摘 要: 針對目前電能質(zhì)量分析儀存在的不足，結(jié)合硬件與軟件的優(yōu)點(diǎn)，提出采用Linux+DSP的設(shè)計(jì)方案，不僅方便外圍設(shè)備的擴(kuò)展，也利于算法及應(yīng)用程序的移植，可以根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用環(huán)境采用不同的算法及數(shù)據(jù)分析軟件，同時數(shù)據(jù)庫也加強(qiáng)了對數(shù)據(jù)的組織與管理。此方案開放性、互操作性好，整合了互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，極大地提高了電能質(zhì)量分析儀的網(wǎng)絡(luò)化、智能化、集成化水平。
關(guān)鍵詞: Linux； DSP； 電能質(zhì)量； HHT
伴隨著智能電網(wǎng)的建設(shè)與發(fā)展，新能源的開發(fā)與應(yīng)用技術(shù)蓬勃發(fā)展導(dǎo)致更多的電力電子非線性設(shè)備接入電網(wǎng)，如大規(guī)模電力電子整流器、逆變器等，這些非線性、沖擊性大功率負(fù)荷設(shè)備是電力系統(tǒng)諧波污染源，電能質(zhì)量問題日益嚴(yán)峻[1]；數(shù)字技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了自動化程度的提高及控制理論的發(fā)展，越來越多的基于微處理器的精密數(shù)字化用電設(shè)備投入運(yùn)行，這些設(shè)備對電磁干擾較為敏感，無疑對電能質(zhì)量提出了更高的要求。可見，對電能的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測、統(tǒng)計(jì)和分析并制定相應(yīng)的調(diào)整措施以提高電能質(zhì)量是十分必要的。
目前電能質(zhì)量分析儀主要是基于DSP或者DSP+MCU構(gòu)成[2-3]，也有學(xué)者提出DSP+CPLD[4]、DSP+PC的組合方案。無論何種組合,其實(shí)質(zhì)都是雙CPU結(jié)構(gòu)，DSP負(fù)責(zé)數(shù)字信號處理，另一CPU負(fù)責(zé)外圍設(shè)備接口的管理。但眾多設(shè)計(jì)研究者陷入了比拼硬件的誤區(qū)，而忽略了電能質(zhì)量分析儀的核心是算法。硬件是基礎(chǔ)，而算法才是靈魂。本文提出基于Linux+DSP的電能質(zhì)量分析儀的研究方案，該方案利用Linux操作系統(tǒng)的模塊性、層次性，可擴(kuò)展性好，可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要增減相應(yīng)的外圍設(shè)備。最為主要的是可以采用不同的算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，不同的算法對應(yīng)于操作系統(tǒng)中不同的進(jìn)程，用戶可根據(jù)需要選擇相應(yīng)的算法。
1 電能質(zhì)量檢測概述
電能質(zhì)量監(jiān)測主要是對電能的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測、數(shù)據(jù)實(shí)時處理、統(tǒng)計(jì)分析并制定相應(yīng)決策。現(xiàn)代電能質(zhì)量評價指標(biāo)主要有：可靠性、頻率偏差、電壓偏差、三相不平衡、短時電壓中斷、短時電壓上升、短時電壓下降、電壓波動與閃變、諧波、間諧波、暫時過電壓、瞬態(tài)過電壓等，不同的指標(biāo)需采用不同的算法。電能質(zhì)量檢測要求能快速捕捉暫態(tài)干擾波形，能測量各次諧波及間諧波的幅值、相位，能建立有效的分析和自動辨識系統(tǒng)。在線監(jiān)測、實(shí)時分析、網(wǎng)絡(luò)化和智能化是電能質(zhì)量分析儀的發(fā)展方向。
2 硬件設(shè)計(jì)
2.1 數(shù)據(jù)采集及處理模塊
