基于ARM9的电网谐波监测系统设计

　　1 引言

　　随着我国经济的迅速发展，电力负荷急剧增大，对电力系统的污染越来越严重，而谐波含量则是目前电网中影响为重要的一项指标。这也对监测电力系统运行状况的仪器设备提出了更高的要求。在我国传统的电网运行参数测量和监控系统中，大多使用8位单片机来实现。由于其运算速度和处理数据能力的限制，越来越难以满足目前电网监测的需要。本文设计了一种基于arm9的三相电网电压谐波监测仪，它通过对三路电压电流信号的测量，利用快速傅立叶变换算出谐波含量等电网参数，同时还具有监测数据统计分析，与上位机通信、显示及报警等功能。

　　2 谐波监测系统原理

　　由于电网中非线性器件的存在，电力传输线中的电流和电压波形都会呈现非正弦性，出现波形的畸变。但在绝大多数情况下，畸变并不是任意的，多数畸变是周期性的，属于谐波的范畴。也就是说从整个过程来看，其波形变化缓慢并且几乎每个周期都是一样的。因此，可以认为畸变的电压、电流波形是非正弦的周期信号。

　　频域分析中，利用傅立叶级数将畸变的电压、电流信号分解成基波和一系列谐波的叠加

　　式中W———基波的角频率，rad/s;

　　n———谐波次数;

　　Un In———分别为第n次谐波的电压和电流的均方根值;

　　αnβn———分别为第n次谐波电压和电流的初相角;

　　N———所考虑的谐波的次数，由波形的畸变程度和分析的准确性要求来决定。

　　但对于电网这种不规则的畸变波形无法表示成函数解析式后用傅里叶技术进行计算。一般对该种波形的时间连续信号用采样装置进行等间隔采样，并把采样值依次转换成数字序列传输至处理器进行快速谐波分析，离散傅里叶变换（DFT）的提出为傅里叶技术在计算机领域的应用铺平了道路，但对于谐波监测系统而言直接进行DFT计算量较大，难以保证监测系统的实时性，所以监测系统采用了一种基于滑窗迭代思想的DFT快速检测算法。

　　式中：Ncur表示的采样数据点，x（iτ）表示i个采样周期前的采样数据，的实时采样数据参与负载电流监测分析，而相应地淘汰老的采样数据，加快了采样数据的更新速度，提高了监测系统的实时性。

　　3 硬件结构

　　谐波检测系统硬件主要由电压电流采集电路，信号调理电路，模数转换电路，显示及按键电路等组成。系统的处理器采用S3C2410，是一款基于ARM920T内核的RISC嵌入式微处理器。ARM920T核由ARM9TDMI、存储管理单元MMU和高速缓存三部分组成。其中，MMU可以管理虚拟内存，高速缓存由独立的16KB地址和16KB数据高速Cache组成。ARM920T有两个内部协处理器：CP14和CP15。CP14用于调试控制，CP15用于存储系统控制以及测试控制。根据国家对谐波测量仪器的要求，A级测量仪器应分析到50次谐波，根据采样定理的要求，采样频率与被采样信号频谱中频率的比值应大于2，因此工频周期采样点数为256时，采样频率为640kHz。S3C2410的主频能达到203MHz完够满足采集要求。而且能有一定的时间可以处理显示和按键扫描等。硬件系统框图如图1：

　　图1 谐波检测系统硬件框图

　　3.1 电源电路设计

　　S3C2440A需要3.3V的和1.3V的两路电源供电。图中所示电路只为S3C2440A供电，独立的设计，目的是为了保证系统的良好运行。

　　图2 电源电路

　　3.2 信号的采集

　　信号的采集无论是对原始电网谐波分析,还是对电网的频率等其他电能质量参数的测量都十分关键。在监测仪中采用精密电压互感器,将输入端电压信号转化为毫安级的电流信号,经过电阻取得电压信号。此电压信号经多路选择开关后跟随、放大,调理到A/D转换器允许的电压输入范围。

　　信号调理电路设计的目的就是对从传感器过来的信号进行放大提升等处理后送进ADC模块。放大倍数可以通过变换电阻阻值来调整。下图是信号调理电路原理图。

　　图3 信号调理电路

　　多路开关输出的电压信号经过同步锁相电路后接MCU的中断引脚，使MCU可控制A/D转换器对输入信号保持同步采样。由于电压互感器的隔离作用，外部干扰不易对系统内部产生影响。考虑到控制器主要关注的是电网谐波参数，在设计信号调理电路时尽量避免使用电容，以免产生不必要的滤波和相移。

　　3.3 AD芯片的选择

　　虽然S3C2440A自带内部AD，但只有10位，为满足采集要求该监测仪AD转换芯片采用MAXIM公司的MAX125，它是一种八通道高速14位模数转换器件，采用逐次逼近转换技术，模数转换器的转换时间为3μs。

　　4 软件设计

　　系统的软件分为系统初始化、采样转换、FFT计算、数据统计分析存储、时钟读写、人机交互以及和上位机的通信等几个模块。滑窗迭代DFT检测方法实现流程图如图4所示。

　　图4 谐波检测程序流程图

　　本系统的信号采样频率为*k，即每个工频周期采样128点，然后进行FFT计算，所得结果再根据系统的设定参数进行统计、分析、存储、显示等操作，同时时刻监测有无按键输入和上位机命令请求。

　　由于嵌入式系统体积有限，存储设备的容量有限不可能保存长期的测量数据，所以可以通过将数据上传至PC机大容量硬盘中的办法保存历史数据，然后利用上位机软件对谐波数据进行宏观分析。

　　5 系统的抗干扰设计

　　为了保证系统的稳定工作，系统在硬件设计中采取以下抗干扰措施。

　　（1）给处理器电源加滤波电路，以减少电源噪声对微处理器的干扰。

　　（2）对电路板进行合理布局，数模分区，强电、弱电分区，将处理器尽可能远离开关电源等强干扰源。

　　（3）在进行DFT变换前，多采集几组数据求平均值后在进行计算，可以有滤除干扰的作用。

　　6 结束语

　　本文设计的三相电压谐波监测仪充分利用了32位arm9处理器的运算速度快、处理数据能力强及片上资源丰富等优点，合理进行外围电路扩展，在系统硬件和软件上采取了多项抗干扰措施，使该监测仪完够满足对电力系统各项参数监测的实际需求，必将有着良好的应用前景。

  

参考文献:

[1]. ARM920T datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/ARM920T_139814.html.
[2]. RISC datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/RISC_1189725.html.
[3]. S3C2440A datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/S3C2440A_589563.html.
[4]. MAXIM datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/MAXIM_1062568.html.
[5]. MAX125 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/MAX125_1058578.html.