基于DSP+ARM的分布式電源遠程監控裝置設計＊

李 鵬，張韶珍，唐金鳳，劉鳳雛

（廣東電網有限責任公司韶關供電局，廣東韶關512028）

1 引言

隨著國家大力推進新能源的發展，電力電子技術在配電系統中獲得迅猛發展，其主要以分布式電源的形式呈現，而分布式電源具有波動性、間歇性、離散型的特征，會造成電壓偏差與電壓波動、三相不平衡以及諧波電流等方面的電能質量問題，加之能源互聯網的發展趨勢下的大數據分析是對電能量數據有需求的，亟需加強對分布式電源的工作情況進行有效的監控，并對電能量數據進行分析處理［1-4］。針對上述問題，文獻［5］提出的基于CISC單片機的光伏電站智能監控系統能夠對光伏的溫度、光照強度、發電量進行監控、報警，具有較高的準確性和高效性，但功能簡單難以滿足日趨復雜的監控要求。文獻［6］設計了一套基于GPRS的分布式電源監控子站系統，其僅對電流、電壓、開關量等信息進行采集，并未對采集到的信息作進一步的處理，未能給出較為詳細、有用的信息進行分布式電源的協調控制，同時DSP主處理器的性能未能充分得到應用。文獻［7］設計的分布式電源監控系統未結合實際需求考慮，功能冗余，硬件、軟件結構復雜、對主站系統的的軟硬件要求較高，性價比不高。本文提出了一種分布式電源遠程監控裝置的設計方案，通過對分布式電源的監測和協調控制，一方面可實現對分布式電源的有序利用及電能量數據的準確獲取，另一方面可用于配網電能質量的協調治理，實現配電網的安全、可靠運行。

2 分布式電源遠程監控裝置的組成和工作原理

2.1 裝置組成

分布式電源遠程監控裝置需要完成一系列的計算任務，包括各種電能質量和環境量數據的采集，諧波測量需要快速傅里葉變換（FFT），支持載波、Zig-Bee、3G和WiFi通信，同時能實現與用戶的智能交互等功能。考慮到成本、功耗與計算能力的平衡，本設計采用DSP芯片與ARM芯片結合的雙處理器架構。

DSP芯片采用TMS320F28335芯片，既負責電能質量和環境量數據的采集，也負責進行上行通信和下行通信，還包括對分布式電源接入電網進行操作控制。

ARM芯片采用ARM920T，配合LCD高清觸摸屏，負責提供友好界面，與用戶進行交互。

DSP芯片與ARM芯片結合的雙處理器架構，其總體的框圖如圖1所示。

2.2 工作原理

分布式電源遠程監控裝置實現的功能主要包括各基本電量和環境量的測量、電能質量檢測，支持多種通信方式，能快速安全地開斷用電器，另外光伏接入的分布式電源遠程監控裝置還要求具備連續控制分布式光伏的能力。

圖1 裝置整體框架

圖2 DSP及其電源電路

在工作時，裝置通過各種互感器將線路的電壓、電流、環境信號轉換成電子電路可以處理的電平信號，信號放大與A/D轉換后經隔離電路送至DSP處理，DSP將三相電壓、電流信號做FFT、正負序分解后得到所需電能質量數據與環境數據，將其一同經ZigBee/電力載波上傳，同時也將數據傳輸到ARM用于顯示，ARM可通過3G/WiFi模塊與后臺進行數據交流獲得調度后臺指令命令至繼電器，來控制分布式電源的通斷。現場也可通過觸控屏控制分布式電源，按鍵主要擴展調試、復位、開關機等操作。

3 分布式電源遠程監控裝置主要部分硬件設計

整體框架DSP及其電源電路是核心區域，其電路設計如圖2所示。TMS320F28335芯片具有150MHz的高速處理能力，具備的高性能的32位浮點處理單元，使得其在進行FFT等復雜數字計算的時間縮短了一半。同時以專用的電源芯片雙輸出低壓差穩壓器TPS73HD301及濾波電容組成其電源電路，提供安全穩定的3.3V核心電壓及1.8V接口電壓，可保證裝置運行的穩定性。

