基于DSP+ARM构架的嵌入式电能质量监测装置的解决方案

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                    　　摘要：根据电能质量监测对于系统支持复杂算法和实时性的特殊要求，并在综合分析了目前风电场电能质量监测技术现状的基础上，本文提出了一种基于DSP+ARM构架的嵌入式电能质量监测装置的解决方案，该装置可完成风电场电能质量指标的测量，并有数据显示、存储、通信等功能，能更加快捷地对电能质量数据进行分析和处理。
　　1 引言
　　随着风力发电的快速发展，电能质量监测技术是风电场的研究热点，应用DSP芯片已成为电能质量监测装置研究的发展趋势。用于风电场电能质量监测的方法有多种多样，其中分布式系统PC机+工控机的结构风靡一时，工控机（下位机）处理实时任务，PC机（上位机）用于和用户交互，一定程度上解决了电能质量监测的实时性问题，但没有达到智能化和网络化的程度，而且这种分布式系统加大了设备的成本，不适于作为永久性在线监测设备大量安装于现场。另外，由于风电场多位于野外山地，地形复杂，自然环境恶劣，系统受干扰的情况也相当严重。目前流行的设计模式是采用DSP+MCU的双CPU结构[1-3]，通过双口RAM实现数据交换和协同工作。这样，在满足处理大运算量实时任务要求的同时，极大地降低了系统的设计成本。单片机用来分担部分实时性要求不高的系统任务，如系统配置管理、人机交互、通信等。但是，为了实现实时任务的调度，软件上必须结合嵌入式实时多任务操作系统[4][5]，才能设计成真正意义上的嵌入式实时系统。
　　比较上述两种设计模式的优缺点之后，选择以DSP+ARM为双处理器结构，开发出本文所要介绍的新型实时嵌入式电能质量网络监测装置。嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高等优点，同时，在该领域技术成熟、产品类型多、选择空间大，满足各种性能需求的处理器比较容易获得。本文对电能质量监测装置进行设计的同时，改变了电能质量监测装置在传统网络结构中的地位，嵌入以太网络接口，将电能质量监测仪作为网络中独立的节点，内置TCP/IP协议栈，实现电能质量网络监测装置有直接上网传输数据的功能，从而可以更加快捷地对电能质量数据进行分析和处理。
　　2 系统结构设计
　　2.1 系统功能结构
　　本文设计的基于DSP+ARM的嵌入式风电场电能质量监测装置主要实现了对风电场运行过程中各性能指标的实时监测，这些指标包括电压有效值、电流有效值、有功功率、无功功率、功率因数、电压波动、谐波分析以及闪变计算。同时建立了良好的操作界面，使用户一目了然地观察风电场运行的实时数据，并具有图标显示、数据打印、数据存储等功能。
　　本系统主要采用DSP+ ARM的双系统模式结构，数据采集芯片为ADS8364。由ADS8364完成采样，DSP对采样结果实时变换处理；ARM系统完成统计、存储、通讯及人机对话等功能。二者通过半双工通讯方式进行数据传输与交换。系统结构如图1所示。由于风电场风机分散，间距较远，环境恶劣，地理环境复杂，本系统的监测装置与中央控制机采用光纤通讯。中央控制机为高端服务器，对整个系统进行调度与控制，可以实时观察每个站点的情况。






　　图2 DSP软件程序流程图??????????????????????? 图3 各指标运算流程
　　3.1 DSP软件设计
　　DSP软件采用C语言和汇编语言混合编程方式，其软件设计主要包括完成数据采集、
　　电能质量算法和数据分析程序。F2182通过定时器中断启动Ａ/Ｄ转换过程，中断周期被设置为每周波256点，通过双缓冲池来管理实时数据。数据分析主要包括谐波分析和实时检测信号的峰值、有效值等信息，以判断过欠压、振荡等电能质量问题。本系统采用深圳市风标数码科技有限公司提供的XDS510USB2.0仿真器，它可以通过USB接口直接与PC机相连接，在CCS集成开发环境下通过JTAG接口，调试烧写程序，其程序流程如图2所示。
　　本设计中需要监测和计算的量有：电压有效值、电流有效值、有功功率、无功功率、功率因数、电压波动、谐波分析、闪变计算等，运算流程如图3所示。
　　其中计算谐波时目前根据要求只计算到19次谐波，截止频率分别选择为1kHz和40Hz。闪变计算所需的数据为所存储的10分钟中的数据中进行抽样获得，10分钟的数据需实时更新。对得出瞬时闪变视感度S(t)恒速采样，得出累积概率函数，最后计算出短时间闪变值Pst。
　　3.2 ARM芯片软件设计
　　ARM软件采用C语言编程方式，其软件设计主要包括完成与DSP的通信，给DSP索要数据的命令，并接收传来的数据，将电能质量参数值以波形曲线、柱状图等形式实时显示出来，便于用户操作与控制。ARM主线程程序流程图如图4所示，与DSP的通讯子线程流程图如图5所示。






　　图4 ARM主线程程序流程图???????????????? 图5通讯子线程
　　其中，ARM向DSP索要数据传输时，DSP采用中断的工作方式，将处理的数据送与ARM统计、存储与显示。
　　4 结论
　　在借鉴已有设备的功能和特性的基础上，利用DSP+ARM的新型嵌入式系统结构实现实时信号处理能力，完全满足风电场的电能质量监测和谐波闪变分析的需要。其次，为了符合电能质量监测网络的建设要求，运用当前先进的嵌入式网络接口技术，将电能质量监测装置作为网络中独立的节点，内置TCP/IP协议栈，实现电能质量网络监测装置直接上网传输数据的功能，为实现高端分析服务器上的高级分析软件提供数据。同时还提供良好的人机界面，具有键盘和液晶显示的功能，可以提供实时数据信息的界面。本文所设计的电能质量监测装置已在实验室调试成功，下一步工作将于风电场现场调试。本设计既可作为基本的电能质量监测系统的检测单元，也可用作监测控制器，适用面广，具有实时性好、通用性强、可靠性高、系统容易实现等优点，有广阔的应用前景，为将来开发更完善的电能质量监测系统打下了坚实的基础。