CN104101806A - 基于arm和dsp的多回路电能质量在线监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于ARM和DSP的多回路电能质量在线监测装置，包括：一个或多个测量模块，用于采样电网信号，并进行电能质量相关的数据计算处理；一个ARM模块，与测量模块连接，为该在线检测装置的控制核心，控制测量模块与ARM模块间的数据交互，并提供对外的通信接口；一个电源模块，用于对测量模块和ARM模块供。所述测量模块包括三对电压互感器和电流互感器，用于同时监测三相电压和三相电流。电压互感器和电流互感器的输出端接AD转换模块，AD转换模块与DSP模块连接。电压互感器的输出端还通过一个锁相环连接DSP模块。DSP模块与ARM模块连接。本发明可同时对多个监测点进行连续的监测和分析，且实现了远程数据传输功能。

Description

基于ARM和DSP的多回路电能质量在线监测装置

技术领域

本发明涉及多回路的电能质量在线监测装置，尤其是一种基于ARM和DSP的多回路电能质量在线监测装置。

背景技术

国家电网公司《建设坚强智能电网》研究报告的一大亮点是：突出智能电网必须以“信息技术”为先导，而“信息技术”的重要体现就是“电力运营的持续监视”，这就把对电力系统的实时、高精度、全方位监测提到了一个从未有的高度。

随着国民经济的迅速发展，电力系统中的冲击性、波动性负荷日益增多，如电弧炉、大型轧钢机、电力机车等，它们在运行中不仅产生大量的高次谐波，而且导致电压波动、闪变、三相不平衡、暂升、暂降、甚至中断。

此外，随着电力电子技术广泛应用，电力系统中非线性负载日益增多，如静止变流器，工业交直流变换装置等。非线性负载会引起电网电流、电压波形发生畸变，造成电网的谐波污染严重。

这些对电网的不利影响不仅会导致供用电设备本身的安全性降低，而且会严重干扰电网的经济运行。

电能质量监测的主要任务就是监测电力系统各监测点上的电压波动、闪变、三相不平衡、暂升、暂降、中断，以及谐波、间谐波。

电能质量监测主要为电能质量控制服务，现代电力电子技术为电能质量的控制、甚至“定制”提供了可能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于ARM和DSP的多回路电能质量在线监测装置,适用于安装于变电站中同时监测1～6个监测点（或回路）的电能质量，并可同时对多个监测点进行连续的监测和分析，且具备远程以太网通信功能,实现了远程数据传输。本发明采用的技术方案是：

一种基于ARM和DSP的多回路电能质量在线监测装置，包括：一个或多个测量模块，用于采样电网信号，并进行电能质量相关的数据计算处理；一个ARM模块，与测量模块连接，为该在线检测装置的控制核心，控制测量模块与ARM模块间的数据交互，并提供对外的通信接口；一个电源模块，用于对测量模块和ARM模块供电。

进一步地，所述测量模块包括一对或多对电压互感器和电流互感器；电压互感器和电流互感器的输出端接AD转换模块，AD转换模块与DSP模块连接。电压互感器的输出端还通过一个锁相环连接DSP模块，锁相环用于跟踪电网频率，使得AD转换模块的采样速率适应电网频率。DSP模块与ARM模块连接。

更进一步地，测量模块具体包括三对电压互感器和电流互感器，用于同时监测三相电压和三相电流。

进一步地，AD转换模块主要由AD转换芯片AD73360L构成。

更进一步地，AD转换模块的前端设有一阶RC低通滤波器，RC低通滤波器的输入端接电压互感器或电流互感器的输出端。

进一步地，DSP模块主要由DSP处理器TMS320F2812构成。

更进一步地，AD转换芯片AD73360L与DSP处理器TMS320F2812的接口具体为：AD73360L的SCLK端接TMS320F2812的MCLKXA端和MCLKRA端；AD73360L的SDIFS端和SDOFS端接TMS320F2812的MFSXA端和MFSRA端；AD73360L的SDI端接TMS320F2812的MDXA端；AD73360L的SDO端接TMS320F2812的MDRA端；AD73360L的RESET端和SE端接TMS320F2812的GPIO14端。

