畸變信號條件下電能計量實驗儀設計

張曉冰++鄭帥兵++車成弟++崔曉萌

摘要：針對目前電能計量存在的問題，在研究畸變信號條件下電能計量新方法的基礎上，設計了基于DM3730的畸變信號條件下電能計量實驗儀，驗證了畸變信號條件下電能計量新方法的正確性.采用片上雙CPU架構與片內共享內存數據的設計方法，搭建了硬件系統結構，闡述了其工作原理.設計了實驗儀的軟件系統，使用C編程實現小波分頻帶測量功率算法.最后在實驗儀上對電網典型畸變信號進行功率測量實驗，實驗結果表明畸變信號條件下電能計量實驗儀的準確度高及小波分頻帶測量算法的實時性好，為深入研究畸變信號條件下電能計量裝置提供了一定的參考價值.

關鍵詞：電能計量；DM3730；小波變換；畸變信號

DOI：10.15938/j.jhust.2015.05.015

中圖分類號：TM744

文獻標志碼：A

文章編號：1007-2683（2015）05-0074-06

0 引言

隨著電網中非線性負載的迅速增加，電能質量日趨惡化，這不僅嚴重影響電網安全高效的運行，而且對經典的電能計量理論、方法和儀表的設計都提出了新的挑戰.在當前電網信號嚴重畸變的現狀下，如何準確合理地計量功率和電能已經成為電氣測量技術及儀器儀表研究領域急需解決的問題，解決這個問題，既需要研究能真實反映非線性負載電能消耗及合理計量的新方法又需要研究工程上切實可行的硬件電路和軟件算法.

目前，諧波信號條件下電能計量方法研究及電能準確合理計量儀器研發都取得了很多成果，如湖北電力試驗研究所研制開發的FEE3型基波電能表利用低通濾波器實時衰減畸變信號中的諧波成分而只計其中的基波功率，從而使電能計量更趨合理.清華大學與河南新鄉電業局聯合研制的微機化采樣式電能表能夠同時測量基波電能與總電能，據此判斷用戶是線性還是非線性以及諧波水平，其準確度為0.2級.威勝公司最新開發的0.2級諧波表DTSD341/DSSD331-9采用實時積分算法計算電能，同時通過FFT算法提供基波電能及諧波電能，并通過諧波電能的方向區分用戶是諧波源用戶還是非諧波源用戶，該表可為電力管理部門對用戶用電管理提供依據.但是基波表、諧波表并不能解決沖擊信號等畸變信號條件下電能合理計量的問題，因為諧波模型并不能真實反映電網信號的實際情況，尤其是沖擊性負載等非線性負載產生的電壓、電流信號根本無法用諧波信號的數學模型來描述.

本文針對目前電能計量存在的問題，在研究畸變信號條件下電能計量新方法的基礎上，設計了畸變信號條件下電能計量實驗儀，驗證了畸變信號條件下電能計量新方法的正確性.同時，本實驗儀的設計為研發適用范圍更廣、計量更合理的畸變信號條件下電能計量儀表提供了基礎的數據和技術先導.

1 實驗儀的硬件系統設計

本文設計了基于達芬奇平臺的畸變信號條件下電能計量實驗儀，并采用小波分頻帶功率測量算法在實驗儀上實現了電網典型畸變信號條件下電能的合理計量.

1.1 實驗儀總體結構

實驗儀系統結構如圖1所示，選用TI的DM3730作為核心處理器，它內部集成了1CH_z的Cortex-A8 ARM彈性內核以及800MHz的TMS320C64x+DSP內核，這樣提高了實驗儀的實時響應能力與控制能力，實驗儀內設有模擬信號發生器，它采用數模混合原理設計，可以輸出各種典型電網信號，主控單元建立了ARM+DSP片上雙核的最小系統，同時根據實際需要進行了外設擴展，包括數據采集模塊、通信接口、存儲模塊以及人機交互界面模塊.

