基于ARM的电力系统谐波分析仪的研究与设计.pdf

2 0 1 0年第 4期 工业仪表与自动化装置 2 3 基 于 ARM 的 电 力 系统 谐 波分 析仪 的研 究 与设 计 陈若珠， 黄锦华， 骆东松， 刘承倩 ( 兰州理工大学 电气3 - 程与信息工程学院， 兰州 7 3 0 0 5 0 ) 摘要 ： 将 3 2位的 A R M微控制器应用于谐波分析 中， 并移植 了嵌入 式实时操作 系统 p C O S一 ， 算法_ k g了改进的快速傅立叶 变换 ( F F T ) ， 实现 了电力 系统 中谐 波的 实时测量、 显示和通信 的功 能 。 关键词 ： A R M； 谐波分析 ； C O S一； 快速傅立叶变换( F 丌 ) 中图分类号 ： T M 7 6 2 文献标志码： A 文章编号： 1 0 0 0 0 6 8 2 ( 2 0 1 0 ) 0 4 0 0 2 30 3 The r e s e a r c h a nd de s i g n o f po we r s y s t e m h a r mo ni c a na l y z e r b a s e d a n AEM CHE N Ru o z h u，HUAN G J i n h u a，L UO D o n g s o n g ，L I U C h e n g q i a n ( C o l l e g e o fE l e c t r i c a l I n f o r m a t i o n E n g i n e e r i n g， L a n z h o u U n iv e r s it y o fT e c h n o l o g y， L a n z h o u 7 3 5 0 ， C h i n a) Abs t r a c t ： I n t h i s p a p e r， ARM mi c r o c o n t r o l l e r i s us e d a n d e mb e d d e d r e a lt i me o p e r a t i o n s y s t e m C O S 1 1 i s t r a n s p l a n t e d i n t h e h a r mo n i c a n a l y s i s d e v i c e I t a n a l y z e s d a t a wi t h s p l i t 2 r a d i x f a s t F o u r i e r t r a n s f o r m ( F F T r ) T h e h a r m o n i c s c a n b e m e a s u r e d b y u s i n g t h i s d e v i c e a n d L C D d i s p l a y a l o n g w i t h c o n mu n i c a t i o n h a s b e e n r e a l i z e d Ke y w o r d s ： AR M； h a r m o n i c s a n a l y s i s ； C O S I I ； f a s t F o u r i e r t r a n s f o rm ( F F T ) 0 引言 目前 ， 电力谐波分析已经成为电力系统领域的 一 个重要研究方向。各种电力 电子装置的迅速普及 使得公用电网的谐波污染 日趋严重 ， 电能质量下降。 因此 ， 测量电网及非线性用电设备的谐波分量 ， 掌握 系统中谐波的实际情况， 对于防止谐波危害， 提高供 电质量是十分必要的。 目前 国内大部分应用于电力系统 中的谐波分析 仪存在不足 ， 如测量实时性差 、 测量精度不高和没有 通信功能等。嵌入式系统是一个新兴的技术 ， 由于 它具有体积小 、 功能强、 功耗低和面向专门应用的特 点 ， 其应用越来越广泛。该文 以 A R M 和 C O S一 为开发平 台， 组建 了一个高精度 的电力谐波分析 系统。该设计采用快速傅立叶变换( F F T ) 进行电力 系统谐波分析时 ， 需要对采样信号截断并离散化 ， 从 收稿 日期 ： 2 o o 91 0 2 8 基金项 目： 甘 肃 省 科 技 支 撑 计 划工 业 计 划 项 目资 助 ( 0 8 0 4 G K C A 0 4 6 ) 作者简介： 陈若珠 ( 1 9 6 3 ) ， 女 ， 山西万荣人 ， 高级 工程师 ， 研究 方 向为智能控制理论 与应用等 。 