CN201035054Y - 基于双cpu模式的便携式电能质量监测分析仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了基于双CPU模式的便携式电能质量监测分析仪，该便携式电能质量监测分析仪包括数据采集器、同步采样锁相环电路、数字信号处理器DSP模块、ARM模块和TFT液晶显示触摸屏；数据采集器与同步采样锁相环电路电连接，数据采集器通过数据线与数字处理器DSP模块电连接；数字处理器DSP模块通过串行通讯接口SCI－A与ARM模块连接；实现对DSP计算结果的分析及显示的ARM模块与TFT液晶显示触摸屏电连接。分析仪充分利用DSP强大的计算处理能力和ARM完善的显示功能，既能实现对多路电量信号的精确采集，又能保证运算处理的实时性、快速性和准确性，并且系统稳定可靠。

Description

基于双CPU模式的便携式电能质量监测分析仪技术领域本实用新型涉及电能质量监控技术，特别适用于电力系统、电力用户配电 网、风电场及风光互补发电系统的电能质量检测分析仪。背景技术现有的电能质量监控产品或采用模拟电路，或采用工控机方式，在实时在 线三相同时采集、分析处理方面考虑很少，工作可靠性不高，装置不能长期运 行，也无法将采集分析参数远传至远方控制中心进行进一步分析处理，不能形 成一个完整的电能质量监控信息网。目前，国内部分生产厂家也开发了一些电力测控装置和电能质量监测装置，但在功能上、实用化方面均未达到理想效果，其存在的问题主要有：处理功能 较差，运算速度较慢；计算能力较弱，难以实现高精度测量、实时监控和先进 的算法；有些产品虽然引进了国外的技术模块，但是价格较高；有些产品无通 讯和控制输出功能，不满足电力系统网络化、自动化的发展方向；另外，大部 分的产品人机交互性不好。 实用新型内容本实用新型的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种应用于电能质量 监测技术中的基于数字信号处理器和ARM芯片双CPU模式的便携式电能质量 监测分析仪，该分析仪能对在线监控装置就地监控，还能实时提供电压、电流、 有功功率、无功功率、频率等电能质量的基本参数，而且还能对电力系统的谐 波、三相电压不平衡度、电压波动与闪变等电能质量指标进行分析。本实用新型的目的通过如下技术方案实现：

