基于快速傳輸海量存儲的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)

摘要 根據(jù)對傳統(tǒng)電能質(zhì)量采集裝置的分析和研究，文中提出了基于CAN總線的電能質(zhì)量監(jiān)測及數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該裝置主要針對數(shù)據(jù)的大量和可靠性傳輸，設(shè)計(jì)了一種基于CAN總線的快速數(shù)據(jù)傳輸平臺，有效地實(shí)現(xiàn)了基站與上位機(jī)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信；同時(shí)利用U盤讀寫模塊，使裝置外擴(kuò)了大容量移動硬盤，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的海量存儲。另外，給出了數(shù)據(jù)采集、鎖相倍頻、數(shù)據(jù)通信等模塊電路。測試表明，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，方案有效可行。
關(guān)鍵詞 電能質(zhì)量；DSP；CAN總線；數(shù)據(jù)存儲

    隨著電力電子設(shè)備的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣，導(dǎo)致用電負(fù)荷加大，其中一些沖擊性、非線性負(fù)荷使得電網(wǎng)中電壓波形畸變，電壓波動、閃變和諧波含量增加等問題時(shí)有發(fā)生，電網(wǎng)受到嚴(yán)重污染；另外，隨著精密和復(fù)雜電子設(shè)備的大量應(yīng)用，對電網(wǎng)電能質(zhì)量的要求也越來越高。因此如何提高電能質(zhì)量是電力企業(yè)面臨的一個(gè)重要課題，而對電能進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測是提高和改善電能質(zhì)量的一個(gè)重要組成部分。
    目前已有的電能質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備基本實(shí)現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的采集、傳輸以及分析處理功能，只是在各功能實(shí)現(xiàn)的方式上有所不同。文獻(xiàn)分別采用虛擬儀器技術(shù)、DSP+MCU雙CPU設(shè)計(jì)以及在LPC2478上移植μC／OS-Ⅱ操作系統(tǒng)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對電能質(zhì)量的監(jiān)測，其中與外部的通信部分采用RS-232、紅外、RS-485等通信方式。
    通信技術(shù)是研究與開發(fā)電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，其通信性能也直接影響著整個(gè)電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的性能，這樣對數(shù)據(jù)的傳輸速率以及傳輸可靠性方面提出很高的要求。由于CAN總線在性能、可靠性等方面的突出優(yōu)勢以及可高速、長距離傳輸?shù)忍攸c(diǎn)，使之特別適合現(xiàn)場監(jiān)控設(shè)備的數(shù)據(jù)通信。因此，采用CAN總線來構(gòu)建電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)，可有效地實(shí)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)高速可靠地傳輸。同時(shí)，以往在線式電能質(zhì)量監(jiān)測裝置的存儲容量較小，而本裝置利用U盤讀寫模塊，使裝置外擴(kuò)更大容量的移動硬盤，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的海量存儲。針對以上需求，提出了一種基于CAN總線的電能質(zhì)量監(jiān)測及數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試證明了該方案的有效性。

