新型嵌入式電能質(zhì)量監(jiān)測裝置的設(shè)計(jì)

1、新型嵌入式電能質(zhì)量監(jiān)測裝置的設(shè)計(jì)高佳,王愛民,于海(東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程系江蘇南京210096摘要:電能質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)是當(dāng)前電力系統(tǒng)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。根據(jù)電能質(zhì)量監(jiān)測對于系統(tǒng)支持復(fù)雜算法和實(shí)時(shí)性的特殊要求,并在綜合分析了目前電能質(zhì)量監(jiān)測現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,提出了一種基于D SP +M PU 構(gòu)架的嵌入式電能質(zhì)量監(jiān)測裝置的解決方案,將嵌入式技術(shù)和雙CPU 技術(shù)有機(jī)地融合在一起。分別討論了設(shè)備的硬件系統(tǒng)和基于雙CPU 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)思想。這種新型設(shè)計(jì)符合電能質(zhì)量監(jiān)測的最新發(fā)展要求,相對以往的設(shè)計(jì),具有實(shí)時(shí)性好、性能高、體積小、成本低等優(yōu)點(diǎn),更適合于大量安裝在現(xiàn)場。關(guān)鍵詞:電能質(zhì)量;監(jiān)測技術(shù);A RM ;L

2、 inux ;Socket中圖分類號(hào):T P 303文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B 文章編號(hào):1004373X (20051602603D esign of a New Type of Em bedded Power Qua l ity M on itor D ev iceGAO J ia ,WAN G A i m in ,YU H ai(Schoo l of Instrum ent Science and Engineering ,Southeast U niversity ,N anjing ,210096,Ch ina Abs tra c t :T he pow er quality monito ri

3、ng techno logy is a research focus of the p resent electric pow er system field 1A cco rding to thespecial dem and of the pow er quality monito ring that the system should suppo rt characteristics of comp licated algo rithm and real ti m e 1O n the basis of analyzing synthetically the p resent situa

4、ti on of pow er quality monito ring ,a new so luti on is p ropo sed of em bedded pow er quality monito ring device based on D SP +M PU fram ew o rk ,integrating the em bedding techno logy and double CPU techno logy o rganically 1T he hardw are system and softw are based on double CPU system are disc

5、ussed respectively 1Comparing w ith existing designs ,the p ropo sed design can acco rd w ith the dem ands of the upto date requirem ent in pow er quality monito ring and it hasadvantages in perfo r m ance ,computati on vo lum e and co st 1So th is design is suitable to be installed on site in large

6、 quantity 1Ke yw o rds :pow er quality ;monito r techno logy ;A RM ;L inux ;Socket收稿日期:20050428隨著電力電子技術(shù)的蓬勃發(fā)展和廣泛應(yīng)用,電力系統(tǒng)自動(dòng)化有了眾多技術(shù)創(chuàng)新和生產(chǎn)應(yīng)用,與此同時(shí),電力電子技術(shù)也給電力系統(tǒng)帶來了許多不穩(wěn)定因素,如電網(wǎng)諧波污染等,造成了電網(wǎng)的電能質(zhì)量低劣。電能質(zhì)量差一方面不利于電力系統(tǒng)安全運(yùn)行,使電氣設(shè)備壽命縮短、電網(wǎng)損耗增大、繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置誤動(dòng);另一方面,隨著電力系統(tǒng)改革,廠網(wǎng)分開,電能質(zhì)量的好壞將直接影響到電力公司的市場占有率。電能質(zhì)量的在線監(jiān)測正是在這樣的基礎(chǔ)之上發(fā)展起來

7、的。本文所介紹的電能質(zhì)量監(jiān)測裝置具有以下的主要功能:連續(xù)監(jiān)測公共供電點(diǎn)的電壓偏差、三相電壓不平衡度、電壓諧波、頻率偏差及用戶注入電網(wǎng)的諧波電流和負(fù)序電流;電能質(zhì)量指標(biāo)超限報(bào)警及數(shù)據(jù)錄波;完善的網(wǎng)絡(luò)通信功能,實(shí)現(xiàn)對供、用電方的雙向監(jiān)督和電能質(zhì)量故障分析與預(yù)報(bào)。1電能質(zhì)量監(jiān)測裝置的系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)要處理的任務(wù)種類繁多,既有周期性任務(wù)(數(shù)據(jù)采樣、各種計(jì)算等,又有突發(fā)性任務(wù)(通信、人機(jī)交互等,同時(shí)還要保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性,這種情況下不僅要求處理設(shè)備本身具有很高的速度和處理能力,而且還要具有實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度能力,最后還要考慮到成本。在原有的D SP 和PC 機(jī)的雙處理器結(jié)構(gòu)中,D SP 處理實(shí)時(shí)任務(wù),PC 機(jī)用于和