基于双CPU模式的便携式电能质量监测分析仪，包括数据采集器 ADS8364、同步采样锁相环电路、数字信号处理器DSP模块、ARM模块和TFT 液晶显示触摸屏；所述提供6路采样通道，实现对各电能指标的采集的数据釆集器ADS8364 与同步采样锁相环电路电连接，所述数据采集器ADS8364通过数据线与数字处 理器DSP模块电连接；所述数字处理器DSP模块通过串行通讯接口 SCI-A与ARM模块连接； 实现对DSP计算结果的分析及显示ARM模块与TFT液晶显示触摸屏电连 接，ARM模块把从数字信号处理器DSP中接收到的数据传送给TFT液晶显示 触摸屏加以显示，所述TFT液晶显示触摸屏通过鼠标或手触摸操作实现对各相 电能指标的査看。具体地说，本实用新型所述数据采集器ADS8364提供6路采样通道，采用 了 16-bit精度的A/D转换器，所述6路采样通道配合同步采样锁相环电路实现 完全同步信号，所述数据采集器ADS8364通过数据线与数字处理器 TMS320F2812 DSP模块电连接。所述数字信号处理器TMS320F2812 DSP片内的外设ADC通过ADCINAO 和ADCINBO提供预留2路采样通道，用于其它电量信号的采集和测量，所述 数字信号处理器TMS320F2812 DSP集微控制器和高性能DSP的特点于一身， 具有强大的控制和信号处理能力，能够实现复杂的控制算法，具有精度高、速 度快、集成度高等特点，为不同控制领域提供了高性能解决方案。该模块对采 集来的数据进行计算和分析处理，另外还采用了专门的抗濯叠滤波芯片，能够 灵活地设置和选择滤波特性，以便能进行比较精确的谐波測量。所述数字处理 器TMS320F2812 DSP模块还通过串行通讯接口 SCI-A与S3C2410 ARM機块连 接，而SCI-B接口则作为备用通信接口或与其他数字设备连接从而实现对系统 的扩展。所述S3C2410 ARM微控制器具有低功耗、高性价比的优点，•已经广泛用 于嵌入式控制领域。将其与DSP组成的框架用于实现本系统，充分体现了系统 嵌入式、便携式的优点。模块中以太网接口则可实现与其他终端设备或PC机 通信，构建分布式本地局域网，S3C2410ARM模块外部还设有一个FLASH存 储器用来存放S3C2410 ARM主程序，S3C2410 ARM模块与TFT液晶显示触摸 屏电连接，S3C2410 ARM模块把接收到的数据传送给TFT液晶显示触摸屏加 以显示，所述TFT液晶显示触摸屏通过鼠标或手触摸操作实现对各相电能指标 的査看。所述外扩静态SRAM用于暂存采样数据或为程序算法提供计算缓冲空间， 所述计数通道与数字信号处理器TMS320F2812 DSP的EV-B连接，实现对外部 脉冲的准确计数并用于实时测量风速大小。与现有技术相比，本实用新型具有如下优点：(1) 采用双CPU的嵌入式系统作为硬件平台，基于TMS320F2812 DSP 的多通道同步数据采集系统实现6通道的同步采样，采用了 16-bit精度的A/D 转换器，最高采样速率达250Kbps， 32位定点DSP芯片进行数据的处理，计算 速度达150MIPS，另外还采用了专门的抗混叠滤波芯片，能够灵活地设置和选 择滤波特性，以便能进行比较精确的谐波测量。该数据采集系统具有成本低、 精度高、实时性好、处理能力强等优点，且能实现基于锁相环频率跟踪的多通 道同步采样，完全适合电力系统中进行电量监测。(2) TMS320F2812DSP芯片完成了基4和基2相结合的复数FFT (傅立 叶）通用算法编写，并对均方值、闪变等电能质量指标的计算做了优化，使计

算速度大大提高，实时性更强。(3) 采用嵌入式数据库将电能质量参数、各项指标存储到ARM的大容量 SD卡，通过通信网将这些历史数据传送到电能质量分析主站，对系统内电能 质量变化进行分析统计，给出电能质量变化的历史趋势，用于评价系统电能质 量水平，发现设备问题以及评估安装的电力调整设备的性能。(4) 体积小，便于携带，人机交互性好。 附图说明图1为本实用新型的电能质量检测分析仪的双CPU嵌入式系统图； 图2为本实用新型的电能质量检测分析仪的基于DSP+ARM整体结构图； 图3为本实用新型的电能质量检测分析仪的采样系统结构图； 图4为本实用新型的电能质量检测分析仪的DSP主程序流程图； 图5为本实用新型的电能质量检测分析仪的ARM主程序流程图。 具体实施方式便携式电能质量监测分析仪系统结构如图1所示，基于双CPU模式的便携 式电能质量监测分析仪包括数据采集器l，型号为ADS8364、同步采样锁相环 电路2、数字信号处理器DSP模块3、 ARM模块4和TFT液晶显示触摸屏5; 数据采集器1与同步采样锁相环电路2电连接，数据采集器1通过数据线与数 字处理器DSP模块3电连接;数字处理器DSP模块3通过串行通讯接口 SCI-A 与ARM模块4信号连接；ARM模块4与TFT液晶显示触摸屏电连接，TFT 液晶显示触摸屏5通过鼠标或手触摸操作实现对各相电能指标的査看。整个装置主要由采集处理装置和显示装置组成。采集装置选用数据采集器 ADS8364 1配合同步采样锁相环2和数字信号处理器DSP模块3，数字信号处 理器DSP选用DSP TMS320F2812,实现数据采集，数据采集器1选用的