1 系統(tǒng)工作原理
    該系統(tǒng)采用雙DSP作為核心，將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換后輸出給主DSP，主DSP分析處理后連同原始數(shù)據(jù)一同發(fā)送到CAN總線上，CAN-bus轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊從總線上讀取數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)進(jìn)行分析處理，通過圖表顯示、統(tǒng)計(jì)、分析，實(shí)時(shí)顯示電能質(zhì)量的健康狀況。輔DSP從總線上讀取數(shù)據(jù)后進(jìn)行壓縮，通過U盤讀寫模塊將數(shù)據(jù)存到大容量移動硬盤里。系統(tǒng)工作原理，如圖1所示。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
2．1 CPU與A／D芯片的選取
    根據(jù)系統(tǒng)工作需要，CPU既要有快速數(shù)據(jù)處理能力又要有豐富的外設(shè)控制功能，選取TI公司的TMS320F2812，這是一款用于控制的高性能、多功能、高性價(jià)比的32位定點(diǎn)DSP芯片，最高可在150 MHz主頻下工作。F2812片內(nèi)集成眾多資源，本系統(tǒng)主要利用其快速處理和不同于其他CPU的增強(qiáng)型eCAN總線接口和事件管理器(EV)功能，選擇雙CPU主要是根據(jù)工作需要，主CPU完成數(shù)據(jù)采集、處理和發(fā)送，而輔CPU完成數(shù)據(jù)壓縮和存儲。A／D芯片選用TI公司的高性能A／D轉(zhuǎn)換芯片ADS8364。該芯片是一款高速、低能耗、6通道同步采樣，單+5 V供電的16位高速并行接口的高性能A／D轉(zhuǎn)換芯片，其不論在精度、速率還是采集方式上都符合本系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。
2．2 數(shù)據(jù)采集模塊
    數(shù)據(jù)采集模塊主要完成系統(tǒng)對三相電壓、三相電流的實(shí)時(shí)而精確的數(shù)據(jù)采集，為以后各項(xiàng)指標(biāo)的計(jì)算分析提供可靠的數(shù)據(jù)資源。
2．2．1 電壓、電流互感器
    為盡可能使采樣到DSP的信號逼近于原始信號，還應(yīng)選擇合適的電流、電壓變換器進(jìn)行測量和轉(zhuǎn)換，使信號調(diào)整為適合A／D轉(zhuǎn)換的要求。設(shè)計(jì)采用上海和華電子科技有限公司生產(chǎn)的電流型電壓互感器SPT204A和電流互感器SCT254FK。[!--empirenews.page--]
2．2．2 抗混疊濾波電路設(shè)計(jì)
    抗混疊濾波電路實(shí)質(zhì)是迫使信號通過一個(gè)有限帶寬的低通濾波器，使輸入到A／D轉(zhuǎn)換器的信號為有限帶寬信號，并且以很小的衰減讓有效的頻率信號通過，而抑制這個(gè)頻帶以外的頻率信號，從而防止信號的頻譜發(fā)生混疊及高頻干擾。該濾波器的截止頻率為采樣頻率的一半。諧波測量系統(tǒng)在信號每個(gè)周期采樣128點(diǎn)即采樣頻率為128×50=6 400 Hz，所以抗混疊濾波器的截止頻率為采樣頻率的一半即3200Hz。

2．2．3 鎖相倍頻電路的設(shè)計(jì)
    雖然我國電網(wǎng)的頻率規(guī)定為50 Hz，但實(shí)際電網(wǎng)的頻率受供電負(fù)荷不平衡影響會有一些波動。如果以定步長對電力系統(tǒng)的信號進(jìn)行采樣，會使實(shí)際每個(gè)工頻周期內(nèi)采樣點(diǎn)的起始時(shí)刻、采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)出現(xiàn)差異，這種差異將導(dǎo)致柵欄效應(yīng)和頻譜泄露，使信號頻譜分析的結(jié)果產(chǎn)生誤差。為盡量減小這種誤差，設(shè)計(jì)鎖相倍頻電路跟蹤系統(tǒng)頻率的波動。

    鎖相倍頻電路由相位比較器、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器和分頻器4部分構(gòu)成，具體電路如圖3所示，電路工作原理為：輸入電壓信號通過14腳接入CD4046的相位比較器，經(jīng)鎖相環(huán)的相位鎖定后，由CD4040的4腳輸入CD4046的3腳的信號頻率與原輸入信號的頻率一致。此時(shí)由CD40 46產(chǎn)生一個(gè)頻率為128倍于輸人信號的脈沖作為A／D的采樣頻率。在此，將鎖相倍頻電路輸出端口與ADS8364的／HOLDX相連，以滿足同步采樣的需要。[!--empirenews.page--]
2．3 數(shù)據(jù)通信模塊
    數(shù)據(jù)通信部分采用CAN總線，在傳輸速率上有了很大的提高，可以達(dá)到1 Mbit·s-1。F2812內(nèi)部集成了eCAN控制器。eCAN模塊是一種片上增強(qiáng)控制器，其性能較已有的DSP內(nèi)嵌CAN控制器有較大提高，而且數(shù)據(jù)傳輸靈活方便，數(shù)據(jù)量大、可靠性高、功能完備。CAN驅(qū)動器使用TI公司的SN65HVD230D設(shè)計(jì)了CAN-bus轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊，用來完成向上位機(jī)傳輸數(shù)據(jù)。該模塊內(nèi)部集成了一路CAN-bus接口和一路EtherNet接口以及TCP／IP協(xié)議棧，利用它可以輕松完成CAN-bus網(wǎng)絡(luò)和EtherNet網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)，進(jìn)一步拓展CAN-bus網(wǎng)絡(luò)的范圍。CAN口通信最高波特率為1Mbit· s-1，具有TCP Server，TCPClient，UDP等多種工作模式，每個(gè)CAN口可支持2個(gè)TCP連接或3×254個(gè)UDP連接，通過配置軟件可以設(shè)定相關(guān)配置參數(shù)。方便地實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)高速傳輸，把數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳到上位機(jī)進(jìn)行分析處理，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，為電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障。

