù)據(jù)流，并以并行模式在正交子信道上傳輸。 因此，對(duì)于子信道上的每個(gè)符號(hào)，信號(hào)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)于該信號(hào)在信道上的延遲,那么ISI的影響很容易被中和。OFDM不僅具有抗多徑干擾的能力還具有多載波調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)，使得頻譜的可用性非常高。圖3為電力線載波通信結(jié)構(gòu)圖。

圖3 電力線載波通信結(jié)構(gòu)圖

2.2 PLC模塊工作流程

在電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)中，MAX2990提供服務(wù)于數(shù)據(jù)鏈路層和物理層的通信協(xié)議。主處理器CS5530A-UCE負(fù)責(zé)與MAX2990的通信,MAX2990將物理層(PHY)和媒體訪問控制(MAC)層集成在一個(gè)芯片中，并配有16位RISC MAXQ微控制器。MAX2990具有32 KB的Flash存儲(chǔ)器，用于運(yùn)行MAC編碼和用戶定義的應(yīng)用軟件，以及一個(gè)用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的8 KB SRAM。此外，MAX2990支持通過串行端口(如I2C)與網(wǎng)絡(luò)中其他UART和SPI設(shè)備連接的通信。

MAX2990與MAX2991一起工作，它作為MAX2990的模擬前端器件。MAX2990的主要功能是將數(shù)字信號(hào)輸出改為模擬形式并重新傳輸?shù)诫娫淳€,同時(shí)將從電源線輸出的模擬信號(hào)更改為數(shù)字形式，并將其傳輸?shù)組AX2991，濾波模擬信號(hào)來自電源線。數(shù)據(jù)通過RS232從MCU發(fā)送到MAX2990并進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換后，數(shù)據(jù)將傳輸?shù)組AX2990的物理層。然后MAX2990以O(shè)FDM方式調(diào)制數(shù)據(jù)，并通過AFE SPI將其傳輸?shù)組AX2991。

MAX2991收發(fā)器提供兩條主要路徑：發(fā)送路徑和接收路徑。發(fā)送路徑將OFDM調(diào)制信號(hào)注入到AC或DC線路中,發(fā)送路徑由數(shù)字IIR濾波器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)、低通濾波器和預(yù)線驅(qū)動(dòng)器組成。接收路徑用于接收信號(hào)的信號(hào)增強(qiáng)、濾波和數(shù)字信息。接收機(jī)由低通和高通濾波器、兩級(jí)自動(dòng)增益控制(AGC)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)組成。集成的AGC可使信號(hào)的最大化動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到60 dB，而低通濾波器可以去除任何帶外噪聲，并選擇所需的頻帶，而ADC則可將增強(qiáng)和放大的輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式。MAX2991與電源線驅(qū)動(dòng)器和線耦合器連接。在電源線的另一端，信號(hào)由MAX2990進(jìn)行解調(diào)，然后發(fā)送到主機(jī)，這就是電能質(zhì)量收集和傳輸?shù)娜^程。圖4為電能質(zhì)量參數(shù)監(jiān)測(cè)軟件流程圖。圖5為電能質(zhì)量控制模塊的軟件流程圖。

圖4 電能質(zhì)量參數(shù)監(jiān)測(cè)軟件流程圖

圖5 電能質(zhì)量控制模塊的軟件流程圖

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試及結(jié)果分析

利用本系統(tǒng)設(shè)計(jì)搭建好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)電能質(zhì)量參數(shù)如電壓有效值、電流有效值、電網(wǎng)頻率、電壓諧波進(jìn)行了測(cè)量，并與標(biāo)準(zhǔn)電能質(zhì)量分析儀進(jìn)行對(duì)比。表1為電壓電流有效值對(duì)比結(jié)果，表2為電壓諧波對(duì)比結(jié)果。

表1 電壓電流有效值對(duì)比結(jié)果

表2 電壓諧波對(duì)比結(jié)果

從表1中可以看出，電壓有效值測(cè)量誤差小于0.1%，電流有效值測(cè)量誤差小于0.5%。從表2中可以看出，當(dāng)諧波分量幅值增大時(shí)，測(cè)量精度較高，但對(duì)于較高次諧波，隨著幅值減小，測(cè)量精度較差。此外，經(jīng)過對(duì)頻率測(cè)量相對(duì)誤差的計(jì)算，其結(jié)果顯示小于0.01%，精度較高。

結(jié) 語(yǔ)