进一步地，ARM模块包括一个ARM9微控器AT91SAM9261S和一个以太网控制器；ARM9微控器AT91SAM9261S与各测量模块的DSP处理器TMS320F2812之间采用SPI接口通讯；以太网控制器提供以太网接口。

更进一步地，ARM9微控器AT91SAM9261S使用串行时钟线SPICLK、主机输入/从机输出数据线SPIMISO、主机输出/从机输入数据线SPIMOSI、低电平有效的从机选择线SPISTE连接各测量模块，在任一时刻AT91SAM9261S只允许使能一个测量模块。

更进一步地，ARM9微控器AT91SAM9261S的SPI时钟模式配置成无相位延迟的上升沿模式，测量模块的SPI时钟模式配置成无相位延迟的下降沿模式。

本发明的优点在于：

1）一台在线监测装置可同时监测1～6个监测点的电能质量，它显著降低了监测装置成本、大大节省了变电站的设备空间、外部接线也更为简洁。

2）采用嵌入式设计——嵌入式微处理器、嵌入式操作系统。

3）具备以太网接口，能提供便捷的组网能力。

附图说明

图1为本发明的结构组成示意图。

图2为本发明的测量模块结构图。

图3为本发明的Σ—Δ型ADC的前置RC滤波电路图。

图4为本发明的AD73360L与TMS320F2812接口原理图。

图5为本发明的测量模块的总软件框图。

图6为本发明的采样中断子程序框图。

图7为本发明的SPI接口连接图。

图8为本发明的SPI时钟模式图。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明提出的一种基于ARM和DSP的多回路电能质量在线监测装置，其实现方案如图1所示。该在线监测装置也可以称为监测终端。

监测终端安装在监测现场，可同时监测变电站6个监测点（或出线回路）的电能质量。每个监测点都可同时监测3相电压和3相电流，且3相电流和3相电压一一对应、同时刻采样——这是精确测量功率所必须的。

监测终端主要由6个独立的测量模块、1个ARM模块组成；还包括一个电源模块，用于对测量模块和ARM模块供电。

测量模块用于采样电网信号，并进行电能质量相关的数据计算处理。每个测量模块对应1个测量点，每个测量模块独立测量1个测量点的三相U（电压）、I（电流）、P（有功功率）、Q（无功功率）、PF（功率因素）、谐波、闪变。每台监测终端最多可配6个测量模块。

ARM模块与测量模块连接，为该在线检测装置的控制核心，控制测量模块与ARM模块间的数据交互，并提供对外的通信接口。ARM模块主要由1片ARM9微控器AT91SAM9261S、1个7吋800×480分辨率的彩色LCD触摸屏、1个实时时钟、1个以太网控制器、Flash存储器等部件构成。监测终端对外提供1个以太网接口、1个RS485接口、1个RS232接口，它们可同时使用。

每个测量模块都包括1片32位DSP（主频150MHz）、1片16位Σ-Δ型ADC、3对高精度微型PT（电压互感器）、CT（电流互感器）等部件——参见图2。每个测量模块的硬件、软件是相同的。

AD（模数）转换模块采用AD转换芯片AD73360L构成，DSP处理器TMS320F2812及其外围元件构成DSP模块。具体连接关系为：电压互感器PT和电流互感器CT的输出端接AD转换模块，AD转换模块与DSP模块连接；PT的输出端还通过一个锁相环连接DSP模块，锁相环用于跟踪电网频率，使得AD转换模块的采样速率适应电网频率；DSP模块与ARM模块连接。

本发明测量模块的ADC选择美国ADI公司的16位Σ-Δ型ADC——AD73360L，它是目前用于电力信号采集的最先进的ADC芯片。AD73360L的主要特点：

（1）采用同步串行端口传输，且ADC的前端采样频率和后端传输速率均可编程控制（最高采样可支持64kHz），使其不论与快速DSP或慢速MCU连接都非常方便；尤其它的串行口(SPORT)与TMS320F28系列的McBSP模块完全兼容，通信简便。

（2）6个采样通道间相互隔离，且每一路均含有完整信号调理电路和片上输入增益放大器，可编程控制选择，容许低电平幅度模拟信号的输入；每个通道均采取同步采样，以确保通道之间不存在时间延迟。在电力系统测量可进行三相电压与三相电流的采样，不必考虑相位延迟，使得测量更加精确。