2．4 數(shù)據(jù)存儲模塊
    本文的設(shè)備結(jié)合數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，完成對所有數(shù)據(jù)的存儲，可以連續(xù)記錄一年的波形，不需要門檻和觸發(fā)閥值，只要簡單地接入，不會丟失事件，為以后的計(jì)算分析提供可靠的數(shù)據(jù)資源。該模塊內(nèi)嵌USB2．0協(xié)議，具有RS232串口和高速SPI接口，SPI口讀寫文件速度為1．5Mbit ·s-1，可以把所有數(shù)據(jù)及時(shí)地存儲到硬盤里，其具有以下功能：檢測U盤的狀態(tài)、創(chuàng)建文件和目錄、打開一個(gè)已經(jīng)創(chuàng)建的文件和目錄、從文件中讀取指定長度和位置的數(shù)據(jù)、寫數(shù)據(jù)到指定文件的指定地址、列舉目錄下的文件和目錄、刪除文件和目錄、查詢U盤容量、剩余空間及FAT格式。模塊遵守USB2．0協(xié)議規(guī)范，支持所有基于USB的移動存儲器，支持FAT16／32文件系統(tǒng)。系統(tǒng)工作于命令應(yīng)答方式下，由用戶系統(tǒng)發(fā)出命令，系統(tǒng)再根據(jù)該命令進(jìn)行相應(yīng)處理后，向用戶系統(tǒng)返回相關(guān)的應(yīng)答。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    實(shí)時(shí)電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的軟件主要包括：運(yùn)行在電能質(zhì)量監(jiān)測儀上的數(shù)據(jù)采集、存儲、通信以及各種算法軟件；另一部分是運(yùn)行在上位機(jī)上的軟件，用來對從監(jiān)測儀獲得的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析以及為改善電能質(zhì)量問題所采取的措施提供依據(jù)。結(jié)構(gòu)圖，如圖5所示。

    圖6為運(yùn)行在電能質(zhì)量檢測儀上的程序流程圖，一些函數(shù)模塊的功能介紹如下：

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    SysCtrl()：主要完成系統(tǒng)各功能模塊的初始化任務(wù)，包括CPU TMS320F2812的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率的設(shè)置、外設(shè)時(shí)鐘的開啟以及A／D轉(zhuǎn)換芯片ADS8364的工作時(shí)鐘。
    Read_AD()：主要用來讀取A／D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，為CPU對數(shù)據(jù)的后續(xù)處理做準(zhǔn)備。
    fft128()：把信號從時(shí)域變成頻域，主要完成諧波的分析。
    CAN_TX()：主CPU把數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN總線上。
    SPI_TX()：主要實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的存儲，把所有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)都保存到外擴(kuò)的移動硬盤。

4 系統(tǒng)性能測試
    本系統(tǒng)在負(fù)載三相交流電機(jī)、KT系列晶閘管調(diào)壓器、VBF-150／200型真空高溫壓力焊接爐工作下，對三相電壓進(jìn)行監(jiān)測。
    具體實(shí)驗(yàn)過程：首先負(fù)載1工作，將焊接爐內(nèi)抽成真空，約半小時(shí)，接著接通整流設(shè)備連同負(fù)載2一起工作，整流設(shè)備將三相交流電壓轉(zhuǎn)化成5 V直流電壓，其內(nèi)置整流、穩(wěn)壓等電路，可能對電網(wǎng)造成污染。在此期間，本電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)一直跟蹤監(jiān)測，所測電壓數(shù)據(jù)波形如圖7(a)和圖7(b)所示。

    由電壓波形圖可知，大型的非線性負(fù)載對電網(wǎng)會造成嚴(yán)重的污染，因此研究開發(fā)新型、實(shí)用、穩(wěn)定可靠的電能質(zhì)量監(jiān)測儀，對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

5 結(jié)束語
    設(shè)計(jì)的基于CAN總線的電能質(zhì)量監(jiān)測及數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)以往產(chǎn)品的功能，還可以保存長達(dá)一年的歷史數(shù)據(jù)，并利用CAN總線結(jié)合以太網(wǎng)快速高效地傳輸數(shù)據(jù)，滿足了現(xiàn)代電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、實(shí)時(shí)性的要求，經(jīng)試驗(yàn)證明，各項(xiàng)功能指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。