8、用戶交互,一定程度上解決了電能質(zhì)量監(jiān)測的實(shí)時(shí)性問題,但沒有達(dá)到智能化和網(wǎng)絡(luò)化的程度,而且采用PC 機(jī)加大了設(shè)備的成本,不適于作為永久性在線監(jiān)測設(shè)備大量安裝于現(xiàn)場。目前流行的設(shè)計(jì)模式是采用D SP +M CU 雙處理器,通過雙口RAM 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和協(xié)同工作。這樣,在滿足處理大運(yùn)算量實(shí)時(shí)任務(wù)要求的同時(shí),極大地降低了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成本。單片機(jī)用來分擔(dān)部分實(shí)時(shí)性要求不高的系統(tǒng)任務(wù),如系統(tǒng)配置管理、人機(jī)交互、通信等。但是,為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)任務(wù)的調(diào)度,軟件上必須結(jié)合嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng),才能設(shè)計(jì)成真正意義上的嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)。比較上述2種設(shè)計(jì)模式的優(yōu)缺點(diǎn)之后,選擇以D SP +M PU 為雙處理器,開發(fā)出本文

9、所要介紹的新型實(shí)時(shí)嵌入式電能質(zhì)量網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測裝置。嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn),同時(shí),在該領(lǐng)域技術(shù)成熟、產(chǎn)品類型多、選擇空間大,滿足各種性能需求的處理器比較容易獲得。隨著采用R ISC 體系的高性能M PU(比如采用A RM 構(gòu)架的處理器芯片等的出現(xiàn),M PU 在62嵌入式技術(shù)高佳等:新型嵌入式電能質(zhì)量監(jiān)測裝置的設(shè)計(jì)嵌入式領(lǐng)域中的地位經(jīng)久不衰。在本裝置中采用的就是A RM 構(gòu)架的嵌入式芯片S 3C 2410。2監(jiān)測裝置的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)監(jiān)測裝置的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示 。圖1硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖監(jiān)測裝置采用D SP +M PU 結(jié)構(gòu)。D SP 芯片的優(yōu)勢在于運(yùn)算,在本裝置中采用的是

10、T I 公司的TM S 320F 2812芯片,以完成采樣及對采樣結(jié)果的實(shí)時(shí)變換處理;嵌入式系統(tǒng)部分則是以S 3C 2410芯片為核心,附加外圍的觸摸屏、電子盤存儲(chǔ)、以太網(wǎng)通信等硬件電路,用以完成統(tǒng)計(jì)、存儲(chǔ)、通訊及人機(jī)對話等功能。二者通過串口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。211模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊電力系統(tǒng)中高次諧波的含量相對于基波分量而言是非常低的。根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù),如果采用D SP 內(nèi)置的12位分辨率的A D 轉(zhuǎn)換芯片,僅因?yàn)锳 D 轉(zhuǎn)換精度不夠,對15次諧波而言至少會(huì)引起1.67%的誤差,高次諧波測量數(shù)據(jù)將沒有可信性。因此選用了16位分辨率的AD 73360。212嵌入式處理器模塊使用嵌入式處理器替代同類產(chǎn)品中的工控

11、機(jī)或單片機(jī)系統(tǒng)是本裝置的一個(gè)創(chuàng)新之處:工控機(jī)的高成本使得該監(jiān)測裝置的普及顯得極為不易,而單片機(jī)系統(tǒng)的低性能又不足以完成復(fù)雜的工作。嵌入式處理器恰恰彌補(bǔ)了兩者的缺點(diǎn),其性能高,能在其上移植嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),例如在本裝置中移植的A RM L inux 。3監(jiān)測裝置的軟件設(shè)計(jì)從軟件設(shè)計(jì)的角度看,D SP 子系統(tǒng)主要完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集和計(jì)算,同時(shí)響應(yīng)M PU 子系統(tǒng)的通信請求,把各種計(jì)算結(jié)果和信息報(bào)告給M PU ,而M PU 子系統(tǒng)執(zhí)行整個(gè)系統(tǒng)的控制和管理,在需要數(shù)據(jù)的時(shí)候,向D SP 子系統(tǒng)發(fā)出通信請求,獲取各種數(shù)據(jù)和信息。這樣一來大量的實(shí)時(shí)采樣和計(jì)算與系統(tǒng)的管理和控制就可以并行執(zhí)行,通過通信使雙

12、方在任務(wù)執(zhí)行上同步。這種基于雙CPU 結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)對于實(shí)時(shí)性的保證起到了關(guān)鍵性的作用。軟件系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)如圖2所示。軟件設(shè)計(jì)包括D SP 芯片的軟件設(shè)計(jì)和M PU 芯片的軟件設(shè)計(jì)2部分。311D SP 軟件設(shè)計(jì)D SP 軟件設(shè)計(jì)部分采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),在循環(huán)中分時(shí)調(diào)用各程序,實(shí)時(shí)性要求強(qiáng)的部分,采用中斷處理。D SP軟件采用C 語言和匯編語言混合編程方式,用匯編語言編制FFT 算法部分,在一個(gè)周波20m s 時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對電壓電流6路信號(hào)的128點(diǎn)基二FFT 分析,以獲取每周波的諧波信息。在這里,必須保證在20m s 內(nèi)除完成上一周波的6次FFT 變換外還余幾m s 的時(shí)間,才能達(dá)到實(shí)時(shí)分析每一周波