整體硬件電路龐大，限于篇幅，本文只闡述設(shè)計(jì)的大體框架及思路，一些小的電路模塊不再詳細(xì)說明。本設(shè)計(jì)方案核心DSP采用TI公司C28x Delfino浮點(diǎn)系列TMS320F28335,該系列為實(shí)時控制應(yīng)用帶來了領(lǐng)先的浮點(diǎn)性能和集成度，可滿足嚴(yán)苛的實(shí)時應(yīng)用。TMS320F28335是一款高性能32位CPU，采用靜態(tài)CMOS技術(shù)，高達(dá)150 MHz時種速率，具備浮點(diǎn)單元，外設(shè)豐富。由于TMS320F28335具備采樣保持、ADC模塊，電壓、電流經(jīng)電壓互感器、電流互感器后的信號直接送入ADC接口，框圖如圖1所示。
電源模塊由變壓器、壓敏電阻、保險絲、三端穩(wěn)壓芯片、過壓保護(hù)單元和濾波電容組成，可提供3.3 V和1.8 V兩路電源。電壓、電流互感器采用霍爾傳感器，盡管傳統(tǒng)的電磁式互感器具有價格低、技術(shù)成熟、可靠性高、工頻特性好等優(yōu)點(diǎn)，但由于電磁型互感器存在漏磁和線圈阻抗，其動態(tài)響應(yīng)慢，通常要10 ?滋s～20 ?滋s, 傳遞頻帶窄，無法真實(shí)反應(yīng)一次側(cè)待測電壓和電流的諧波情況。霍爾傳感器具有精度高、線性度好、響應(yīng)快、頻帶寬、過載能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。TMS320F28335的BootLoader支持多種啟動方式，本方案采用SPI從ARM控制的外設(shè)存儲器模塊啟動，以選擇不同的算法。
2.2 外圍設(shè)備模塊
外圍設(shè)備模塊主要用于與用戶交互，實(shí)時數(shù)據(jù)、圖表顯示，以及數(shù)據(jù)傳輸、網(wǎng)絡(luò)通信等功能，主要由觸摸屏液晶顯示器、USB接口、串口、以太網(wǎng)及存儲器組成，這些設(shè)備受外圍CPU控制。外圍CPU采用Samsung公司的S3C2440A處理器，S3C2440A采用ARM920T內(nèi)核，低功耗、簡單優(yōu)雅的全靜態(tài)設(shè)計(jì)為手持設(shè)備和一般應(yīng)用提供了低功耗、高性能的解決方案。S3C2440A采用增強(qiáng)ARM構(gòu)架MMU,具備SDRAM、Nand Flash控制器,支持WinCE、Linux等操作系統(tǒng)，同時具備DMA、LCD、USB、RTC、觸摸屏等接口,極大地方便了嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。外圍設(shè)備主要模塊圖如圖2所示。
電源由主控電源及電池組成，S3C2240A的核心及外設(shè)電壓也為1.8 V、3.3 V，即S3C2440A和TMS320F28335可共同使用一個電源模塊，減小了成本，也縮小了印制板的面積，減小了電能質(zhì)量分析的重量及體積。當(dāng)S3C2440處于低功耗休眠狀態(tài)及掉電時，電池為實(shí)時時鐘模塊提供電源。時鐘采用外設(shè)晶振12 MHz，觸摸屏采用TFT觸摸屏，以太網(wǎng)芯片采用DM9000，RS232接口采用MAX232芯片。電能質(zhì)量分析儀采集的數(shù)據(jù)量大，加之算法及分析軟件也較復(fù)雜,需要大量的存儲空間，S3C2440A具備1 GB的尋址空間，可以擴(kuò)展SROM、SRAM、SDRAM、Nand Flash、Nor Flash,鑒于SDRAM、Nand Flash存儲容量大、速度快、價格相對便宜的特點(diǎn)，本方案采用SDRAM、Nand Flash，即保證了性能，也降低了成本。
2.3 抗干擾設(shè)計(jì)
電能質(zhì)量分析儀工作的環(huán)境范圍廣，可能處于各種惡劣的電磁輻射條件下，必須采取一些抗干擾設(shè)計(jì)措施以提高其抗干擾能力。抗干擾設(shè)計(jì)是硬件設(shè)計(jì)中非常值得重視的一個環(huán)節(jié)，沒有抗干擾設(shè)計(jì)電路，儀器設(shè)備在現(xiàn)場可能無法工作。硬件設(shè)計(jì)上要注意強(qiáng)弱電隔離、數(shù)模信號分離、增加濾波電路及電磁屏蔽單元，設(shè)計(jì)PCB要顧全局，綜合考慮各項(xiàng)因素。
3 軟件設(shè)計(jì)
3.1 算法部分
