基于DSP和ARM便攜式電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)_圖文

1、第38卷第24期電力系統(tǒng)保護(hù)與控制V01.38No.24蘭Q!Q!蘭旦!壘旦2蘭!壘芝!生巴!竺!竺!竺翌璺望壘竺2翌!121旦暨:!壘:!Q!Q基于DSP和ARM便攜式電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)舒雙寶,羅家融,王勤渭,孫濱璇(東華大學(xué)理學(xué)院,上海201620摘要:介紹一種基于DSP和ARM架構(gòu)的便攜式電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)方案。利用TI TMS320F2812DSP和高精度數(shù)據(jù)采集芯片AD7656完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)電信號(hào)的同步采集和分析計(jì)算,DSP通過(guò)串口和FIF0與嵌有Linux系統(tǒng)的ARM￥3C2440芯片通信,完成分析數(shù)據(jù)和原始數(shù)據(jù)的傳輸,采用大容量存儲(chǔ)設(shè)備記錄存儲(chǔ)采樣波形和分析結(jié)果,

2、通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口上傳教據(jù)并設(shè)置監(jiān)測(cè)終端的運(yùn)行參數(shù).實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明該設(shè)計(jì)的可行性,該系統(tǒng)滿足實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)電能質(zhì)量的各項(xiàng)指標(biāo)。關(guān)鍵詞:電能質(zhì)量;DSP;嵌入式系fA;ARM;LinuxDesign and implementation of a portable power quality monitoring device based on DSP andARMSHU Shuang-bao,LUO Jia-rong,WANG Qinyong,SUN Binxuan(College ofScience,Donghua University,Shanghai201620,ChinaAbstracts

3、A new design ofDSP+ARM portable power quality monitodng device is proposed in this paper.TMS320F2812DSP and high precision AD7656are used for power quaiity data synchronous acquisition.Monitoring values arc computed in the DSP.whichcommunicates with ARM S3C2440embedded with Linuxsystem via serial po

4、rt and FIFOand transferspower data and computedvalues.The data a旭stored in large capacity storage device and displayed in the LCD.The data transmission between PC and ARM is fulfilled by network and the operating parameter ofmonitoring terminal is set.Feasibility and reliability ofthe device are val

5、idated by experimental test,and the results show that the device is in accord with the electric power quality monitoring standard.This work is supported by National Natural Science Foundation ofChina(No.10875027.Key words,power quality:DSP:embedded system:ARM;Linux中圖分類號(hào):TM714文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674.3415(20

6、1024-0185.05O引言隨著科學(xué)技術(shù)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,對(duì)電能的需求量日益增加,同時(shí)對(duì)電能質(zhì)量的要求也越來(lái)越高,電力部IJ和用戶對(duì)電能質(zhì)鼉也越來(lái)越關(guān)注。由于不對(duì)稱性、沖擊性、非線性負(fù)荷容量的不斷增長(zhǎng),電能質(zhì)量問(wèn)題日益突出;同時(shí),越來(lái)越多的敏感負(fù)載對(duì)電能質(zhì)量有著更高的要求。如何提高和保證電能質(zhì)量已經(jīng)成為電力系統(tǒng)面臨的重要問(wèn)題,為改善電能質(zhì)量和制定相關(guān)的治理措施,電力部門需對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行連續(xù)的測(cè)鼉,使得開(kāi)發(fā)和使用新型的高性能、適用性強(qiáng)的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成為一種必然11-21。目前國(guó)內(nèi)大部分地區(qū)采用的電能質(zhì)最監(jiān)測(cè)儀由于其測(cè)量指標(biāo)單一,不能夠連續(xù)監(jiān)測(cè),測(cè)量勞動(dòng)強(qiáng)基金項(xiàng)目:圍家自然科學(xué)基金(1087

7、5027度大等原因,不能夠很好地適應(yīng)電能質(zhì)量管理的需要【3】。本系統(tǒng)采用DSP和ARM技術(shù)研制高精度多通道電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng),作為網(wǎng)絡(luò)型電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的一部分,以分布式電能質(zhì)量I監(jiān)測(cè)終端為研究對(duì)象,立足于目前國(guó)內(nèi)外電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的現(xiàn)狀,研制出一套功能完備的電能質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)終端系統(tǒng)。1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及功能本系統(tǒng)采用數(shù)字信號(hào)處理器DSP和高速高精度數(shù)字采樣芯片(以下簡(jiǎn)稱AD并配合LCD顯示各通道波形和計(jì)算分析結(jié)果,采用大容璉存儲(chǔ)設(shè)備記錄存儲(chǔ)采樣波形和分析結(jié)果。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口上傳采樣和分析數(shù)據(jù)并對(duì)監(jiān)測(cè)終端進(jìn)行運(yùn)行參數(shù)設(shè)置。本監(jiān)測(cè)設(shè)備具有小型化、便攜式、多功能的特點(diǎn),可用于電網(wǎng)中電力線路的電能質(zhì)最實(shí)時(shí)監(jiān)

8、測(cè),也可用于安裝到電網(wǎng)中的某一節(jié)點(diǎn)執(zhí)行長(zhǎng)期的在線監(jiān)測(cè)任.186.電力系統(tǒng)保護(hù)與控期務(wù)。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要包括前端信號(hào)調(diào)理電路、DSP數(shù)據(jù)采集與處理電路、ARM數(shù)據(jù)保存與傳輸電路。前端信號(hào)調(diào)理電路使用電壓互感器和電流互感器將三相電壓和三相電流轉(zhuǎn)換到合適AD采集的電壓信號(hào),并進(jìn)行相關(guān)處理。DSP數(shù)據(jù)采集與處理電路主要完成控制AD對(duì)信號(hào)的多路同步采集并進(jìn)行電能質(zhì)量相關(guān)測(cè)量參數(shù)的運(yùn)算,再將參數(shù)運(yùn)算結(jié)果通過(guò)串口傳給ARM,同時(shí)DSP和ARM協(xié)同完成原始數(shù)據(jù)保存到SD卡中,ARM通過(guò)結(jié)果分析進(jìn)行故障判斷,如果有故障則SD卡保存故障前后3s 的原始數(shù)據(jù)以備分析。ARM端將測(cè)量結(jié)果通過(guò)LCD進(jìn)行顯

