基于Android系統的電力諧波檢測儀*

劉真，孫彩堂，周逢道

（吉林大學儀器科學與電氣工程學院，長春130026）

0 引 言

近年來，電力行業的發展極大的推動我國經濟事業的發展，成為我國經濟發展的強大動力，但是隨著新型發電設備和用電設備廣泛應用，不對稱、沖擊性負載涌入電網，引起基波電壓、電流畸變，嚴重威脅電力系統安全運行。

此外，高精密設備的廣泛應用要求我國電力系統更安全、穩定、可靠。在此環境下，加強我國電力系統電能質量檢測，保證電力系統安全、平穩運行成為電力工作者新的重要研究課題。高效、準確的分析諧波能夠為電力系統電能質量改善治理提供技術支持，保障用電設備安全運行。

國內電能質量檢測設備多采用DSP單CPU或DSP+ARM雙CPU控制模式［1-3］。該設計方案具有較高的檢測精度和較快的處理速度，但是不能完全脫離PC，在移植性，便攜性上存在不足。

本文基于Cortex-A9處理器設計的電力諧波檢測儀，具有功耗低，運算速度快，擴展能力強，方便系統移植等優點，通過移植Android系統，檢測儀可完全脫離PC，獨立完成電力諧波信號檢測任務，可實現數據管理，波形繪制，電參數測量等功能。

1 電力諧波檢測算法

文中設計的電力諧波檢測儀主要實現電網諧波檢測。目前諧波檢測最常用的方法有基于傅里葉變換的諧波檢測及其改進方法［4］，基于小波變換的諧波檢測方法［5］，基于瞬時無功功率理論的諧波檢測方法［6］，基于改進 S變換的諧波檢測［7-9］等。基于小波變換可以實現對電網諧波信號的時頻檢測，但是在對信號進行分析和重構過程中運算復雜，計算量大，同時對頻率相近的諧波具有較差的分辨能力。S變換對分析電能擾動具有明顯的效果，改進的S變換引入可調因子實現對電力諧波檢測，但調節因子的選取并沒有合理的理論依據，不適合一般電力諧波檢測。瞬時無功功率理論的諧波檢測方法在工程中應用廣泛，但此方法需要坐標變換，且都需要低通濾波器［10］。FFT是目前絕大多數電力諧波檢測儀選取的諧波檢測算法，通過采用加窗方法對采樣信號進行處理可減小頻譜泄漏造成的檢測誤差，提高檢測精度。

選用的窗函數是布萊克曼-哈里斯（Blackman-Harris）窗。該窗函數為四階全余弦窗函數，具有旁瓣小，衰減快，主瓣窄特點。表達式為：

式中n＝0，1，2，…，N-1；K＝3；a0＝0.358 75；a1＝0.488 29；a2＝0.141 28；a3＝0.011 68。

對信號進行N次采樣，采樣頻率為fs，采樣信號的時域表示為x（t），信號離散化加窗處理后表示為：

對加窗后信號進行離散傅里葉變換如下：

式中k＝0，1，2…，N-1；。

利用旋轉因子的對稱性和周期性，對xN（n）按奇、偶分為兩組，變換得到：

2 系統總體架構

本設計選用某公司的Exynos4412為主控制器構建電力諧波檢測儀，在Android操作系統下實現電能諧波檢測。基于電力系統的實際要求，電力諧波檢測裝置要具有數據采集、處理、存儲、顯示等能力。

2.1 硬件系統的總體設計

電力諧波檢測儀以Exynos4412為控制核心，外圍電路包括信號調理模塊，電源模塊，數據存儲模塊，接口擴展模塊，顯示模塊等。系統硬件設計如圖1所示。主控制器控制模數轉換模塊，實現對電網電壓、電流信號的同步采樣，對采集得到的數據進行加窗傅立葉諧波檢測，LCD完成結果顯示，SD卡或存儲設備完成數據存儲，鍵盤觸摸屏完成人機交互，網絡接口完成系統網絡擴展。

圖1 系統硬件設計Fig.1 System hardware design

2.2 嵌入式主控模塊

Exynos 4412是一款低功耗、性能高的微處理器，可移植Android操作系統，高速的數據處理能力和強大的接口擴展能力為電力諧波檢測儀開發提供了基礎。

2.3 采樣模塊設計

圖2為電力諧波檢測儀數據采集模塊原理圖。數據采集模塊由電壓／電流互感器、電流-電壓轉換電路、4階低通放大濾波電路，6通道16位模數轉換器組成。電流-電壓轉換電路將電流信號轉化為電壓信號，4階低通濾波電路的信號截止頻率為3 200 Hz，放大倍數為3.9。最后雙極性信號傳送到AD芯片的輸入端。

3 系統軟件設計

電力諧波檢測儀搭載Android操作系統。首先需要完成Android系統的裁剪移植，然后編寫設備驅動程序，實現設備驅動移植，最后在Eclipse軟件下開發應用程序。

3.1 Android系統移植

本文在Windows系統下安裝VMWare虛擬機，將Ubuntu14.04安裝在虛擬機上，配合Windows下的開發工具進行系統開發。然后進行Bootloader移植，選擇U-boot作為系統開機引導程序，實現檢測儀硬件設備初始化，建立合適的系統軟硬件環境，為應用程序調用系統內核做好準備。U-boot能夠支持多種體系結構的處理器，在移植性方面具有明顯優勢。