目前電能質(zhì)量分析儀采用的算法主要有快速傅里葉變換[5]、小波變換[6]、HHT(Hilbert-Huang Transform)變換[7]。傅里葉算法具有計(jì)算速度快、測量精度高的優(yōu)點(diǎn)，但是需要一定時間的電流值，計(jì)算量大，計(jì)算時間長，檢測結(jié)果實(shí)時性差。此外,傅里葉變換算法對非平穩(wěn)信號的處理能力不足，對間諧波檢測的精度有限，且存在頻譜泄漏和欄柵現(xiàn)象。小波分析具有時頻局部化的特點(diǎn)，適合于突變信號和不平穩(wěn)信號，具有多分辨能力，號稱“數(shù)學(xué)顯微鏡”，但是存在頻率混疊現(xiàn)象，同時小波基選取不同會導(dǎo)致結(jié)果差異較大。HHT是一種全新的信號處理方法, HHT變換首先采用EMD(Empirical Mode Decomposition)方法將信號分解成若干個IMF(Intrinsic Mode Function)分量之和，然后對每個IMF分量進(jìn)行Hilbert變換得到瞬時頻率和瞬時幅值，對于處理非線性、非平穩(wěn)信號有清晰的物理意義，能夠得到信號的時間-頻率-能量分布特征，可以有效地處理非平穩(wěn)信號。
對于一個時間序列x(t)，其經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解過程如下：
(1)確定原始信號x(t)的所有極大值點(diǎn)和極小值點(diǎn)；
(2)采用樣條函數(shù)求出x(t)的上、下包絡(luò)線，并計(jì)算均值m(t)；
(3)作差h(t)=x(t)-m(t)；
(4)判斷h(t)是否滿足終止條件，若不滿足，則將h(t)作為新輸入信號轉(zhuǎn)至第(1)步，否則轉(zhuǎn)為第(5)步；
(5)令c=h(t)，c即為一個IMF分量，作差r=x(t)-c；
(6)判斷r是否滿足終止條件，若不滿足，則將其作為新的輸入轉(zhuǎn)至第(1)步，否則EMD分解過程結(jié)束，不能提取的為殘余量。
3.2 內(nèi)核部分
Linux是一種自由和開放源碼的類Unix操作系統(tǒng)，是一個基于Posix和Unix的多用戶、多任務(wù)、支持多線程和多CPU的操作系統(tǒng)。Linux以其穩(wěn)定性、高效性和靈活性著稱，模塊化的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)使其可以運(yùn)行于多種處理架構(gòu)；支持豐富的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，多種外設(shè)驅(qū)動接口；擴(kuò)展性、定制性好，根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用需求可以對Linux內(nèi)核進(jìn)行裁剪。
本方案采用Linux內(nèi)核2.6.30版本，根據(jù)硬件電路單元，編寫觸摸屏、DMA、USB、電源管理、以太網(wǎng)、存儲單元驅(qū)動程序；應(yīng)用層采用Qt實(shí)現(xiàn)GUI，采用MySQL數(shù)據(jù)庫組織管理數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。
本方案將多種算法融合于操作系統(tǒng)中，根據(jù)用戶的設(shè)定，操作系統(tǒng)調(diào)用相應(yīng)的算法及數(shù)據(jù)分析工具對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。系統(tǒng)運(yùn)行流程圖如圖4所示。
本文提出了Linux+DSP的電能質(zhì)量分析儀的設(shè)計(jì)方案。該方案結(jié)合軟件與硬件的優(yōu)點(diǎn)，整合互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，電能質(zhì)量分析儀不僅有多種算法可供選擇，增廣應(yīng)用范圍，同時操作系統(tǒng)的模塊性、高效性、穩(wěn)定性方便各種外圍設(shè)備的擴(kuò)展，提高了設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化、智能化和集成化水平，這也是未來儀器與儀表的發(fā)展方向。由于當(dāng)前技術(shù)的限制，本文沒有加入云存儲服務(wù)。
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