ADS8364型数据采集器是TI公司生产的专门用于电力系统采样的多通道同步 采样芯片，其提供的6路模拟通道能实现对三相电流、电压的同时采集，同步 采样锁相环实现了对电网频率的实时跟踪，为后续的数字信号处理器DSP3处 理保证了精度，数字信号处理器DSP3实现数据的暂时存储和计算、分析处理， 进行相应电能质量指标的计算包括电网的三相电压、电流有效值、有功功率、 无功功率、视在功率、功率因素、电压波动及闪变、各次谐波及三相不平衡， 数字信号处理器DSP3并将这些计算结果上传至ARM模块4， ARM模块4主 要负责系统监控管理、图形显示、历史数据的存储等任务，同时，ARM模块4 提供的基于TCP/IP协议的以太网应用接口能快速实现与其它终端设备或PC机 的通信，轻松构建分布式局域网，实现远程数据的管理或进行远程监控与诊断。 具体操作时，用户点击TFT液晶显示触摸屏5上的某个选项（当用户进入 某个页面后），ARM模块4将通过串口通信SCI-A发送数据请求信号给数字信 号处理器DSP 3，数字信号处理器DSP 3将最新采样数据的计算结果上传至 ARM模块4， ARM模块4将用户所要的指标以图形和数值的形式通过TFT液 晶显示触摸屏5再显示出来。如图2所示，同步采样锁相环2用于实现对采样信号频率的实时跟踪，从 而实现信号的同步，计数通道7用于对外界风速仪获得的脉冲信号进行准确计 数，实现对风速脉冲信号的测量，预留的2路采样通道8用于其它电量信号的 测量，该部分可以实现对采样通道的功能扩展，SCI-A用于与ARM模块4的 实时数据通信，SCI-B作为备用通信接口或与别的数字设备连接从而实现对系 统的扩展，外扩静态SRAM 6用于暂时存放采样数据或为程序算法提供计算缓 冲空间，预留IO接口方便系统扩展或二次开发应用。如图3所示，来自三相电压电流传感器的低电压信号（共6路)，经由输入 限幅单元后先进行信号的滤波处理，然后进入的数据采集器1采样通道并进行A/D转换，同时，将限幅单元输出信号经一定处理后引至同步采样锁相环2以 便进行频率跟踪，此频率经倍频后将提供给A/D转换芯片数据采集器1作为采 样点的控制信号,所转换的数据再送到数字信号处理器DSP3中进行运算处理。 所述基于双CPU模式的便携式电能质量监测分析仪的监测原理如下：1) 电量隔离传感器输出的三相电压电流信号，经限幅滤波等电路后送至数 据采集器ADS8364的采集通道并进行A/D转换，同时，将限幅单元的输出信 号引至所述同步采样锁相环电路中进行频率实时跟踪，此频率倍频后作为采样 启动信号送给数据采集器ADS8364,确保对输入信号的定点采样；而风速风向 脉冲信号则可以通过所述计数通道连接的EV-B接口送至数字信号处理器DSP 中，实现对风速风向的准确测量；2) 所述数字信号处理器DSP实时读取数据采集器ADS8364中的采样数据 并进行相应电能质量指标的计算，将计算结果通过所述串口通信接口 SCI-A送 至ARM模块供存储和显示；3) ARM模块把从数字信号处理器DSP中接收到的数据传送给TFT液晶 显示触摸屏加以显示，所述TFT液晶显示触摸屏通过鼠标或手触摸操作实现对 各相电能指标的査看。数字信号处理器DSP的主程序流程图如图4所示。首先DSPTMS320F2812 上电复位进入初始化流程，初始化包括变量赋值、系统初始化、关全局中断 DINT、片内外设初始化和数据采集器ADS8364 1的初始化，然后启动DSP TMS320F2812 3片内定时器，启动1秒定时，设置IER、 IFR寄存器和中断配 置，接着开全局中断EINT，最后査询Com—State进入switch流程。所述switch 流程是根据ARM模块4发给DSPTMS320F2812 3所要提取数据的分类判别依

