基于Android系统的电力谐波检测仪*

2017-12-21刘真孙彩堂周逢道

电测与仪表 2017年13期

刘真，孙彩堂，周逢道

（吉林大学仪器科学与电气工程学院，长春130026）

0 引言

近年来，电力行业的发展极大的推动我国经济事业的发展，成为我国经济发展的强大动力，但是随着新型发电设备和用电设备广泛应用，不对称、冲击性负载涌入电网，引起基波电压、电流畸变，严重威胁电力系统安全运行。

此外，高精密设备的广泛应用要求我国电力系统更安全、稳定、可靠。在此环境下，加强我国电力系统电能质量检测，保证电力系统安全、平稳运行成为电力工作者新的重要研究课题。高效、准确的分析谐波能够为电力系统电能质量改善治理提供技术支持，保障用电设备安全运行。

国内电能质量检测设备多采用DSP单CPU或DSP+ARM双CPU控制模式［1-3］。该设计方案具有较高的检测精度和较快的处理速度，但是不能完全脱离PC，在移植性，便携性上存在不足。

本文基于Cortex-A9处理器设计的电力谐波检测仪，具有功耗低，运算速度快，扩展能力强，方便系统移植等优点，通过移植Android系统，检测仪可完全脱离PC，独立完成电力谐波信号检测任务，可实现数据管理，波形绘制，电参数测量等功能。

1 电力谐波检测算法

文中设计的电力谐波检测仪主要实现电网谐波检测。目前谐波检测最常用的方法有基于傅里叶变换的谐波检测及其改进方法［4］，基于小波变换的谐波检测方法［5］，基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法［6］，基于改进 S变换的谐波检测［7-9］等。基于小波变换可以实现对电网谐波信号的时频检测，但是在对信号进行分析和重构过程中运算复杂，计算量大，同时对频率相近的谐波具有较差的分辨能力。S变换对分析电能扰动具有明显的效果，改进的S变换引入可调因子实现对电力谐波检测，但调节因子的选取并没有合理的理论依据，不适合一般电力谐波检测。瞬时无功功率理论的谐波检测方法在工程中应用广泛，但此方法需要坐标变换，且都需要低通滤波器［10］。FFT是目前绝大多数电力谐波检测仪选取的谐波检测算法，通过采用加窗方法对采样信号进行处理可减小频谱泄漏造成的检测误差，提高检测精度。

选用的窗函数是布莱克曼-哈里斯（Blackman-Harris）窗。该窗函数为四阶全余弦窗函数，具有旁瓣小，衰减快，主瓣窄特点。表达式为：

式中n＝0，1，2，…，N-1；K＝3；a0＝0.358 75；a1＝0.488 29；a2＝0.141 28；a3＝0.011 68。

对信号进行N次采样，采样频率为fs，采样信号的时域表示为x（t），信号离散化加窗处理后表示为：

对加窗后信号进行离散傅里叶变换如下：

式中k＝0，1，2…，N-1；。

利用旋转因子的对称性和周期性，对xN（n）按奇、偶分为两组，变换得到：

2 系统总体架构

本设计选用某公司的Exynos4412为主控制器构建电力谐波检测仪，在Android操作系统下实现电能谐波检测。基于电力系统的实际要求，电力谐波检测装置要具有数据采集、处理、存储、显示等能力。

2.1 硬件系统的总体设计

电力谐波检测仪以Exynos4412为控制核心，外围电路包括信号调理模块，电源模块，数据存储模块，接口扩展模块，显示模块等。系统硬件设计如图1所示。主控制器控制模数转换模块，实现对电网电压、电流信号的同步采样，对采集得到的数据进行加窗傅立叶谐波检测，LCD完成结果显示，SD卡或存储设备完成数据存储，键盘触摸屏完成人机交互，网络接口完成系统网络扩展。

图1 系统硬件设计Fig.1 System hardware design

2.2 嵌入式主控模块

Exynos 4412是一款低功耗、性能高的微处理器，可移植Android操作系统，高速的数据处理能力和强大的接口扩展能力为电力谐波检测仪开发提供了基础。

2.3 采样模块设计

图2为电力谐波检测仪数据采集模块原理图。数据采集模块由电压／电流互感器、电流-电压转换电路、4阶低通放大滤波电路，6通道16位模数转换器组成。电流-电压转换电路将电流信号转化为电压信号，4阶低通滤波电路的信号截止频率为3 200 Hz，放大倍数为3.9。最后双极性信号传送到AD芯片的输入端。

3 系统软件设计

电力谐波检测仪搭载Android操作系统。首先需要完成Android系统的裁剪移植，然后编写设备驱动程序，实现设备驱动移植，最后在Eclipse软件下开发应用程序。