整個系統由ARM負責模擬電網信號的采集以及整個系統的控制管理.DSP負責對采集的數據進行電壓、電流有效值運算及小波分解重構等運算.DSP與ARM之間通過DSPLINK和驅動程序實現通信.在外設模塊中，數據采集模塊主要采用AD7656實現電網畸變信號的A/D轉換.通信接口采用UART與USB、RJ45以太網接口實現與外界的通信以及嵌入式系統的移植下載.存儲模塊用來存儲系統應用程序及各項數據等.人機交互界面模塊采用帶有觸摸功能的LCD，可實現人機直接交互功能，無需設置功能按鍵.利用QT設計實驗儀顯示界面，可以顯示電網畸變信號經小波分解重構得到的基波信號和畸變信號的波形以及測量后的各項功率值.

1.2 模擬電網信號發生器

由于電網中存在太多的未知因素，不可能確知電網信號的具體成分，目前國家尚無畸變信號條件下電能計量的標準，更沒有畸變信號條件下電能計量的標準裝置可供校驗和比對.為了驗證理論的正確性，本文設計了能夠模擬實際電網信號且理論上精確已知的畸變電網信號源.

該信號源能夠模擬典型的電網信號，通過它可確定待處理電網信號的具體成分，模擬電網信號發生器結構如圖2所示.其中，i₁（t）、u₁（t）分別為標準信號源產生的標準正弦電流、電壓信號；i_a（t）、u_a（t）為模擬電網電流、電壓信號.EEPROM中已存有數字正余弦、方波、三角波等函數表a（t），信號a（t）與u'₁（t）在數模混合乘法器中相乘再與信號u'₁（t）在加法器中相加得到了信號u'₂（t），若取樣電阻R=1Ω，則u'₂（t）為

當a（t）取不同的信號時，i_a（t）、u_a（t）代表著不同的電網電流及電壓信號.所以，此信號源可以模擬各種典型電網信號.

2 實驗儀的軟件系統設計

軟件設計分為ARM子系統軟件設計和DSP子系統軟件設計.實驗儀系統的軟件結構層次如圖3所示.ARM子系統實現人機界面，應用控制程序和系統的管理.DSP子系統通過DSPLINK接收來自ARM的數據信息，根據控制指令進行電壓、電流的分解重構運算及功率值計算.

2.1 ARM軟件設計

ARM子系統的軟件設計功能模塊如圖4所示，它主要由設備驅動模塊、譯碼模塊和圖形界面模塊等幾個功能模塊組成.系統各模塊在Linux的統一控制管理下有效地協調工作.ARM處理器端主要是運行Linux的操作系統，同時嵌入QT/Embedded圖形界面系統.使用C++編程實現該圖形界面系統，通過圖形界面系統實現人機交互，最終顯示處理后的數據及波形.無需鍵盤和鼠標，系統運行后圖形界面的操作全部由觸摸屏完成.

2.2 DSP的軟件設計

2.2.1

DSP軟件算法

本文應用小波分頻帶功率測量算法實現畸變信號條件下的電能的合理計量.由功率潮流分析的結果可得畸變信號條件下合理計量功率P為： 式中：P，為基波電壓與基波電流產生的功率；P_IS為基波電壓與畸變電流產生的功率；P_IS為畸變電壓與基波電流產生的功率.P_a為計量節點a處的實測功率；P_S為P_a中的畸變功率.

由式（5）可知，實現畸變信號下電能計量只需要分解與重構畸變電流、畸變電壓信號，根據小波變換原理與各電網信號的具體情況，把不需要的小波系數置成零，這樣，就得到了重構信號的小波系數，進一步得到畸變信號u'_S（t）、i'_S（t）.

南初始采樣值可得

最后，利用式（5）計算出用戶合理計量的功率.

