基于PC104的电力谐波检测装置研制

2010-05-12刘旭东

电网与清洁能源 2010年6期

刘旭东，叶鹏

（营口职业技术学院电子工程系，辽宁营口 115000）

0 引言

能源是人类社会赖以生存和发展的基础，而电力则是现代社会最为重要的能源形式之一，高质量的电力供应是保证国民经济持续高速发展的基本前提[1-3]。

随着微电子、计算机、电力电子技术的迅猛发展，大量非线性负载如可控硅整流设备、电力电子调频以及电弧炼钢炉等加入电网[4]。这些负荷对电网造成很大的干扰，使供电网络中的波形发生了畸变，不仅仅是单一的50 Hz正弦波形，还包括一系列频率为基波整数倍的正弦波分量，这些分量称为谐波。电网中存在谐波成分超过一定程度就会引起严重危害[5-6]。

用于电力谐波检测装置等电气信号检测领域，其参数的测量对国民经济和工业生产都具有十分重要的意义。同时，电气信号检测是一个非常复杂的过程，参数很多，检测相当困难。以往的测量装置和仪表可分为2类:一类以单片机为核心，功能和资源十分有限，只能简单测量单参数或少数几个参数；另一类基于PC机或工控机，体积过大，冗余较多，无法在现场应用[7]。因此，研究开发便携式高性能检测装置就成为电气信号参数检测的迫切要求。

本文以全相位FFT为理论基础，基于PC104嵌入式系统为硬件，用嵌入式系统软硬件协同设计的思想，以嵌入式实时操作系统Windows CE 5.0作为软件开发平台，设计和开发了基于PC104模块的嵌入式电力谐波检测装置。设计内容包括：系统的总体设计；硬件平台的选择；系统软件的设计（包括数据采集模块，算法计算模块，曲线显示模块和Socket通讯模块）。测量系统集高速数据采集与处理、实时谐波含量计算、结果显示和网络通讯于一体，该仪器具有功能强大，操作方便的特点，测量精度达到了国标的要求。为电力谐波参数检测技术应用于工业现场提供了一个较好的解决方案。

1 功能介绍

作为便携式谐波测量仪器，系统必须具有检测精度高、功能强大、性能可靠、便携式的特点。从功能上讲，仪器可以做到：

1）可以测量电压电流有效值、有功功率、无功功率、视在功率、功率因子、位移功率因子；

2）可对50次的谐波进行分析，给出幅度、相位以及总谐波畸变率等参量；

3）能够显示电压、电流和功率的波形图、频谱柱状图；

4）采用自动运行和保持2种运行模式，便于连续观察及对某次测量进行详细观察；

5）可以通过键盘读取页面数据，或进行各种功能操作；

6）能够存储8个页面的数据；

7）可与计算机互连，便于数据的高精度分析和文档处理。

2 检测算法设计

谐波测量是谐波问题研究的主要依据，实时测量电网中的谐波含量，确切掌握电网中谐波的实际状况，对于防止谐波危害，维护电网的安全运行是十分必要的。因此如何能够把谐波的危害最大限度地减少，解决这一问题的关键在于定量地确定谐波的成分、幅值和相位等。这也正是我们进行谐波分析的目的所在。

电力系统的谐波检测算法，通常都是通过快速傅立叶变换(FFT)实现的。然而FFT存在栅栏效应和泄漏现象，使算出的信号参数即频率、幅值和相位不准，无法满足准确的谐波测量要求。而解决这个问题通常是通过加窗函数减少泄露现象和通过插值修正减小栅栏效应。通过选择适当的窗函数抑制长范围泄漏，也可以根据所选择的窗函数的形式对频率、相位和幅值进行插值修正，在一定程度上弥补短范围泄漏造成的误差[8-11]。但加hanning窗时幅值误差达15.3%，相位误差更大，最大可达正负90°。因而出现各种方法进行频谱分析与校正以提高精度。针对电力系统谐波的特点，并对（FFT）的泄漏原因进行了分析，研究基于全相位（apFFT）思想，对电气信号采样数据全部截断情况进行考虑，然后相加所得作为输入数据再进行FFT修正[12]。提出了apFFT应用于电力谐波的算法。

