《電子技術(shù)應(yīng)用》
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電力網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控儀中數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)
來(lái)源：電子技術(shù)應(yīng)用2012年第4期
胡曉楠
華北計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工程研究所， 北京100083
摘要： 討論了一種電力網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控儀的數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)方法。結(jié)合鎖相環(huán)同步技術(shù)改進(jìn)數(shù)據(jù)采集模塊，加入鎖相環(huán)頻率跟蹤電路，實(shí)現(xiàn)同步等間隔采樣，減小了非同步采樣引入的誤差；針對(duì)快速傅里葉變換(FFT)算法的柵欄效應(yīng)和頻譜側(cè)漏提出了加窗插值FFT算法，并把算法移植到ARM內(nèi)核的微控制器LPC2138中，精確實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)各次諧波幅值頻率和總諧波畸變率的計(jì)算。
中圖分類號(hào)： TP273
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
文章編號(hào)： 0258-7998(2012)04-0060-03
The design of the data acquisition module in electricity network monitoring meter
Hu Xiaonan
National Computer System Engineering Research Institute of China，Beijing 100083，China
Abstract： For the synchronization error, the article studies the data acquisition module design in a power network monitoring device. This paper adds phase-locked loop frequency tracking circuit using PLL synchronization technology, realizing synchronous sampling, and reducing the error introduced by non- synchronous interval sampling. Due to spectral leakage and barrier effect in FFT, the thesis chose interpolating windowed FFT to process the data, and transplant the algorithm to microcontroller LPC2138. Every frequency harmonic wave’s amplitude and frequency were calculated precisely, including the total harmonic distortion.
Key words : data acquisition； FFT； PLL； harmonics； ARM

    近年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各種電力電子裝置在電力系統(tǒng)、工業(yè)控制和日常生活中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。這些非線性負(fù)荷設(shè)備大量涌入電力系統(tǒng)，導(dǎo)致電網(wǎng)中的諧波分量大大增加，電網(wǎng)波形畸變?nèi)遮厙?yán)重，對(duì)電力系統(tǒng)中的發(fā)變電設(shè)備、繼電保護(hù)裝置、通信設(shè)備和測(cè)量?jī)x器等造成了不同程度的危害。因此，實(shí)時(shí)可靠地監(jiān)測(cè)和分析電網(wǎng)及非線性用電設(shè)備的諧波，將有利于電能質(zhì)量的評(píng)估，為諧波污染的治理提供依據(jù)。

    電力網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控儀廣泛用于變配電站、智能型配電盤(pán)/開(kāi)關(guān)柜、智能建筑和能源管理系統(tǒng)中等，借助一定的通信規(guī)約，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的采集與控制。目前存在的電力參數(shù)測(cè)量?jī)x表多以專用測(cè)量芯片和DSP芯片為核心，但大多數(shù)專用測(cè)量芯片不具備測(cè)量諧波的功能，且移植性差,不利于擴(kuò)展和升級(jí)；高端的監(jiān)控儀集成了ADC+DSP+ARM結(jié)構(gòu)，雖測(cè)量精度大幅度提高，但增加了硬件成本和復(fù)雜度,不利于數(shù)字化監(jiān)控儀的推廣使用。本文所設(shè)計(jì)的電力網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控儀采用了高精度ADC與ARM結(jié)合的模式，利用LPC2138芯片的高性能多資源的特點(diǎn),實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)確度電量參數(shù)計(jì)量和實(shí)時(shí)諧波分析。ARM芯片具有高性價(jià)比、高可靠性和低功耗等特點(diǎn)，易于大范圍推廣使用。
　    數(shù)據(jù)采集模塊是保證諧波測(cè)量精度的基礎(chǔ)，本文在用FFT做諧波測(cè)量的工程應(yīng)用中對(duì)傳統(tǒng)電力網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控儀的數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行了改進(jìn)。文中采用6通道16 bit的高精度A/D轉(zhuǎn)換芯片CS5451,加入鎖相環(huán)頻率跟蹤電路，基于改進(jìn)的加窗插值FFT算法，使諧波分析的精度在工程應(yīng)用中大幅度提高。
1 加窗插值基-2FFT算法原理
    主要的諧波分析檢測(cè)方法有快速傅里葉變換(FFT)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、奇異值分解、小波變換[3]等。其中FFT算法因計(jì)算高效性而在諧波分析中得到廣泛的應(yīng)用。
　 采用FFT算法進(jìn)行電力系統(tǒng)諧波分析時(shí)很難做到同步采樣和整數(shù)周期截?cái)?存在泄漏現(xiàn)象和柵欄效應(yīng)，使算出的信號(hào)參數(shù)不準(zhǔn)，尤其是相位誤差很大，無(wú)法滿足準(zhǔn)確的諧波測(cè)量要求。通過(guò)加窗插值算法可以消除柵欄效應(yīng)引起的誤差[5-7]，提高電力系統(tǒng)基波與各次諧波的分析精度。
    在實(shí)際測(cè)量中應(yīng)用最多的窗是矩形窗、Hanning窗和Blackman窗。其中Hanning窗的窗口在邊界處平滑衰減到0，可有效減小諧波間泄漏，且幅值分辨率和頻率分辨率精度較高,因此本文選用Hanning窗。