2.2.2 DSP軟件實現

實驗儀的DSP核主要由DSP/BIOS操作系統控制，承擔的主要功能是與ARM端的數據傳遞、小波分頻帶功率測量算法的實現及各項功率值計算，它可以單獨驗證某一階段算法的有效性，也可以一次性處理所有階段的驗證.系統初始化后，ARM采集數據并發送給DSP時，ARM先將數據存放在共享內存中，通過DSPLINK向DSP發出中斷，DSP收到中斷后開始執行程序，DSP從共享內存中讀出數據進行電壓、電流的小波分解與重構運算以及功率值計算.當DSP進行小波分頻帶功率測量算法后，會中斷ARM讀取處理后的數據結果.DSP主程序流程圖如圖5所示，

其中針對小波分頻帶算法，編寫了電能計量算法函數庫，包括小波分解函數、小波重構函數以及各個功率計量函數，以滿足不同畸變信號條件下的應用要求.還編寫了中斷處理函數、數據接收分類處理等輔助函數，在進行應用程序開發時就可以直接調用電能計量控制函數庫中的函數，這樣使程序模塊化減少了重復編寫代碼段的工作，同時增強了程序的可讀性與可移植性.

2.3 雙核間通信

基于DM3730處理器的雙核通信軟件系統調用由DSPLINK來完成，DSPLINK提供一套通用API，從應用層抽象出ARM與DSP的物理連接特性，進而降低用戶開發的復雜度.

圖6 DSP/BIOS LINK的軟件體系結構圖

DSP/BIOS LINK的軟件體系結構圖如圖6所示，圖中在DSP端用DSP/BIOS來支持畸變信號條件下電能計量算法的運行，在ARM端OS用Linux來支持其對系統外設的管理.DSPLINK作為嵌入式Linux操作系統的設備驅動程序，管理ARM端和DSP端應用程序的交互，從而實現DSP核資源的管理和利用.

3 實驗結果

3.1 直流、諧波和間諧波信號實驗結果

半導體整流信號中含有直流、諧波及問諧波，調制信號a（t）為為階躍信號，

由模擬電網信號發生器輸出的半導體整流信號的電壓、電流信號如圖7中（a）、（d）所示.

在實驗儀上進行功率分解測量實驗，圖7 rf，（b）、（e）是經dB40小波分解重構的基波電壓、電流信號，（c）、（f）為重構的畸變電壓電流信號，根據重構的信號計算各項功率值，結果如表l所爪.

表1結果表明在此硬件平臺上測量的各功率潮流方向與理論分析結果相同，驗證了畸變信號條件下電能合理計量方法的正確性.同時，測試了C代碼實現功率分解測量算法的運行時問為2054μs，說明該算法滿足實時性的要求.

3.2 連續頻譜信號實驗結果

設a（t）為連續頻譜信號

其他其中t₀為a（t）出現的時刻，

在實驗儀上對此電壓和電流信號進行數據處理得到各項功率值，圖8中（a）、（d）是由模擬電網信號發生器產生的連續畸變信號的電壓信號、電流信號；（b）、（e）是經dB40小波分解重構的基波電壓、電流信號，（c）、（f）為重構的畸變電壓電流信號，根據重構的信號計算各項功率值，結果如表2所示.

表2結果表明合理計量方法也適用于連續譜畸變信號的電能計量.同時，算法的執行程序在硬件上的運行時間為1902μs，算法能夠滿足實時性要求.

4 結論

針對畸變信號條件下電能計量算法復雜度與實時性的要求，本文設計出一種以DSP與ARM雙核架構的系統為中心的電能計量實驗儀.搭建了實驗平臺，通過實驗儀將給定的畸變信號運用小波分解與重構算法，測量其各個功率值并且與理論值進行了比較，并記錄了軟件算法在實驗儀的運行時間，得到以下結論：

1）實驗儀測量的各功率潮流方向與理論分析結果相同，功率測量的準確度為10^-4～10^-3數量級，證明了畸變信號條件下電能計量方法的正確性和準確性.

2）軟件算法在實驗儀的運行時間可以達到微秒級，說明小波分頻帶功率測量算法能夠滿足實時性要求.

3）本文將嵌入式技術應用到電能計量實驗儀中，提高了實驗儀的系統穩定性與移動性，同時也方便后續系統的擴展和升級.