畸变信号条件下电能计量实验仪设计

张晓冰++郑帅兵++车成弟++崔晓萌

摘要：针对目前电能计量存在的问题，在研究畸变信号条件下电能计量新方法的基础上，设计了基于DM3730的畸变信号条件下电能计量实验仪，验证了畸变信号条件下电能计量新方法的正确性.采用片上双CPU架构与片内共享内存数据的设计方法，搭建了硬件系统结构，阐述了其工作原理.设计了实验仪的软件系统，使用C编程实现小波分频带测量功率算法.最后在实验仪上对电网典型畸变信号进行功率测量实验，实验结果表明畸变信号条件下电能计量实验仪的准确度高及小波分频带测量算法的实时性好，为深入研究畸变信号条件下电能计量装置提供了一定的参考价值.

关键词：电能计量；DM3730；小波变换；畸变信号

DOI：10.15938/j.jhust.2015.05.015

中图分类号：TM744

文献标志码：A

文章编号：1007-2683（2015）05-0074-06

0 引言

随着电网中非线性负载的迅速增加，电能质量日趋恶化，这不仅严重影响电网安全高效的运行，而且对经典的电能计量理论、方法和仪表的设计都提出了新的挑战.在当前电网信号严重畸变的现状下，如何准确合理地计量功率和电能已经成为电气测量技术及仪器仪表研究领域急需解决的问题，解决这个问题，既需要研究能真实反映非线性负载电能消耗及合理计量的新方法又需要研究工程上切实可行的硬件电路和软件算法.

目前，谐波信号条件下电能计量方法研究及电能准确合理计量仪器研发都取得了很多成果，如湖北电力试验研究所研制开发的FEE3型基波电能表利用低通滤波器实时衰减畸变信号中的谐波成分而只计其中的基波功率，从而使电能计量更趋合理.清华大学与河南新乡电业局联合研制的微机化采样式电能表能够同时测量基波电能与总电能，据此判断用户是线性还是非线性以及谐波水平，其准确度为0.2级.威胜公司最新开发的0.2级谐波表DTSD341/DSSD331-9采用实时积分算法计算电能，同时通过FFT算法提供基波电能及谐波电能，并通过谐波电能的方向区分用户是谐波源用户还是非谐波源用户，该表可为电力管理部门对用户用电管理提供依据.但是基波表、谐波表并不能解决冲击信号等畸变信号条件下电能合理计量的问题，因为谐波模型并不能真实反映电网信号的实际情况，尤其是冲击性负载等非线性负载产生的电压、电流信号根本无法用谐波信号的数学模型来描述.

本文针对目前电能计量存在的问题，在研究畸变信号条件下电能计量新方法的基础上，设计了畸变信号条件下电能计量实验仪，验证了畸变信号条件下电能计量新方法的正确性.同时，本实验仪的设计为研发适用范围更广、计量更合理的畸变信号条件下电能计量仪表提供了基础的数据和技术先导.

1 实验仪的硬件系统设计

本文设计了基于达芬奇平台的畸变信号条件下电能计量实验仪，并采用小波分频带功率测量算法在实验仪上实现了电网典型畸变信号条件下电能的合理计量.

1.1 实验仪总体结构

实验仪系统结构如图1所示，选用TI的DM3730作为核心处理器，它内部集成了1CH_z的Cortex-A8 ARM弹性内核以及800MHz的TMS320C64x+DSP内核，这样提高了实验仪的实时响应能力与控制能力，实验仪内设有模拟信号发生器，它采用数模混合原理设计，可以输出各种典型电网信号，主控单元建立了ARM+DSP片上双核的最小系统，同时根据实际需要进行了外设扩展，包括数据采集模块、通信接口、存储模块以及人机交互界面模块.

整个系统由ARM负责模拟电网信号的采集以及整个系统的控制管理.DSP负责对采集的数据进行电压、电流有效值运算及小波分解重构等运算.DSP与ARM之间通过DSPLINK和驱动程序实现通信.在外设模块中，数据采集模块主要采用AD7656实现电网畸变信号的A/D转换.通信接口采用UART与USB、RJ45以太网接口实现与外界的通信以及嵌入式系统的移植下载.存储模块用来存储系统应用程序及各项数据等.人机交互界面模块采用带有触摸功能的LCD，可实现人机直接交互功能，无需设置功能按键.利用QT设计实验仪显示界面，可以显示电网畸变信号经小波分解重构得到的基波信号和畸变信号的波形以及测量后的各项功率值.

1.2 模拟电网信号发生器

由于电网中存在太多的未知因素，不可能确知电网信号的具体成分，目前国家尚无畸变信号条件下电能计量的标准，更没有畸变信号条件下电能计量的标准装置可供校验和比对.为了验证理论的正确性，本文设计了能够模拟实际电网信号且理论上精确已知的畸变电网信号源.

该信号源能够模拟典型的电网信号，通过它可确定待处理电网信号的具体成分，模拟电网信号发生器结构如图2所示.其中，i₁（t）、u₁（t）分别为标准信号源产生的标准正弦电流、电压信号；i_a（t）、u_a（t）为模拟电网电流、电压信号.EEPROM中已存有数字正余弦、方波、三角波等函数表a（t），信号a（t）与u'₁（t）在数模混合乘法器中相乘再与信号u'₁（t）在加法器中相加得到了信号u'₂（t），若取样电阻R=1Ω，则u'₂（t）为

当a（t）取不同的信号时，i_a（t）、u_a（t）代表着不同的电网电流及电压信号.所以，此信号源可以模拟各种典型电网信号.