3.1 Android系统移植

本文在Windows系统下安装VMWare虚拟机，将Ubuntu14.04安装在虚拟机上，配合Windows下的开发工具进行系统开发。然后进行Bootloader移植，选择U-boot作为系统开机引导程序，实现检测仪硬件设备初始化，建立合适的系统软硬件环境，为应用程序调用系统内核做好准备。U-boot能够支持多种体系结构的处理器，在移植性方面具有明显优势。

图2 电压采样模块原理图Fig.2 Principle diagram of voltage sampling module

3.2 Android系统驱动程序设计

3.2.1 驱动程序基础

设备驱动是连接硬件和应用程序的桥梁，可直接对硬件设备寄存器进行读写操作，最终使通信设备能够收发数据，显示设备能够显示文字和画面，存储设备能够记录文件和数据。

本文为AD7606编写的驱动程序属于字符设备驱动。AD芯片与ARM引脚直接相连，驱动程序可对AD芯片引脚操作，为AD芯片提供控制信号。图3为AD芯片驱动工作原理图。

图3 ADC驱动工作原理Fig.3 ADC driving principle

3.2.2 Android驱动程序移植

在Ubuntu系统的用户文件下存放安卓源码，在源码的 kernel／driver／char／ADC目录下新建 Makefile，Kconfig以及AD7606.c三个文件，Makefile文件内容为：obj-$（CONFIG_ADC_DRIVER）+＝AD7606.o，Kconfig文件中将“ADC_7606”的声明设定为参数tristate，在AD7606.c文件中进行AD驱动程序编写。最后配置Menu config，编译内核。Menu config的配置界面如图4所示，将ADC_7606配置为编译成模块，保存配置后再编译内核，在目录 kernel／drivers／char／ADC下将会生成模块文件AD7606.ko。将新生成的AD7606.ko文件拷贝到SD卡，并mount到mnt目录下，在串口终端任意目录下执行如下指令insmod／mnt／AD7606.ko即可动态加载驱动。

图4 ADC驱动配置界面Fig.4 ADC driving configuration interface

AD7606为6通道16位模数转换器，可选用并行数据传输和SPI串行数据传输模式。本设计选用SPI串行数据传输模式。AD驱动可以通过控制AD引脚控制采样开始，AD芯片完成一次转换后CS引脚由高电平变为低电平，触发ARM中断，ARM中断处理函数开始读取AD采集数据，数据读取采用SPI主从模式，读时钟由ARM产生。ARM在接收到数据后进行数据处理，完成谐波分析。

4 谐波检测软件设计

4.1 上位机软件总体设计

在Android系统下，应用程序的开发是针对内核和驱动而言的，根据装置的检测要求，本系统选用e-clipse工具开发基于Android操作系统的电力谐波检测软件。软件功能结构如图5所示。上位机软件完成电力谐波数据检测，实现谐波分析；将数据存储到SD卡或者USB存储设备；通过第三方图形显示控件A chart engine完成三相电压／电流波形绘制。

图5 软件功能结构框图Fig.5 Block diagram of software function structure

4.2 主程序设计

图6为主程序流程图。主程序开启后，打开驱动文件，并开始采集数据。数据采集模块将数据转换后通过数据总线传送给ARM，ARM数据处理程序对数据进行加窗傅里叶变换处理，完成电力谐波参数计算。可将计算得到的三相电能参数显示在显示屏上，同时可绘制三相电压／电流波形。检测仪还可以完成对信号的存储和查询功能。

图6 主程序流程图Fig.6 Main program flow chart

5 实验效果和结论

所设计的高性能、低功耗的嵌入式电力谐波检测仪，以Cortex-A9平台搭载Android操作系统对电能信号进行电参数测量、数据管理、波形显示。

实验选用三相交流程控标准源，标准源输出信号额定电流为2 A，额定电压为220 V，额定频率为50 Hz，设置 3、7、11、13、17次谐波电压含有率均为 1%，谐波电流含有率均为3%。采用本文设计的电力谐波检测仪对上述标准源输出信号进行一次检测，检测结果界面如图7、图8所示。图7为电参数检测结果界面，图8为波形绘制界面。

图7 电参数检测结果界面Fig.7 Test results interface of electrical parameter

图8 波形绘制界面Fig.8 Waveform drawing interface

为进一步验证检测仪检测结果准确性，选取Fluke435作为标准表，Fluke435与本检测仪分别对标准源输出信号进行检测，经十次测量取平均值，检测结果如表1、表2所示。经过表1、表2分析，本检测仪谐波电流含有率、谐波电压含有率测试结果与Fluke谐波电流含有率、谐波电压含有率测试结果相对误差分别控制在10%和25%以内，说明本检测仪具有较高的检测精度，满足电力谐波检测要求。