（3）由于运用原理，AD73360L具有很好的内置抗混叠性能。因此ADC的前端信号调理电路可以非常简单，通常只需要一个一阶RC低通滤波器即可，参见图3，RC低通滤波器的输入端接电压互感器或电流互感器的输出端。

（4）工作模式可以在数据模式、程序模式和程序/数据混合模式中选择，适合于各种测量场合。。

AD73360L采样电网信号后，送入DSP进行处理。AD73360L与DSP接口电路如图4所示。AD转换芯片AD73360L与DSP处理器TMS320F2812的接口具体为：AD73360L的SCLK端接TMS320F2812的MCLKXA端和MCLKRA端；AD73360L的SDIFS端和SDOFS端接TMS320F2812的MFSXA端和MFSRA端；AD73360L的SDI端接TMS320F2812的MDXA端；AD73360L的SDO端接TMS320F2812的MDRA端；AD73360L的RESET端和SE端接TMS320F2812的GPIO14端。

由于AD73360L的通信方式和TMS320F2812的McBSP接口兼容，因此直接使用两者进行通信。设置通信所需的帧同步信号由AD73360L提供；上电后AD73360L处于程序状态，由DSP将控制字单个发送，并检测返回的特征字以判断是否正确接收。设置完成确认无误后将AD73360L修改为数据状态，设置McBSP为FIFO中断接收。考虑到三相电压电流总共6路，接收FIFO缓冲中断设置为用6级，即每接收满6个数据则发生一次接收中断。McBSP拥有16级FIFO缓冲，较短时间的延误并不会造成数据丢失，因此增加了软件设计的灵活性。

测量模块的总软件功能框图如图5所示。每次上电之后，首先初始化通信、显示等环节。系统的每次主循环均完成一次U、I、P、Q、kWh（电量值）、kvarh(无功电量)、PF、不平衡度、谐波、闪变等变量的计算、存储。

测量模块的DSP软件方案将McBSP的FIFO接收中断命名为采样中断，软件框图如图6所示。

为保证ARM模块同测量模块间高速可靠地进行信息交换，本发明设计的多回路电能质量在线监测装置的AT91SAM9261S与各个测量模块的DSP处理器TMS320F2812之间采用SPI接口通讯。

SPI是一种高速的，全双工，同步的通信总线。SPI接口以主从方式工作，这种方式通常有一个主设备和一个或者多个从设备。一般使用4条线：串行时钟线SPICLK、主机输入/从机输出数据线SPIMISO、主机输出/从机输入数据线SPIMOSI、低电平有效的从机选择线SPISTE。其中SPISTE控制从机SPI是否被选中，只有片选信号使能时，对从机的操作才有效。这就允许同一总线上连接多个SPI设备成为可能。在有多个从设备时，每个从设备都需要独立的使能信号。在本终端中的SPI通讯中，AT91SAM9261S作为SPI主设备，各测量模块作为SPI从设备——参见图7。AT91SAM9261S分别通过6根独立的选通线使能6个测量模块，在任一时刻AT91SAM9261S只允许使能一个测量模块。

在SPI传输数据过程中，由SPICLK提供时钟脉冲，SPIMISO,SPIMOSI则基于此脉冲完成数据传输。SPI有四种不同的时钟模式——参见图8。时钟极性决定时钟有效沿为上升沿还是下降沿，时钟相位决定时钟是否有1/2周期延迟。无相位延时的下降沿：SPICLK为高有效，在SPICLK下降沿发送数据，在SPICLK上升沿接收数据。有相位延时的下降沿：SPICLK为高有效，在SPICLK下降沿之前的半个周期发送数据，在SPICLK信号下降沿接收数据。无相位延时的上升沿：SPICLK为低有效，在SPICLK信号的上升沿发送数据，在SPICLK信号的下降沿接收数据。有相位延时的上升沿：SPICLK为低有效，在SPICLK信号的下降沿之前的半个周期发送数据，而在SPICLK信号的上升沿接收数据。