2 实验仪的软件系统设计

软件设计分为ARM子系统软件设计和DSP子系统软件设计.实验仪系统的软件结构层次如图3所示.ARM子系统实现人机界面，应用控制程序和系统的管理.DSP子系统通过DSPLINK接收来自ARM的数据信息，根据控制指令进行电压、电流的分解重构运算及功率值计算.

2.1 ARM软件设计

ARM子系统的软件设计功能模块如图4所示，它主要由设备驱动模块、译码模块和图形界面模块等几个功能模块组成.系统各模块在Linux的统一控制管理下有效地协调工作.ARM处理器端主要是运行Linux的操作系统，同时嵌入QT/Embedded图形界面系统.使用C++编程实现该图形界面系统，通过图形界面系统实现人机交互，最终显示处理后的数据及波形.无需键盘和鼠标，系统运行后图形界面的操作全部由触摸屏完成.

2.2 DSP的软件设计

2.2.1

DSP软件算法

本文应用小波分频带功率测量算法实现畸变信号条件下的电能的合理计量.由功率潮流分析的结果可得畸变信号条件下合理计量功率P为： 式中：P，为基波电压与基波电流产生的功率；P_IS为基波电压与畸变电流产生的功率；P_IS为畸变电压与基波电流产生的功率.P_a为计量节点a处的实测功率；P_S为P_a中的畸变功率.

由式（5）可知，实现畸变信号下电能计量只需要分解与重构畸变电流、畸变电压信号，根据小波变换原理与各电网信号的具体情况，把不需要的小波系数置成零，这样，就得到了重构信号的小波系数，进一步得到畸变信号u'_S（t）、i'_S（t）.

南初始采样值可得

最后，利用式（5）计算出用户合理计量的功率.

2.2.2 DSP软件实现

实验仪的DSP核主要由DSP/BIOS操作系统控制，承担的主要功能是与ARM端的数据传递、小波分频带功率测量算法的实现及各项功率值计算，它可以单独验证某一阶段算法的有效性，也可以一次性处理所有阶段的验证.系统初始化后，ARM采集数据并发送给DSP时，ARM先将数据存放在共享内存中，通过DSPLINK向DSP发出中断，DSP收到中断后开始执行程序，DSP从共享内存中读出数据进行电压、电流的小波分解与重构运算以及功率值计算.当DSP进行小波分频带功率测量算法后，会中断ARM读取处理后的数据结果.DSP主程序流程图如图5所示，

其中针对小波分频带算法，编写了电能计量算法函数库，包括小波分解函数、小波重构函数以及各个功率计量函数，以满足不同畸变信号条件下的应用要求.还编写了中断处理函数、数据接收分类处理等辅助函数，在进行应用程序开发时就可以直接调用电能计量控制函数库中的函数，这样使程序模块化减少了重复编写代码段的工作，同时增强了程序的可读性与可移植性.

2.3 双核间通信

基于DM3730处理器的双核通信软件系统调用由DSPLINK来完成，DSPLINK提供一套通用API，从应用层抽象出ARM与DSP的物理连接特性，进而降低用户开发的复杂度.

图6 DSP/BIOS LINK的软件体系结构图

DSP/BIOS LINK的软件体系结构图如图6所示，图中在DSP端用DSP/BIOS来支持畸变信号条件下电能计量算法的运行，在ARM端OS用Linux来支持其对系统外设的管理.DSPLINK作为嵌入式Linux操作系统的设备驱动程序，管理ARM端和DSP端应用程序的交互，从而实现DSP核资源的管理和利用.

3 实验结果

3.1 直流、谐波和间谐波信号实验结果

半导体整流信号中含有直流、谐波及问谐波，调制信号a（t）为为阶跃信号，

由模拟电网信号发生器输出的半导体整流信号的电压、电流信号如图7中（a）、（d）所示.

在实验仪上进行功率分解测量实验，图7 rf，（b）、（e）是经dB40小波分解重构的基波电压、电流信号，（c）、（f）为重构的畸变电压电流信号，根据重构的信号计算各项功率值，结果如表l所爪.

表1结果表明在此硬件平台上测量的各功率潮流方向与理论分析结果相同，验证了畸变信号条件下电能合理计量方法的正确性.同时，测试了C代码实现功率分解测量算法的运行时问为2054μs，说明该算法满足实时性的要求.

3.2 连续频谱信号实验结果

设a（t）为连续频谱信号

其他其中t₀为a（t）出现的时刻，

在实验仪上对此电压和电流信号进行数据处理得到各项功率值，图8中（a）、（d）是由模拟电网信号发生器产生的连续畸变信号的电压信号、电流信号；（b）、（e）是经dB40小波分解重构的基波电压、电流信号，（c）、（f）为重构的畸变电压电流信号，根据重构的信号计算各项功率值，结果如表2所示.

表2结果表明合理计量方法也适用于连续谱畸变信号的电能计量.同时，算法的执行程序在硬件上的运行时间为1902μs，算法能够满足实时性要求.

4 结论

针对畸变信号条件下电能计量算法复杂度与实时性的要求，本文设计出一种以DSP与ARM双核架构的系统为中心的电能计量实验仪.搭建了实验平台，通过实验仪将给定的畸变信号运用小波分解与重构算法，测量其各个功率值并且与理论值进行了比较，并记录了软件算法在实验仪的运行时间，得到以下结论：

1）实验仪测量的各功率潮流方向与理论分析结果相同，功率测量的准确度为10^-4～10^-3数量级，证明了畸变信号条件下电能计量方法的正确性和准确性.

2）软件算法在实验仪的运行时间可以达到微秒级，说明小波分频带功率测量算法能够满足实时性要求.

3）本文将嵌入式技术应用到电能计量实验仪中，提高了实验仪的系统稳定性与移动性，同时也方便后续系统的扩展和升级.