CN109142868A

CN109142868A - 电力谐波检测仪

Info

Publication number: CN109142868A
Application number: CN201810907924.8A
Authority: CN
Inventors: 郭振涛; 迟长春; 刘佳; 陈俊杰; 张贤
Original assignee: Shanghai Dianji University
Current assignee: Shanghai Dianji University
Priority date: 2018-08-10
Filing date: 2018-08-10
Publication date: 2019-01-04

Abstract

一种电力谐波检测仪，包括Cortex‑A9处理器、模数转换模块和外围电路，外围电路包括信号调理模块、电源模块、数据存储模块、键盘触摸屏、显示模块、通信接口，Cortex‑A9处理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，显示模块实现结果显示，数据存储模块完成数据存储，键盘触摸屏完成人机交互，通信接口实现数据交互。

Description

电力谐波检测仪

技术领域

本发明属于电力检测技术领域，特别涉及一种电力谐波检测仪。

背景技术

现有的电力谐波检测设备多采用以下3种方案：

1、采用DSP单CPU或DSP+ARM双CPU控制模式，该设计方案具有较高的检测精度和较快的处理速度，最终将数据传输到PC终端完成显示。

2、采用以单片机为核心的控制系统。

3、以工控机为核心，对电能质量进行检测的同时利用其自身的网络接口和硬盘实现数据存储和数据远程传输。

在检测方法方面，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，基于小波变换的谐波检测方法，基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法，基于改进S变换的谐波检测等。

现有检测方案，主要存在以下缺点：

1、采用DSP单CPU或DSP+ARM双CPU控制模式，系统不能完全脱离PC，在移植性和便携性上存在不足。

2、采用以单片机为核心的控制系统，由于单片机资源有限，运算速度低，不能满足系统在实时性、准确性等方面的要求。

3、以工控机为核心，缺点是体积较大，价格昂贵，便携性方面存在不足。

现有的检测方法的缺点是，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。

发明内容

本发明提供一种电力谐波检测仪，该检测仪基于Android系统，以解决现有技术中电力谐波检测仪在软硬件方面的缺陷。

本发明实施例之一，一种电力谐波检测仪，包括Cortex-A9处理器、模数转换模块和外围电路，外围电路包括信号调理模块、电源模块、数据存储模块、键盘触摸屏、显示模块、通信接口，

Cortex-A9处理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，

显示模块实现结果显示，数据存储模块完成数据存储，键盘触摸屏完成人机交互，通信接口实现数据交互。电力谐波检测仪运行流程包括：

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Cortex-A9处理器，Cortex-A9处理器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，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，同时完成对信号的存储和查询功能。

本发明针对目前电网谐波检测的需求，设计基于Cortex-A9处理器的电力谐波检测仪，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。采用加窗FFT算法完成数据处理，降低了栅栏效应和频谱泄漏造成的检测误差。

附图说明

通过参考附图阅读下文的详细描述，本发明示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若干实施方式，其中：

图1本发明实施例中系统硬件结构图。

图2本发明实施例中电压采样模块电路原理图。

图3本发明实施例中ADC驱动工作原理。

图4本发明实施例中软件功能结构框图。

图5本发明实施例中主程序流程图。

具体实施方式

根据一个或者多个实施例，电力谐波检测仪以三星公司推出的一款四核处理器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。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。系统硬件设计如图1所示。

FFT电力谐波检测算法，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＝0.35875；a₁＝0.48829；a₂＝0.14128；a₃＝0.01168。对信号进行N次采样，采样频率为f_s，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:

x_N(n)＝W_k(n)·x(n)

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x_N(n)按奇、偶分为两组，变换得到:

式中

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位同步采样芯片AD7606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3200Hz，放大倍数为3.9。最后双极性信号传送到AD芯片的输入端。图2为电力谐波检测仪数据采集模块电路原理图。

根据一个或者多个实施例，电力谐波检测仪软件在Android系统中的移植方法是，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。

其中，Android系统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。

本实施例中，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。

在Ubntu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。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。

AD7606为6通道16位模数转换器，可选用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。

根据一个或者多个实施例，电力谐波检测仪的谐波检测软件包括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Eclipse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4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。

其中的主程序流程包括：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5为主程序流程图。

本发明实施例中公开的高性能、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2A，额定电压为220V，额定频率为50Hz，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％。采用本发明的电力谐波检测仪对上述标准源输出信号进行一次检测，通过实验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。

值得说明的是，虽然前述内容已经参考若干具体实施方式描述了本发明创造的精神和原理，但是应该理解，本发明并不限于所公开的具体实施方式，对各方面的划分也不意味着这些方面中的特征不能组合，这种划分仅是为了表述的方便。本发明旨在涵盖所附权利要求的精神和范围内所包括的各种修改和等同布置。

Claims

1.一种电力谐波检测仪，包括Cortex-A9处理器、模数转换模块和外围电路，

外围电路包括信号调理模块、电源模块、数据存储模块、键盘触摸屏、显示模块、通信接口，

显示模块实现结果显示，数据存储模块完成数据存储，键盘触摸屏完成人机交互，通信接口实现数据交互。

2.根据权利要求1所述的电力谐波检测仪，其特征在于，所述电力谐波检测仪的操作系统基于Android系统，所述电力谐波检测仪的检测软件从Windows系统移植到Android系统，移植方法是：

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，

其中，Android系统驱动程序中包括字符设备驱动驱动，通过AD7606实现字符设备驱动，AD7606芯片与ARM引脚直接相连，驱动程序可对AD7606芯片引脚操作，为AD7606芯片提供控制信号。

3.根据权利要求2所述的电力谐波检测仪，其特征在于，通信接口包括串口终端，

AD7606字符设备驱动程序编译加载过程是：

在Ubntu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文件内容包括:

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，

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文件拷贝到数据存储模块，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。

4.根据权利要求3所述的电力谐波检测仪，其特征在于，电力谐波检测仪通过串口终端实现上位机控制，

在Android系统下，根据检测要求，选用Eclipse工具开发基于Android操作系统的电力谐波检测，

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。

5.根据权利要求1所述的电力谐波检测仪，其特征在于，电力谐波检测仪运行流程包括：

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Cortex-A9处理器，

Cortex-A9处理器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，

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，

同时完成对信号的存储和查询功能。