圖3 電壓、電流信號測量接線及原理框圖

圖4 信號放大電路

圖5 A/D轉換電路

為準確的采集電壓、電流信號，本設計通過采用電阻分壓測量電壓信號，分壓比例為1000：1，采用精密的錳銅合金貼片電阻為電流信號的采樣電阻（R005），獲取的電壓、電流信號值經放大器INA129進行放大后由AD7606數據采集芯片進行模數轉換，AD7606內置模擬輸入箝位保護、二階抗混疊濾波器、跟蹤保持放大器以及200kSPS高吞吐率可保證對輸入信號進行高精度采樣。信號采集、放大、A/D轉換電路設計分別如圖3、圖4、圖5所示。

隔離電路采用ADuM7642磁耦合隔離芯片，負責將信號采集及放大電路與其他數字電路進行隔離，保證了低壓數字電路的安全性。其電路設計如圖6所示。

圖6 隔離電路原理圖

電力載波通信及電源電路、ZigBee通信模塊分別負責分布式電源遠程監控裝置之間的低壓電力線載波通信和ZigBee通信，其電路設計如圖7、圖8所示。載波通信模塊ZPLC-10內置隔離電路，通過自恢復保險絲和壓敏電阻直接接到火線和零線上，與DSP之間通過串行通信（SCI）進行通信；ZigBee通信模塊DRF1605H與DSP之間同樣通過串行通信（SCI）進行通信；分布式電源遠程監控裝置裝置并聯接入電力線中，通過LD12-20B12電源模塊將220V交流電轉換成12V直流電，為分布式電源遠程監控裝置內各器件供電。應當注意，為避免載波信號通過電源模塊耦合到低壓數字電路產生干擾，電源模塊的220V輸入側需串聯一個共軛電感以濾去高頻載波信號。

圖7 電力載波通信及電源電路原理圖

圖8 ZigBee通信模塊原理圖

3G部分和WiFi部分保證了裝置在每時每地都能以無線連接的方式與外網相連接，可以實時地把接地線的檢測狀態以及地理位置同步到云端服務器，此時手機、電腦可通過網絡訪問該服務器，獲取各個設備的狀態信息，可實現各設備的遠程監控。ARM中WiFi模塊的電路設計如圖9所示。

圖9 ARM內Wi-Fi模塊設計圖

4 電能質量檢測算法設計

分布式電源遠程監控裝置需選取合適的能實時反映系統電壓和電流的檢測方法，檢測精度直接影響電能質量的補償精度，同時還要考慮檢測算法的實時性和數字化處理難易程度。

TMS320F28335芯片開發了相應的FFT庫函數，使用方便且經過了算法優化，在同等運算下比直接使用C語言編寫出來的函數效率要高。FFT庫函數的輸入為一組采樣序列，輸出諧波頻域信息，具體包括各次諧波的幅值和相角，以及各次諧波的實部和虛部［8］。

本設計DSP采樣頻率為19.2kHZ，而FFT庫函數的輸入要求采樣序列數是2的整數次方，故對19.2kHZ的信號采用下采樣方式，使用線性插值方式將每三個點下采樣為兩個點，從而得到12.8kHZ的采樣輸入序列。即原一個工頻周期有384個采樣點，下采樣有256個點。

以余弦為基底，輸入一個N點離散采樣信號序列：

式中，n=0，1…，N-1。

輸出實部和虛部為：

輸出幅值和相角為：

使用FFT庫函數檢測諧波正負序分量的過程如下：

對采樣的三相物理量（電流或電壓）進行Clark變換：

式（4）中，由于不再存在直流分量，因此下標從1開始。對式（4）的Uα、Uβ分別進行FFT變換，得到 Uα的實部 Uαreal和虛部 Uαimag，以及 Uβ的實部Uβreal和虛部 Uβimag，分別如式（5）、（6）所示：

根據式（5）、（6）則可以得到正序諧波分量的d軸直流分量U1d、q軸直流分量U1q，負序諧波分量d的軸直流分量U2d、q軸直流分量U2q：

式（7）、（8）可直接用于對應坐標軸下的 PI控制，同時也可使用相應旋轉坐標下的反變換得到abc靜止坐標下各次諧波的正負序分量數值。

同時，軟件給出了DSP分析電能質量算法的代碼設計過程（僅以電壓5次諧波為例）：

5 結束語

本文給出了分布式電源遠程監控裝置的設計方案，包括基于TMS320F28335與ARM920T雙核心的部分硬件和軟件設計。裝置能充分利用硬件性能，準確獲取電能量數據及環境數據，同時數據上傳可用與配電網的運行分析、協調治理，有線與無線通訊方式能夠保證對分布式電源遠程監控的可靠性，可加強對配網分布式電源的監控與配網電能質量的協調治理。