据，该流程设有五个可选择的显示页面，第一个页面显示每一相的电压电流波 形、电压电流有效值及电压频率；第二个页面显示每一相的电压总谐波失真度、 电压谐波的幅值及相位图；第三个页面显示每一相的电流总谐波失真度、电流 谐波的幅值及相位图；第四个页面显示每一相的电压电流波形及有功功率、无 功功率、视在功率、功率因数及有功功率、无功功率和风速曲线图；第五个页 面显示瞬时闪变曲线及短时闪变值。ARM模块的主程序流程如图5所示。首先对ARM模块4初始化，从触摸 屏接收用户命令后创建通讯子线程，创建定时器保证与数字信号处理器DSP 3 同步，然后进入处理消息队列和相应消息队列的循环中。ARM每打开一个页 面，发送该页面此时所要数据的请求信号，该信号通过奇偶校验和累加和校验 到达数字信号处理器DSP 3，数字信号处理器DSP 3判断该信号是否为正确的 请求信号，若正确，数字信号处理器DSP3向ARM模块4发送所要的数据， 若错误，给ARM模块4发送重发信号。当页面显示数据接收完毕信号时，每 个页面的波形及数据就显示在TFT液晶显示触摸屏5上。对重要的变电站的公共供电点的电能质量实行连续监测，监测的主要技术 指标包括：供电频率、电压偏差、三相电压不平衡、有功功率、电网谐波和功 率因素；电压波动和闪变不需要在线连续监测，它们计算所需数据量较大，时 间耗费较多，对它们采取非连续监测。对于连续监测，DSP TMS320F2812每 接收1024点的采样数据，就重新计算一次这些指标的值，由于采取了先进的快 速傅立叶变换FFT及对其它算法进行了优化，使DSPTMS320F2812能够实时 相应用户请求。其中我们所研制的FFT算法是一个通用的算法，对复数也适用， 可以对电压电流的任意次谐波进行分析。而非连续监测则要保存10分钟的釆样 数据后，才能进入电压波动和闪变的计算。

Claims (6)

1、基于双CPU模式的便携式电能质量监测分析仪，其特征在于，包括数据采集器、同步采样锁相环电路、数字信号处理器DSP模块、ARM模块和TFT液晶显示触摸屏； 所述提供6路采样通道，实现对各电能指标的采集的数据采集器与同步采样锁相环电路电连接，所述数据采集器通过数据线与数字处理器DSP模块电连接； 所述数字处理器DSP模块通过串行通讯接口SCI-A与ARM模块连接； 实现对数字处理器DSP模块计算结果的分析及显示的ARM模块与TFT液晶显示触摸屏电连接，ARM模块把从数字信号处理器DSP中接收到的数据传送给TFT液晶显示触摸屏加以显示。

2、 根据权利要求1所述的基于双CPU模式的便携式电能质量监测分析仪， 其特征在于该装置还包括用于暂存采样数据或为程序算法提供计算缓冲空间的 外扩静态SRAM和计数通道，所述计数通道与数字信号处理器DSP的EV-B连 接，实现对外部脉冲的准确计数并用于实时测量风速大小。

3、 根据权利要求1所述基于双CPU模式的便携式电能质量监测分析仪， 其特征在于所述数字信号处理器DSP的型号为TMS320F2812，所述ARM模块 采用的是S3C2410芯片。

4、 根据权利要求1所述基于双CPU模式的便携式电能质量监测分析仪， 其特征在于所述数字信号处理器DSP模块外设ADC，通过名称为ADCINAO和 名称为ADCINBO提供预留2路采样通道，用于其它电量信号的采集和测量。

5、 根据权利要求1所述基于双CPU模式的便携式电能质量监测分析仪， 其特征在于所述数字处理器DSP通过串行通讯接口 SCI-B与其他数字设备连接 从而实现对系统的扩展。

6、根据权利要求1所述基于双CPU模式的便携式电能质量监测分析仪， 其特征在于所述数据采集器为ADS8364型数据采集器。