摘 要: 針對目前電能質量分析儀存在的不足，結合硬件與軟件的優點，提出采用Linux+DSP的設計方案，不僅方便外圍設備的擴展，也利于算法及應用程序的移植，可以根據實際的應用環境采用不同的算法及數據分析軟件，同時數據庫也加強了對數據的組織與管理。此方案開放性、互操作性好，整合了互聯網技術，極大地提高了電能質量分析儀的網絡化、智能化、集成化水平。
關鍵詞: Linux； DSP； 電能質量； HHT
伴隨著智能電網的建設與發展，新能源的開發與應用技術蓬勃發展導致更多的電力電子非線性設備接入電網，如大規模電力電子整流器、逆變器等，這些非線性、沖擊性大功率負荷設備是電力系統諧波污染源，電能質量問題日益嚴峻[1]；數字技術的發展促進了自動化程度的提高及控制理論的發展，越來越多的基于微處理器的精密數字化用電設備投入運行，這些設備對電磁干擾較為敏感，無疑對電能質量提出了更高的要求。可見，對電能的各項指標進行監測、統計和分析并制定相應的調整措施以提高電能質量是十分必要的。
目前電能質量分析儀主要是基于DSP或者DSP+MCU構成[2-3]，也有學者提出DSP+CPLD[4]、DSP+PC的組合方案。無論何種組合,其實質都是雙CPU結構，DSP負責數字信號處理，另一CPU負責外圍設備接口的管理。但眾多設計研究者陷入了比拼硬件的誤區，而忽略了電能質量分析儀的核心是算法。硬件是基礎，而算法才是靈魂。本文提出基于Linux+DSP的電能質量分析儀的研究方案，該方案利用Linux操作系統的模塊性、層次性，可擴展性好，可根據實際應用需要增減相應的外圍設備。最為主要的是可以采用不同的算法對數據進行處理，不同的算法對應于操作系統中不同的進程，用戶可根據需要選擇相應的算法。
1 電能質量檢測概述
電能質量監測主要是對電能的各項指標進行監測、數據實時處理、統計分析并制定相應決策。現代電能質量評價指標主要有：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、瞬態過電壓等，不同的指標需采用不同的算法。電能質量檢測要求能快速捕捉暫態干擾波形，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。在線監測、實時分析、網絡化和智能化是電能質量分析儀的發展方向。
2 硬件設計
2.1 數據采集及處理模塊
整體硬件電路龐大，限于篇幅，本文只闡述設計的大體框架及思路，一些小的電路模塊不再詳細說明。本設計方案核心DSP采用TI公司C28x Delfino浮點系列TMS320F28335,該系列為實時控制應用帶來了領先的浮點性能和集成度，可滿足嚴苛的實時應用。TMS320F28335是一款高性能32位CPU，采用靜態CMOS技術，高達150 MHz時種速率，具備浮點單元，外設豐富。由于TMS320F28335具備采樣保持、ADC模塊，電壓、電流經電壓互感器、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、三端穩壓芯片、過壓保護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，盡管傳統的電磁式互感器具有價格低、技術成熟、可靠性高、工頻特性好等優點，但由于電磁型互感器存在漏磁和線圈阻抗，其動態響應慢，通常要10 ?滋s～20 ?滋s, 傳遞頻帶窄，無法真實反應一次側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、響應快、頻帶寬、過載能力強的優點。TMS320F28335的BootLoader支持多種啟動方式，本方案采用SPI從ARM控制的外設存儲器模塊啟動，以選擇不同的算法。
2.2 外圍設備模塊
外圍設備模塊主要用于與用戶交互，實時數據、圖表顯示，以及數據傳輸、網絡通信等功能，主要由觸摸屏液晶顯示器、USB接口、串口、以太網及存儲器組成，這些設備受外圍CPU控制。外圍CPU采用Samsung公司的S3C2440A處理器，S3C2440A采用ARM920T內核，低功耗、簡單優雅的全靜態設計為手持設備和一般應用提供了低功耗、高性能的解決方案。S3C2440A采用增強ARM構架MMU,具備SDRAM、Nand Flash控制器,支持WinCE、Linux等操作系統，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的設計。外圍設備主要模塊圖如圖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，減小了電能質量分析的重量及體積。當S3C2440處于低功耗休眠狀態及掉電時，電池為實時時鐘模塊提供電源。時鐘采用外設晶振12 MHz，觸摸屏采用TFT觸摸屏，以太網芯片采用DM9000，RS232接口采用MAX232芯片。電能質量分析儀采集的數據量大，加之算法及分析軟件也較復雜,需要大量的存儲空間，S3C2440A具備1 GB的尋址空間，可以擴展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，本方案采用SDRAM、Nand Flash，即保證了性能，也降低了成本。