而导致频谱泄漏和栅栏效应。由于同步采样和整数 周期截断在实际中很难做 到， 频谱泄漏和栅栏效应 将影响到谐波分析的结果 。该文在硬件电路中加入 了锁相环模块 ， 能够有效地抑制频谱泄漏和栅栏效 应 ， 提高谐波参数测量的准确度。 1 硬件设计 硬件分成信号采集调理模块 、 谐波检测 与分析 模块 、 接 口模块 、 监控模块和外部存储器模块 6个主 要部分 。硬件总图如图 1 所示。 图 1 硬件 总图 电网信号经过信号采集调理模块后， 变成 A R M 2 4 工业仪表与 自动化装置 2 O l O年第 4期 芯片允许的电压 ， 同时经过过零 比较和锁相环锁定 基波的频率。基波的频率是一个非常重要的参数 ， 其测量的准确性直接影 响系统的测量性能和精度。 谐波检测与分析模块负责通过 A D对输入 的模拟 信号每一周期采样一定的点数， 再进行 F F T变换和 有关数学运算后得到所需要的谐波含量及电网运行 参数等数据 ， 并存储到外部存储器 中。接 口模块完 成通信和调试 。监控模块负责波形 、 数据的显示及 键盘控制。外部存储器模块是为了增强系统的数据 处理能力而设计的。 1 1 A R M 芯片简介 在硬件设计 中， A R M 采用的是 $ 3 C 4 4 B 0 X处理 器 ， 它使用的是 1 6 3 2位 R I S C结构 的 A R M 7 T D MI 内核 ， 工作在 6 6 MHz ， 包括 了T h u m b代码压缩器 ， 一 个片上 I C E断点调试支持和一个 3 2位硬件乘法器。 芯片中还集成 了 8 K B C a c h e 、 外 部存 储器控 制器、 L C D控制器 、 4个 D MA通道 、 2通道 U A R T、 1个多 主 1 2 C总线控制器 、 5通道 P WM定时器和一个内部 定时器、 7 1个通用 I O口、 8个外部中断源、 实时时 钟和一个 8通道 1 0位 A D转换模块。 S 3 C 4 4 B O X内部集成 了一个 1 0位 C MO S模数 转换器 A D C， 它包括一个 8通道的模拟输入 、 自动 过零 比较 器、 时钟 发生 器 、 1 0位 连续 近似 寄存 器 ( S A R) 和输出寄存器 ， 它还提供软件选择的运行模 式。设计利用 $ 3 C 4 4 B O X片 内所带的这个 A D， 与 仪表前端互感器的输 出端相连 ， 将采集到的标准信 号输 入 C P U 中。 $ 3 C 4 4 B 0 X处理器周 围设 计 了一些相关 电路 ， 组成一个最小系统。主要包括外部存储芯片 、 处理 器需要 的 3 3 V和 2 5 V电源 电路 、 J T S G接 口电 路 、 R S一 2 3 2串行接 口、 上电复位 和电源监测电路、 数据线、 地址线和 I O线。 1 2 低通滤波电路 由于设计采用 的基 于 F F T的谐波检测算法本 身固有的一个缺点混叠效应 ， 所 以在进行 A D 采样之前， 必需将采集后的电压信号和经程控放大 后的电流信号一同进入 由MA X 2 7 1 低通滤波器组成 的模拟滤波电路进 行滤波 ， 使得输入信号频谱 限制 在奈奎斯特频率以下 ， 有效地预防频谱混叠 的发生， 克服 F F T 算法的混叠效应这一缺点。 低通滤波电路如图 2所示。MA X 2 7 1是一个 巴 特沃思型滤波器， 因为其截止频率可以通过外部引 脚编程确定 ； 又因为各电压和电流信号具有相 同的 采样 频 率 ， 所 以 用 一 组 8位 D I P开 关 为 3片 MA X 2 7 1 ( 每一片 MA X 2 7 1能 同时对 2路信 号进行 滤波， 所 以采用 3片 MA X 2 7 1 ) 设置相 同的截止频 率。 MAX2 7 1 I NA OU_r A T ， H OUT S HDN oUTB 制 V+ D6 o 1 g F T T1 0 g F 1 0 D 5 C3 一 上C l G N D D 4 0 1 p F - T 。 D 3 V D 2 、 ， I D1 1 4 CS D0 1 2 W R l 6 A0 M oDE I NB 图 2低通滤波电路图 1 3 硬件 同步电路 检测电路的关键部分就是硬件同步电路模块 ， 只有在硬件 同步 电路很好地达到要求时， 才能满足 整个系统设计要求 ， 完成 电流 、 电压的同步傅立叶变 换分解。