全相位频谱分析

传统FFT和全相位FFT理论分析:以单频复指数序列{x（n）=ej（2πnm/N+θ0）}来比较其传统FFT谱和全相位FFT谱的结果。

{x（n）}的传统FFT谱为

全相位数据的来源，可以认为对于时间序列中的一点x(0),存在且只存在N个包含该点的N维向量

将每个向量进行循环移位把样本点x(0)移到首位,则得到另外的N个N维向量:

对准x(0)相加得到全相位数据向量

根据DFT的移位性质，式(3)的x′i的离散傅立叶变换x′i（k）和式(2)的xi的离散傅立叶变换xi（k）之间有很明确的关系

式(3)对i求和的平均即为全相位FFT的输出

式(6)表明，序列{ej（2πnm/N+θ0），-N+1≤n≤N-1}的全相位FFT谱幅值为传统FFT谱幅值的平方，注意这里的平方关系是对所有谱线而言的，这意味着旁谱线相对于主谱线的比值也按照这种平方关系而衰减下去，从而主谱线显得更为突出，因而全相位FFT具有很好的抑制频谱泄漏的性能。所以全相位算法应用于电力谐波检测可以更好的提高精度。

3 系统硬件设计

便携式谐波测量设备的设计有很多种方案的选择，但因为功能的限定，其基本的框架不会改变，即由传感器、信号调理、信号采集和处理以及用户接口设计组成。便携式谐波测量装置基本框图如图1所示。

图1 便携式谐波测量仪基本框图

各种系统的不同主要体现在单片机的选取以及系统结构和功能的实现上。与一般的工控系统相比，电力检测系统有2个基本特点：

1）要求对电压和电流信号同时采样，两者之间无相差，以便于功率和功率因子的计算；

2）需要对信号进行频谱分析，其中涉及到大量的滤波、FFT等信号处理操作，对信号处理的实时性要求比较高。基于上述2个特点，所以我们选择了PC104嵌入式系统作为该系统的核心控制器。

PC104嵌入式计算机模块系列是一整套低成本、高可靠性、能迅速配置成产品的结构化模块。PC104总线模块与PC总线系统在体系结构、软硬件方面完全兼容，同时采用了适于嵌入式应用的紧凑型栈接式结构。PC104总线实际上是IEEE-P996(PC及PC/AT)总线的简化版本，但它又是专为嵌入式系统应用而设计的总线规范[13]。它的出现为嵌入式应用提供了标准的系统平台，它具有PC开放式总线结构的特点，开发人员可以开发不同的功能板卡以适应不同现场功能要求和不同发展时期的现场设备要求，可以灵活地搭配组合为功能不同的监控装置。由于PC104总线模块系统与通用的PC和PC/AT标准(IEEE-P996)完全兼容，可以大大地缩短产品开发周期，而且费用低，风险小，体现最新技术[14-15]。

图2为系统硬件结构的总体设计。

图2 系统硬件结构图

此部分包括PC104CPU模块，该模块上主要有CPU芯片、DRAM内存、并口、串口、在板支持可读写的固态盘、看门狗和实时时钟等，另外还有I/O模块、A/D模块、液晶显示模块、键盘输入模块和打印输出模块等。系统设计了一块基板，在其上面布上PC104总线，然后把PC104CPU、I/O、A/D等模块通过堆栈式连接方法构成一个完整的硬件系统。此方法的特点：它是在特定的I/O中插入嵌入式计算机而代替以往将I/O扩展板插入到计算机中，体现了嵌入式系统的设计方法。

测量系统我们以研祥104—1541CLDN（B）主板和阿尔泰A2000数据采集模块为核心，工业现场传感器420 mA电流信号经过电流/电压转换后，由数据采集模块A2000进行AD转换，转换结果通过PC104总线送给主板CPU。计算结果可通过以太网控制器实现网络传输。系统的显示由LCD液晶屏实现。

根据测量系统的具体要求进行硬件的选择:

1）嵌入式主板选用研祥104—1541CLDN（B）

实时性和可靠性是对测量系统最基本、最主要的要求。电力谐波检测系统需要完成数据采集、数据运算和显示、网络通讯等功能，基于此要求选择了研祥104—1541CLDN（B）主板。