SPICLK信号线只能由AT91SAM9261S控制，测量模块不能控制SPICLK信号线。整个传输过程的时序完全由AT91SAM9261S控制，当没有时钟跳变时，测量模块的SPI无法传送数据。又因AT91SAM9261S的数据输出线与测量模块的数据输入线连接，AT91SAM9261S的数据输入线与测量模块的数据输出线连接，也即AT91SAM9261S输出数据时测量模块输入数据，AT91SAM9261S输入数据时测量模块输出数据。为使AT91SAM9261S与测量模块以一致有效边沿通信，两者之间的极性应配置成相反的极性。所以，AT91SAM9261S的SPI时钟模式配置成无相位延迟的上升沿，测量模块的SPI时钟模式配置成无相位延迟的下降沿模式。

概括起来，本发明提出的基于ARM和DSP的多回路电能质量在线监测装置有如下优点：

1）一台在线监测装置可同时监测1～6个监测点的电能质量，它显著降低了监测装置成本、大大节省了变电站的设备空间、外部接线也更为简洁。

2）采用嵌入式设计——嵌入式微处理器、嵌入式操作系统。

3）具备以太网接口，能提供便捷的组网能力。

Claims (10)

1.一种基于ARM和DSP的多回路电能质量在线监测装置，其特征在于，包括：

一个或多个测量模块，用于采样电网信号，并进行电能质量相关的数据计算处理；

一个ARM模块，与测量模块连接，为该在线检测装置的控制核心，控制测量模块与ARM模块间的数据交互，并提供对外的通信接口；

一个电源模块，用于对测量模块和ARM模块供电。

2.如权利要求1所述的基于ARM和DSP的多回路电能质量在线监测装置，其特征在于：

所述测量模块包括一对或多对电压互感器和电流互感器；电压互感器和电流互感器的输出端接AD转换模块，AD转换模块与DSP模块连接；

电压互感器的输出端还通过一个锁相环连接DSP模块，锁相环用于跟踪电网频率，使得AD转换模块的采样速率适应电网频率；

DSP模块与ARM模块连接。

3.如权利要求2所述的基于ARM和DSP的多回路电能质量在线监测装置，其特征在于：

测量模块具体包括三对电压互感器和电流互感器，用于同时监测三相电压和三相电流。

4.如权利要求2或3所述的基于ARM和DSP的多回路电能质量在线监测装置，其特征在于：

AD转换模块主要由AD转换芯片AD73360L构成。

5.如权利要求4所述的基于ARM和DSP的多回路电能质量在线监测装置，其特征在于：

AD转换模块的前端设有一阶RC低通滤波器，RC低通滤波器的输入端接电压互感器或电流互感器的输出端。

6.如权利要求5所述的基于ARM和DSP的多回路电能质量在线监测装置，其特征在于：

DSP模块主要由DSP处理器TMS320F2812构成。

7.如权利要求6所述的基于ARM和DSP的多回路电能质量在线监测装置，其特征在于：

AD转换芯片AD73360L与DSP处理器TMS320F2812的接口具体为：

AD73360L的SCLK端接TMS320F2812的MCLKXA端和MCLKRA端；AD73360L的SDIFS端和SDOFS端接TMS320F2812的MFSXA端和MFSRA端；AD73360L的SDI端接TMS320F2812的MDXA端；AD73360L的SDO端接TMS320F2812的MDRA端；AD73360L的RESET端和SE端接TMS320F2812的GPIO14端。

8.如权利要求6所述的基于ARM和DSP的多回路电能质量在线监测装置，其特征在于：

ARM模块包括一个ARM9微控器AT91SAM9261S和一个以太网控制器；ARM9微控器AT91SAM9261S与各测量模块的DSP处理器TMS320F2812之间采用SPI接口通讯；以太网控制器提供以太网接口。

9.如权利要求8所述的基于ARM和DSP的多回路电能质量在线监测装置，其特征在于：

ARM9微控器AT91SAM9261S使用串行时钟线SPICLK、主机输入/从机输出数据线SPIMISO、主机输出/从机输入数据线SPIMOSI、低电平有效的从机选择线SPISTE连接各测量模块，在任一时刻AT91SAM9261S只允许使能一个测量模块。

10.如权利要求9所述的基于ARM和DSP的多回路电能质量在线监测装置，其特征在于：

ARM9微控器AT91SAM9261S的SPI时钟模式配置成无相位延迟的上升沿模式，测量模块的SPI时钟模式配置成无相位延迟的下降沿模式。