为了实现同步采样 ， 采用锁相倍频技术 ， 即 用 C D 4 0 4 6锁相环器件实现了采样频率 对基波频 率-厂 的在线 自动跟踪 ， 即满足i s =N l 厂 从而保证在 一 个工频周期 内均匀采集 个点， 供傅立叶变换分 析和计算。因此 ， 在硬件 同步电路设计中 ， 使用 了数 字锁 相 环 器 件 C D 4 0 4 6 ， 再 配 合 数 字 计 数 器 件 C D 4 0 4 0 ， 很好地完成同步采样。硬件同步电路图如 图 3所示 。 R1 图 3 硬件同步电路图 ,C L K RsT 2 软件设计 在电力谐波分析仪软件的设计中， 将 t x C O S一 应用于 S 3 C 4 4 B O X的程序设计 中， 将 系统所要实 现的功能细化成为几个核心任务 ， 由 C O S一实 时内核进行调度。实现多任务的并行执行 ， 使系统 一 P 2 T F 2 = 刚 一 一 一 一 队 蓊 2 0 1 0年第 4期 工业仪表与 自动化装置 2 5 的可靠性和实时性得到大幅提升。结合分析仪的硬 件结构 ， 按照优先权的高低， 将系统的几个任务按其 优先级从高到低顺序排列依次是 ： 信号采样 、 数据运 算 、 键盘扫描 、 液晶显示和网络通信。 系统运行时， 首先进行系统初始化操作 ， 初始化 所有数据结构 ， 分配堆栈空间 ， 然后建立任务 间通信 的信号量或者消息队列 ， 进行任务建立 ， 并且分配任 务优先权。所有新建任务被置为就绪态 ， 系统程序 从优先权最高的任务开始执行 。软件总流程如 图4 所示 图 4软件总流程 图 2 1 数 据采集 初始化定时器并根据采样频率设置定时器中断 时问， 由中断服务程序进行 A _ D采样l 2 j 。当采样点 数到达 点 ， 则进行一次 F F T运算 。为了获得较好 的实时性 ， 可以根据采样频率 、 采样点数和数据处理 时间， 分配一个足够大数据缓冲区， 用于存放采样数 据 ， 这样数据采样 和数据处理可以并行操作 。缓冲 区要足够大是为了保证用于一次 F f Y r运算的 点 数据是连续采样的数 据。一次 A D采样 的流程如 图 5所示 ， C o u n t 为采样点数计数器。 图 5 A D采样的流程图 2 2 快速傅立叶变换 谱分析是信号处理常用的方法 ， 快速傅立叶变 换是离散傅立u 十 变换的一种快速算法 ， 也正是 因为 有了快速傅立叶算 法 ， 才使信号频谱分析应用更加 广泛。这里采用时 间抽取 F F T方 法， 输入倒位序 ， 输 出顺序。程序中包括 2部分 ， 一部分是倒位序计 算 ， 采用雷德 ( R a d e r ) 算法 。第 2部分是递推计 算 ( N= 2 L ， L是正整数) 。其中 ( n ) 是输入序列 ， 为运算点数 。 级递推运算有 以下特点 ： 每级有 N 2个蝶型结 ， 对于第 1 7 1 , 级 的 N 2个蝶型结 ， 共有 2 一 种蝶型运算 ， 即有 2 一 个 不 同的系数， 分别 为 。 ， ， ， ，蝶型结 2个节点的结距 为2 一 ， 运算步进值为 2 。运算流程如图6所示。 3 结语 图 6 F F T运算流程 该 设 计 硬 件 上 运 用 了 高 速 的 A R M 芯 片 S 3 C 4 4 B O X， 该芯片集成了 A D C模块 ， 简化 了电路板 的设计。$ 3 C 4 4 B O X运算速度快 ， 能在一个基波周 期 内采样更多的点 ， 提高 了分析准确度。同时针对 F f T r的缺陷 ， 该设计采用了锁相环技术和低通滤波 器 ， 电路简单 ， 实时 好 。该分析仪有较好的实时 性 和可靠性 ， 体积小携带方便 ， 适用于电力系统。 参考文献 ： 1 周厚奎， 张昱 ， 金心宇 基于傅立叶和小波变换的电网 谐波分析 J 电力系统及其 自动化学报， 2 0 0 5 ， 1 7 ( 6)： 5 96 2 2 潘小波， 杨维翰， 苗溪明， 等 基于 A R M9的谐波监测 仪数据采集接 口 J 安徽工业 大学学报， 2 0 0 7 ， 2 4 ( 2 ) ： 2 0 9 2 1 2 3 胡广书 数字信号处理： 理论 算法与实现 M 北京： 清华大学出版社， 1 9 9 7