    FFT算法流程圖如圖1所示。


2 數(shù)據(jù)處理模塊的硬件設(shè)計(jì)
    DFT或FFT都是建立在同步采樣條件之上的，存在同步偏差時(shí)，基于DFT或FFT的諧波分析會(huì)產(chǎn)生同步誤差。減少或者消除同步誤差的方法是使用同步采樣技術(shù)。本文在系統(tǒng)中采用同步采樣環(huán)節(jié)，使采樣點(diǎn)均勻分布在電網(wǎng)的一個(gè)整周波內(nèi)，實(shí)現(xiàn)同步采樣。
　 目前同步采樣的實(shí)現(xiàn)方法主要有軟件同步采樣法和硬件同步采樣法兩種。但由于電網(wǎng)工頻信號(hào)的頻率并不穩(wěn)定，如果采用軟件定時(shí)來(lái)采樣，雖然采樣點(diǎn)之間的時(shí)間間隔相等，但因信號(hào)周期長(zhǎng)度的變化，使得每個(gè)周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)不固定，且不同周期的采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的相位也是隨機(jī)改變的。一個(gè)周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)越少，這個(gè)問(wèn)題就越嚴(yán)重也就無(wú)法對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換。因此本文中采用硬件同步采樣法實(shí)現(xiàn)同步采樣。
2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
　 電力網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控儀的硬件結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：電源板、主板、CPU板和液晶顯示模塊。如圖2所示。

 

 

    電源板主要是實(shí)現(xiàn)由交流電到直流電的轉(zhuǎn)換，滿足不同器件所需的供電電壓；CPU板主要完成對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的電壓電流均值計(jì)算和諧波分析并完成相應(yīng)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存；主板采用鎖相環(huán)倍頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)交流同步采樣，并通過(guò)串口與上位機(jī)通信。本文重點(diǎn)介紹數(shù)據(jù)采集模塊的硬件設(shè)計(jì)。
　 本文設(shè)計(jì)利用鎖相環(huán)技術(shù)實(shí)現(xiàn)同步等間隔采樣，即硬件同步采樣法。硬件同步采樣法是采用鎖相環(huán)頻率倍增技術(shù)來(lái)控制采樣的定時(shí)和速率：鎖相環(huán)組成的倍頻器的輸出可以用作采樣脈沖，與待測(cè)信號(hào)保持同步，由此觸發(fā)A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行等間隔同步采樣。即可在每個(gè)信號(hào)周期內(nèi)，使輸出的脈沖間隔相等、個(gè)數(shù)固定，且在不同周期采樣對(duì)應(yīng)點(diǎn)的相位角相同，而脈沖信號(hào)之間的時(shí)間間隔隨輸入信號(hào)頻率的波動(dòng)而改變。
2.2 鎖相環(huán)頻率跟蹤電路
    如圖3所示的電路是一典型的鎖相環(huán)頻率跟蹤電路。鎖相環(huán)路是一個(gè)相位反饋?zhàn)詣?dòng)控制系統(tǒng)。它由相位比較器、濾波器和振蕩器幾個(gè)基本部件組成。壓控振蕩器的輸出經(jīng)采集并分頻后，與輸入信號(hào)同時(shí)輸入相位比較器。相位比較器通過(guò)比較上述兩個(gè)信號(hào)的頻率差，然后輸出一個(gè)直流脈沖電壓，控制振蕩器，改變它的頻率，電路自動(dòng)跟蹤并鎖定，經(jīng)過(guò)一個(gè)很短的時(shí)間，振蕩器的輸出就會(huì)穩(wěn)定于某一期望值，達(dá)到鎖相狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)同步采樣。


    基于鎖相環(huán)的同步采集模塊采用六通道并行同步采樣的高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片，可大大提高交流電各種參數(shù)的測(cè)量精度。利用ARM片內(nèi)豐富的硬件資源和高速處理能力，植入嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，將諧波算法程序作為任務(wù)之一，使功能模塊化，易于功能的擴(kuò)展和軟件的升級(jí)，對(duì)同類儀器有一定的參考價(jià)值。
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