9、示,同時(shí)上位機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接收刪傳輸?shù)碾娔苜|(zhì)量監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),方便工作人員分析及進(jìn)行故障的判斷。本電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量的參數(shù)有:基波到50次的諧波分量,包括250次諧波有效值、各次諧波相角、諧波總畸變率、偶次諧波總畸變率、奇次諧波總畸變率、諧波含有率,電壓波對(duì)FIFO的控制和傳輸,并將采集的電壓、電流的動(dòng)與閃變,功率及功率因數(shù),三相不平衡度等。2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)-三相電壓扯艫爿數(shù)據(jù)一A一B六通c.+前端道同存儲(chǔ)信號(hào)_J步數(shù)顯示DSP控制掣調(diào)理?yè)?jù)采ATMS320F28I2一B電路集AD/ARM C數(shù)據(jù)處理圖1系統(tǒng)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1Hardware structure ofdevice2.1前端信號(hào)調(diào)

10、理電路2.1.1電壓互感電路本電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可測(cè)量的相電壓峰值可達(dá)到320V,可以滿足日常民用和工業(yè)用電的范圍需要,這樣就需要電壓互感器將原信號(hào)轉(zhuǎn)化為AD可以采集的范圍內(nèi)(如5V。圖2所示為本系統(tǒng)中電壓互感電路原理圖,采用VSM025A型霍爾電流型互感器來(lái)獲取電壓通道的信號(hào),在電路的最前端加上雙極性TvS(瞬態(tài)電壓抑制二極管來(lái)鉗制浪涌,以保護(hù)互感器,濾波電路是濾除50次諧波頻率以上的信號(hào)。圖2電壓互感電路示意圖Fig.2Skeltch map ofvoltage mutual inductance circuit2.1.2電流互感電路電流互感電路原理圖如圖3所示。采用哈爾濱三達(dá)德電力技術(shù)有限

11、公司MG8Q13鉗型電流互感器,此種互感器精度0.1級(jí),匝數(shù)比為2000:I,原邊最大輸入電流為10A,副邊最大電流為5mA。從鉗形互感器輸出的電流信號(hào),經(jīng)比例放大電路,放大2000倍,電容C起濾波的作用。圖3電流互感電路示意圖Fig.3Sketch mapofcurrent mutual inductance circuit2.2DSP數(shù)據(jù)采集與處理電路設(shè)計(jì)DSP主要作為計(jì)算各項(xiàng)電能質(zhì)量參數(shù)的平臺(tái),采用TMS320F2812作為主芯片,它是美國(guó)TI公司推出的C2000平臺(tái)上的定點(diǎn)32位DSP芯片,主頻最高可達(dá)150MHz,處理性能可達(dá)150MIPS,每條指令周期6.67ns,能很好地滿足實(shí)時(shí)

12、性需求14J。在DSP中主要完成電信號(hào)的采集、各個(gè)監(jiān)測(cè)量的計(jì)算,同時(shí)完成與ARM之間計(jì)算結(jié)果和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的同步傳輸。AD7656是美國(guó)ADI公司研制的6通道16位高精度、快速、低功耗、逐次逼近型ADC,具有6通道同步采樣功能【51。圖4所示為DSP數(shù)據(jù)采集電路。AD的控制信號(hào)由DSP芯片的一個(gè)I/O口(定時(shí)器產(chǎn)生,在CONVST信號(hào)的上升沿觸發(fā)AD的采樣信號(hào)。在AD轉(zhuǎn)換完成后BUSY信號(hào)產(chǎn)生F2812的外部中斷信號(hào),引起INTl中斷,在中斷程序中連續(xù)讀取6次AD的地址,就可以將6通道的數(shù)據(jù)讀取 基于DSP和ARM便攜式電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 作者： 作者單位： 刊名： 英文刊名： 年，卷(

13、期： 舒雙寶， 羅家融， 王勤湧， 孫濱璇， SHU Shuang-bao， LUO Jia-rong， WANG Qinyong， SUN Bin-xuan 東華大學(xué)理學(xué)院,上海,201620 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制 POWER SYSTEM PROTECTION AND CONTROL 2010,38(24 參考文獻(xiàn)(10條 1.趙剛;施圍;林海雪 閃變值計(jì)算方法的研究期刊論文-電網(wǎng)技術(shù) 2001(11 2.邵如平;韓正偉;林錦國(guó) 三相不平衡度數(shù)字檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)期刊論文-電力自動(dòng)化設(shè)備 2007(11 3.陳君;趙偉;初仁欣 測(cè)算電網(wǎng)頻率和諧波的新方法期刊論文-清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版 2000(01 4.楊水清;張劍;施云飛 ARM嵌入式Linux系統(tǒng)開(kāi)發(fā)技術(shù)詳解 2008 5.S3C2440 data sheet 2004 6.陳國(guó)磊;舒雙寶;季振山 電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)期刊論文-電力系統(tǒng)保護(hù)與控制 2009(03 7.TMS320x281x data sheet 2001 8.馮紅巖;趙雙喜;張建成 基于雙CPU的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)