2.3 抗干擾設計
電能質量分析儀工作的環境范圍廣，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計措施以提高其抗干擾能力。抗干擾設計是硬件設計中非常值得重視的一個環節，沒有抗干擾設計電路，儀器設備在現場可能無法工作。硬件設計上要注意強弱電隔離、數模信號分離、增加濾波電路及電磁屏蔽單元，設計PCB要顧全局，綜合考慮各項因素。
3 軟件設計
3.1 算法部分
目前電能質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]。傅里葉算法具有計算速度快、測量精度高的優點，但是需要一定時間的電流值，計算量大，計算時間長，檢測結果實時性差。此外,傅里葉變換算法對非平穩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象。小波分析具有時頻局部化的特點，適合于突變信號和不平穩信號，具有多分辨能力，號稱“數學顯微鏡”，但是存在頻率混疊現象，同時小波基選取不同會導致結果差異較大。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信號。
對于一個時間序列x(t)，其經驗模態分解過程如下：
(1)確定原始信號x(t)的所有極大值點和極小值點；
(2)采用樣條函數求出x(t)的上、下包絡線，并計算均值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)作為新輸入信號轉至第(1)步，否則轉為第(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至第(1)步，否則EMD分解過程結束，不能提取的為殘余量。
3.2 內核部分
Linux是一種自由和開放源碼的類Unix操作系統，是一個基于Posix和Unix的多用戶、多任務、支持多線程和多CPU的操作系統。Linux以其穩定性、高效性和靈活性著稱，模塊化的設計結構使其可以運行于多種處理架構；支持豐富的網絡協議，多種外設驅動接口；擴展性、定制性好，根據實際的應用需求可以對Linux內核進行裁剪。
本方案采用Linux內核2.6.30版本，根據硬件電路單元，編寫觸摸屏、DMA、USB、電源管理、以太網、存儲單元驅動程序；應用層采用Qt實現GUI，采用MySQL數據庫組織管理數據。系統的層次結構圖如圖3所示。
本方案將多種算法融合于操作系統中，根據用戶的設定，操作系統調用相應的算法及數據分析工具對數據進行處理。系統運行流程圖如圖4所示。
本文提出了Linux+DSP的電能質量分析儀的設計方案。該方案結合軟件與硬件的優點，整合互聯網技術，電能質量分析儀不僅有多種算法可供選擇，增廣應用范圍，同時操作系統的模塊性、高效性、穩定性方便各種外圍設備的擴展，提高了設備的網絡化、智能化和集成化水平，這也是未來儀器與儀表的發展方向。由于當前技術的限制，本文沒有加入云存儲服務。
參考文獻
[1] 肖湘寧．電能質量分析與控制[M]．北京：中國電力出版社，2010．
[2] 時國平，宛明高．基于DSP的電能質量監測儀的研究[J]．自動化與儀器儀表，2011，30(2)：63-65．
[3] 祝愿博，劉振興．基于DSP和430單片機的電能質量分析儀設計[J]．儀表技術與傳感器，2010，48(11)：69-70．
[4] 馬志剛．基于DSP和CPLD的電能質量分析儀的研究[D]．成都：西南交通大學，2005．
[5] 榮海升，粟時平，逯培兵，等．一種改進型FFT諧波分析方法[J]．電力系統及其自動化學報，2009，21(1)：124-127．
[6] 房國志，楊超，趙洪．基于FFT和小波包變換的電力系統諧波檢測方法[J]．電力系統保護與控制，2012，40(5)：75-78．
[7] 李文帆，劉志剛，孫婉璐．基于HHT的電能質量檢測系統研制[J]．電力系統保護與控制，2011，39(23)：123-126．