基于ARM的远程电能质量监测系统的研究与设计

曹文霞，贾艳梅，冯玉泉

（石家庄信息工程职业学院，河北石家庄050035）

基于ARM的远程电能质量监测系统的研究与设计

曹文霞，贾艳梅，冯玉泉

（石家庄信息工程职业学院，河北石家庄050035）

近些年来，随着电力电子技术的不断发展，大量非线性设备广泛应用到生产过程中，给电能质量带来了极大的影响。为了保证生产过程的顺利进行，开发了基于DSP+ARM方式的远程电能质量监测系统。本系统在对比传统监控方案的基础上，提出了基于DSP+ARM方式的系统设计方案，并说明了该方案的整体框架及各模块的功能。研究结果表明：方案可行性强、监测精确度高、反馈迅速，对提高电能质量具有良好的指导意义。

DSP；ARM；数据采集模块

近年来，由于电力电子技术的快速发展，工业过程中大量采用非线性设备来完成生产过程。这些非线性设备的引入，虽然可以提高生产能力，但也对电能质量的稳定和提高带来了严重的影响。在这些影响当中，各种变频器、整流器、电弧炉的接入以及高压直流输电系统的应用，使电网当中的谐波分量日益增大，造成了严重的谐波污染，同时各种大型冲击性负载及非对称负载的接入，破坏着电网的平衡性和对称性，也造成了电网暂态干扰大、电压闪变的隐患。这些干扰所造成的诸多电能质量问题，极大地影响着电网的安全运行，同时也严重地妨碍着工农业生产的顺利进行，因此，开发有效的电能质量监测系统，对提高电能质量，保障用户用电设备的正常工作以及工农业的持续高效生产具有重要的意义。

1 传统监控方案分析

电能质量监测系统的主要功能是对电力系统的发电、输电、配电、用电等各环节的电力运行参数进行有效的监控。为实现这一目标，首先要实现对现场的电能参数的实时采集，并对所采集数据进行快速的处理和分析，以校验所采集数据是否符合安全生产规范，以便调整系统的运行过程，保证生产的顺利进行。

一个性能良好的电能质量监测系统不仅要具有高速的处理能力，还要具备实时任务调度能力。基于以上要求，目前常用的电能质量监测方案主要有基于采集卡+工控机、单片机、DSP、单片机+DSP等四种方式[1]。

早期的电能质量采用采集卡+工控机的设计方式来实现，具有功能性强、准确度相对较高的优点。但是由于缺少智能化和网络化的支持，所以该方式的灵活性和实时性受到了一定程度的限制，不适用于远程监控系统的实现。

单片机的应用对电能质量监测水平的提高提供了良好的支持。丰富的外设、良好的控制能力、人机交互能力都推动着监测能力的提高。但是，单片机控制方式的不足之处也是显而易见的：内核主频能力的欠缺导致数据处理能力不够强大，延长了复杂算法的运行时间；不完善的协议栈，制约了基于以太网通信的应用，限制了长距离通信的实现，所以目前单片机的设计方案一般适用于对数据处理要求不高、运算量不大的监测装置。

DSP是利用数字滤波、离散变换和谱分析等方法对信号进行分析、变换、滤波、检测、调制、解调以及快速算法的一门技术，具有信息处理能力强、技术成熟的基本特点，系统的通信能力和实时性也具有相当的保障，因此适用于数据处理运算量大、实时性要求高而对控制要求相对较低的监测系统。

将单片机与DSP相结合，形成利用单片机进行控制、DSP负责数据处理的组合方式。这种设计方式可以吸取单片机和DSP各自的优点，并利用双口RAM来实现单片机和DSP间通信协调，嵌入式实时多任务操作系统实现实时控制，以便实现电能质量的有效监控。

2 基于DSP+ARM远程质量监控系统的总体方案设计

结合目前远程质量监控系统的具体应用要求，本设计采用DSP与ARM相结合的基本设计思路。相比于单片机，ARM芯片价格略高，但是技术优势明显，具有速度快、性能高、功耗低、芯片集成度高和外围接口丰富的基本特点。在ARM上移植嵌入式实时操作系统，同时结合DSP的强大运算能力，可以有效地实现多任务调度，远距离通信，能够兼顾当前电能质量监测装置多为安装于现场的发展趋势和多任务的基本要求。

基于DSP+ARM远程质量监控系统的基本硬件架构如图1所示，主要由数据采集模块、DSP处理模块和ARM工程模块三大部分构成，可用于监测频率为50 Hz、有效值为220V的三相交流供电系统。