①104—1541CLDN（B）是一体化PC104嵌入式主板，板载了嵌入式低功耗NS Geode GX1-300 MHz处理器，运行速度可以满足测量的电力谐波检测实时性要求。

2）以太网控制器。采用Intel 82559ER以太网芯片,支持10 M/100 Mbps以太网，测量系统能够与网络通讯。

3）数据采集模块。本测量过程中，采样频率不超过1000 Hz。阿尔泰A2000是一款高性能多功能PC104数据采集模块，提供12位AD转换和数字量的输入/输出，最高采样频率可达100 kHz。

4 系统软件设计和实现

在嵌入式实时操作系统的基础上，使用Vsual C++开发了系统的应用程序。系统软件结构如图3所示。

图3 系统软件结构图

4.1 数据采集

电力谐波检测装置需要采集的模拟量有电流、电压信号。本系统利用阿尔泰的驱动库函数，使用高级语言Vsual C++编程实现数据采集。通过调用库函数，可以方便的设置诸如采样频率、输入范围、扫描通道范围等函数参数，并且分配数据缓冲区，调用相关的函数将转换结果传送到缓冲区，从而实现数据采集的功能。调用库函数实现A/D转换。

打开数据采集卡:DRV DeviceOpen(DeviceNum,DriverHandle)；

为AD转换分配数据缓冲区:调用Windows内存分配函数按采样次数分配字节；

使能AD转换事:DRV EnableEvent(DriverHandle,lpEnableEvent)；

启动AD转:DRV FAIIntScanStart(DriverHandle,lpFAIIntScanStart)；

创建线程处理AD转换事件:调用Windows API函数创建线程。

当数据采集完成之后，还要进行一系列的操作，包括停止AD转换、读取转换数据、释放数据缓冲区、关闭采集卡等。具体操作和函数调用情况为：

停止AD转换:DRV FAIStop(DriverHandle)；

读取结果到数据缓冲区：DRV FAITransfer(DriverHandllpFAITransfer)；

关闭采集卡:DRV DeviceClose(DriverHandle)。

4.2 软件界面设计

电力谐波检测装置包含对电网信息进行实时监测，为用户提供各次谐波信息，方便用户了解电网运行情况。检测装置应当具有系统的管理功能和友好的人机交互界面。

为缩小电力谐波检测装置的体积和考虑到外观的美感，将监测仪的操作空间嵌入到显示屏中。人机交互界面主要由可触式显示屏组成，采用直接屏幕点触输入法。监测人员通过人机交互界面能及时了解电网谐波的运行状态。人机交互界面设计应遵循操作方便、信息直接引导、反馈性、为用户提供帮助和容错性等原则[16-18]。

用户界面模块完成将采集到的数据及分析结果以数据和图表的形式显示在界面上，同时响应用户的触摸操作，并且负责各个功能程序的调度。在任何界面下，一旦有操作发生，用户界面模块的主程序便会根据键值，在当前界面指针对应的规则下，改变界面指针。程序将随即查询新的界面指针值，从而显示更新的用户界面，并且启动新界面下的程序流程。

用户界面的基本体系为3级结构，如图4所示。第1级即常态显示界面，是谐波分析程序启动后显示的第1个界面。第2级界面用于选择需设置的参数或要浏览的详细信息，比如传感器变比，通讯波特率等。由2级界面调出第3级界面，用于显示相应的波形、棒图或者谐波分析结果列表。

图4 用户界面的体系结构

5 结语

基于PC104的嵌入式系统以32位高性能处理器为核心，硬件资源丰富，支持多任务和实时操作系统，功能强大。所开发的基于PC104的嵌入式电力谐波检测系统小巧便携，适合于野外数据采集、特殊现场采集、移动式计算等应用场合；PC104模块具有高集成度，低功耗的特点，系统的可靠性和稳定程度相当高；由于软硬件平台的支持，系统可以运行一些复杂的信号处理算法，数据的采集、分析、滤波、计算、显示、网络传输等集成在一个整机中；本系统采用TFT真彩液晶触摸显示屏，配合Windows CE嵌入式操作系统，具有丰富的色彩显示和用户熟悉的图形化界面，可以使用普通键盘和鼠标进行人机交互。

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