圖2 電壓采樣模塊原理圖Fig.2 Principle diagram of voltage sampling module

3.2 Android系統驅動程序設計

3.2.1 驅動程序基礎

設備驅動是連接硬件和應用程序的橋梁，可直接對硬件設備寄存器進行讀寫操作，最終使通信設備能夠收發數據，顯示設備能夠顯示文字和畫面，存儲設備能夠記錄文件和數據。

本文為AD7606編寫的驅動程序屬于字符設備驅動。AD芯片與ARM引腳直接相連，驅動程序可對AD芯片引腳操作，為AD芯片提供控制信號。圖3為AD芯片驅動工作原理圖。

圖3 ADC驅動工作原理Fig.3 ADC driving principle

3.2.2 Android驅動程序移植

在Ubuntu系統的用戶文件下存放安卓源碼，在源碼的 kernel／driver／char／ADC目錄下新建 Makefile，Kconfig以及AD7606.c三個文件，Makefile文件內容為：obj-$（CONFIG_ADC_DRIVER）+＝AD7606.o，Kconfig文件中將“ADC_7606”的聲明設定為參數tristate，在AD7606.c文件中進行AD驅動程序編寫。最后配置Menu config，編譯內核。Menu config的配置界面如圖4所示，將ADC_7606配置為編譯成模塊，保存配置后再編譯內核，在目錄 kernel／drivers／char／ADC下將會生成模塊文件AD7606.ko。將新生成的AD7606.ko文件拷貝到SD卡，并mount到mnt目錄下，在串口終端任意目錄下執行如下指令insmod／mnt／AD7606.ko即可動態加載驅動。

圖4 ADC驅動配置界面Fig.4 ADC driving configuration interface

AD7606為6通道16位模數轉換器，可選用并行數據傳輸和SPI串行數據傳輸模式。本設計選用SPI串行數據傳輸模式。AD驅動可以通過控制AD引腳控制采樣開始，AD芯片完成一次轉換后CS引腳由高電平變為低電平，觸發ARM中斷，ARM中斷處理函數開始讀取AD采集數據，數據讀取采用SPI主從模式，讀時鐘由ARM產生。ARM在接收到數據后進行數據處理，完成諧波分析。

4 諧波檢測軟件設計

4.1 上位機軟件總體設計

在Android系統下，應用程序的開發是針對內核和驅動而言的，根據裝置的檢測要求，本系統選用e-clipse工具開發基于Android操作系統的電力諧波檢測軟件。軟件功能結構如圖5所示。上位機軟件完成電力諧波數據檢測，實現諧波分析；將數據存儲到SD卡或者USB存儲設備；通過第三方圖形顯示控件A chart engine完成三相電壓／電流波形繪制。

圖5 軟件功能結構框圖Fig.5 Block diagram of software function structure

4.2 主程序設計

圖6為主程序流程圖。主程序開啟后，打開驅動文件，并開始采集數據。數據采集模塊將數據轉換后通過數據總線傳送給ARM，ARM數據處理程序對數據進行加窗傅里葉變換處理，完成電力諧波參數計算。可將計算得到的三相電能參數顯示在顯示屏上，同時可繪制三相電壓／電流波形。檢測儀還可以完成對信號的存儲和查詢功能。

圖6 主程序流程圖Fig.6 Main program flow chart

5 實驗效果和結論

所設計的高性能、低功耗的嵌入式電力諧波檢測儀，以Cortex-A9平臺搭載Android操作系統對電能信號進行電參數測量、數據管理、波形顯示。

實驗選用三相交流程控標準源，標準源輸出信號額定電流為2 A，額定電壓為220 V，額定頻率為50 Hz，設置 3、7、11、13、17次諧波電壓含有率均為 1%，諧波電流含有率均為3%。采用本文設計的電力諧波檢測儀對上述標準源輸出信號進行一次檢測，檢測結果界面如圖7、圖8所示。圖7為電參數檢測結果界面，圖8為波形繪制界面。

圖7 電參數檢測結果界面Fig.7 Test results interface of electrical parameter

圖8 波形繪制界面Fig.8 Waveform drawing interface

為進一步驗證檢測儀檢測結果準確性，選取Fluke435作為標準表，Fluke435與本檢測儀分別對標準源輸出信號進行檢測，經十次測量取平均值，檢測結果如表1、表2所示。經過表1、表2分析，本檢測儀諧波電流含有率、諧波電壓含有率測試結果與Fluke諧波電流含有率、諧波電壓含有率測試結果相對誤差分別控制在10%和25%以內，說明本檢測儀具有較高的檢測精度，滿足電力諧波檢測要求。

表1 諧波電流含有率測試結果Tab.1 Harmonic current rate test results

表2 諧波電壓含有率測試結果Tab.2 Harmonic voltage rate test results

6 結束語

根據電力諧波檢測要求，設計了一款基于Android操作系統的電力諧波檢測儀，實現了電力諧波的檢測分析功能，對所構造的諧波檢測儀進行實驗比對，結果表明該檢測儀具有一定的檢測精度。