图1 系统硬件架构

2.1 数据采集模块

数据采集模块的主要任务是将电流及电压等有效的待检测信号利用变送、检测、采样等主要环节传送到DSP处理模块，以便对数据信号进行有效的计算。

该模块主要由电压电流变送、瞬变检测、A/D转换和锁相环等几部分电路构成。电压电流变送由传感器中的敏感元件进行数据的收集，利用传感器中的转换元件将被测量转换成适于传输或测量的电信号。采集的电信号利用A/D转换电路进行信号的离散处理后，通过双端口RAM输入DSP，进行下一步的数据处理。电压、电流的瞬变检测采用单独的监测电路，也通过双端口RAM输入DSP。

为了加强数据采集的有效性，本模块采用锁相环技术来保证时钟同步，利用CPLD来协调瞬变检测、A/D转换、锁相环与DSP之间的协调工作。数据采集模块硬件结构见图2所示。

图2 数据采集模块硬件结构

2.2 DSP处理模块

DSP处理器分为定点DSP和浮点DSP。过去以DSP为核心模块的电能质量监测系统大多采用定点的DSP，但是随着各个项目对处理速度与精度、存储器容量、编程的灵活性和方便性等要求的不断提高，浮点运算DSP逐步应用到了高精度的数字信号处理中。

本文所设计的电能质量监测系统所选用的是TI公司的浮点DSP处理器TMS320C6713，具有动态范围大、计算精度高、总线宽、硬件资源更为丰富的优点，可以避免定点DSP数据溢出、耗费程序空间和时间的弊端[2]。TMS320C6713工作主频可达200 MHz，能够满足所设计的监测系统高精度、参数计算高密度和数据处理高速度的要求。同时CPU采用双线哈佛结构，还在片内集成了许多外围设备，保证了TMS320C6713的工作性。

在本设计中，TMS320C6713通过RAM端口与A/D相连，从而实现对电力系统运行参数的采集，而另一个RAM端口与ARM集成模块相连，以便将DSP处理过的数据传送给ARM。同时，DSP通过CPLD对瞬变检测、A/D转换和锁相环等几部分电路进行逻辑控制。

2.3ARM工程模块

ARM模块由核心模块和底板模块两部分构成。根据电能质量监测中关于数据的采集、处理、统计、存储、通信等各方面的要求，本设计选用了M2020-N20集成模块作为ARM模块的核心板，M22A Series EV Board评估板作为模块底板。

M2020-N20是基于LPC2220工业级微控制器，支持10 M以太网（工业级）、CF卡、A/D转换、RTC等功能。由于提供总线保护设计，核心板在EMC性能及稳定性方面具有良好的表现。 而M22A底板具有良好的电磁兼容性能和完善的总线保护设计，使监控系统在外围总线发生故障的状况下依然能正常工作，特别适用于过程控制、税控机、POS机、安全监控、汽车记录仪等的开发。

3 实验结果

将ARM模块所处理的数据传入上位机，并利用上位机设置相应的参数数据库，在数据库中存放着各检测点的实时电能质量参数及相应的标准阈值范围。将系统传来的实时参数与相应的阈值范围进行对比，可以实时分析出相应的电能质量指标，并利用该指标来完成系统下一步决策的指导。此外，上位机还可以实现各种实时、历史、统计等数据的查询和对比分析及显示功能。图3是上位机界面读取到的电能参数。

图3 读取电能参数界面

4 总结

本设计利用嵌入式ARM系统，以DSP为数据处理核心，开发了基于以太网的电能质量实时监测系统。DSP的使用有利地保证了系统的实时数据处理能力，而ARM模块的使用满足了系统关于数据采集、处理、统计、存储、通信等各方面的要求。经实验测试，本文所设计的装置已经达到各项电能质量指标的标准，满足现代化电能质量监测系统网络化与实时性的要求。

[1]肖湘宁，韩民晓，徐永海.电能质量分析与控制[M].北京：中国电力出版社，2004：9-11.

[2]王丽颖.基于DSP和ARM的电能质量监测系统[D].上海：上海交通大学，2009：10-12.

Research and design of remote power qualitymonitoring system based onARM

CAO Wen-xia,JIA Yan-mei,FENG Yu-quan

In recent years,with the development of power electronics technology,a large number of non-linear equipments were widely used in the production process,and the electric energy quality was greatly influenced by this. The remote power qualitymonitoring system based on DSP+ARM was developed in order to ensure the smooth production.The design scheme system was proposed based on DSP+ARM under the comparison of the nationalmonitoring system,and the overall framework of the scheme and the function of eachmodule based on the comparison of traditional control scheme were described.Research results show that:the feasibility,high precision, strongmonitoring feedback quickly are the advantages of the system.So it was good to improve the electric energy.

DSP;ARM;data samplingmodule

TM 769

A

1002-087 X(2014)10-1940-02

2014-05-10

曹文霞(1972—)，女，河北省人，副教授，主要研究方向为计算机。