13、的目的。在出現(xiàn)特殊情況(周波級(jí)電壓突升、電壓跌落時(shí),啟動(dòng)錄波 。圖2軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖由FFT 運(yùn)算得到的基波電壓、電流幅值和相位,可以利用對稱分量法求出三相電壓的正序、負(fù)序分量,從而確定三相不平衡度。D SP 軟件還可以得到電壓有效值、電流有效值、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、頻率等多項(xiàng)測量結(jié)果。312M PU 軟件設(shè)計(jì)開發(fā)平臺(tái)選用源碼開放的A RM L inux 操作系統(tǒng),應(yīng)用程序采用C 語言編碼,同時(shí)使用GDB 工具進(jìn)行調(diào)試。開發(fā)過程中,通過建立一個(gè)交叉編譯環(huán)境來完成內(nèi)核和應(yīng)用程序的調(diào)試和編譯,生成RAM D ISK 文件系統(tǒng),并最終形成一個(gè)固化文件。數(shù)據(jù)庫采用嵌入式數(shù)據(jù)庫sqlite ,他

14、的特點(diǎn)是無需獨(dú)立運(yùn)行的數(shù)據(jù)庫引擎,而是由程序直接調(diào)用相應(yīng)的A P I 去實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的存取操作。更直白地講,他是一種具備了基本數(shù)據(jù)庫特性的數(shù)據(jù)文件。該嵌入式數(shù)據(jù)庫的一個(gè)很重要的特點(diǎn)是他們的體積非常小,編譯后的產(chǎn)品也不過幾十kB ,所以很適合在M PU 中運(yùn)行。關(guān)于GU I 設(shè)計(jì),與通用的GU I 系統(tǒng)相比,嵌入式系統(tǒng)下對GU I 的基本要求包括:輕型、占用資源少、高性能、高可靠性和可配置。目前,面向嵌入式L inux 系統(tǒng)的有代表性的GU I 系統(tǒng)有M iniGU I ,M icroW indow s ,Q t Em bedded 。在本監(jiān)測裝置中,選用北京飛漫公司的M iniGU I 系統(tǒng)進(jìn)行

15、GU I 設(shè)計(jì)。M iniGU I 最初是為了滿足一個(gè)工業(yè)控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的需求而設(shè)計(jì)和開發(fā)的,他在設(shè)計(jì)之初就考慮到了小巧、高性能和高效率,因此比較適合于工控領(lǐng)域的簡單應(yīng)用。在裝置中通過Socket 調(diào)用實(shí)現(xiàn)向網(wǎng)絡(luò)上的服務(wù)器端上傳監(jiān)測數(shù)據(jù),Socket 是BSD U nix 提供的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用編程接口,他是應(yīng)用程序與TCP IP 以及其他具有U nix 內(nèi)核的協(xié)現(xiàn)代電子技術(shù)2005年第16期總第207期 嵌入式與單片機(jī)議的界面,并采用客戶機(jī) 服務(wù)器的通信機(jī)制,使網(wǎng)絡(luò)客戶機(jī)和服務(wù)器通過Socket實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)之間的連接和數(shù)據(jù)傳輸。這部分軟件主要實(shí)現(xiàn)的功能為:M PU每5m in接收一次由D SP計(jì)

16、算出來的結(jié)果,統(tǒng)計(jì)出最大值、最小值、95%概率大值、合格率等結(jié)果,執(zhí)行存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、記錄波形、數(shù)據(jù)上傳、分析異常等事件,同時(shí)通過觸摸屏顯示一個(gè)友好的GU I界面,用戶通過點(diǎn)擊該界面,即可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)查詢、歷史查詢、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等功能。4結(jié)語本文介紹的電能質(zhì)量監(jiān)測裝置采用D SP+M PU的雙CPU的工作模式,實(shí)現(xiàn)了對電能質(zhì)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測。并且為滿足建設(shè)電能質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的需要,將該裝置設(shè)計(jì)成網(wǎng)絡(luò)中的獨(dú)立節(jié)點(diǎn),為電力局端服務(wù)器上的高級(jí)分析軟件提供實(shí)時(shí)的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)。同時(shí)在裝置端提供了良好的人機(jī)界面,以便工程人員進(jìn)行本地操作和維護(hù)。另外還針對目前電能質(zhì)量數(shù)據(jù)交換沒有統(tǒng)一文件格式的狀況,采用IEEE的推薦格式P

17、QD IF,為將來開發(fā)更完善的電能監(jiān)測系統(tǒng)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。參考文獻(xiàn)1李令冬1電能質(zhì)量監(jiān)測與分析儀器的分類及選用C1電世界,2002,(7:13412崔軍朝,蔡靜,黃波,等1分層分布式區(qū)域電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)J1現(xiàn)代電力,2003,20(3:59621 3何金定,蕭先勇1電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)處理技術(shù)J1四川大學(xué)學(xué)報(bào),2004,36(2:9810114丁屺峰,程浩忠,占勇,等1電能質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展J1中國電力,2004,37(7:16191作者簡介高佳女,1982年出生,江蘇省高淳縣人,碩士研究生。主要從事測控技術(shù)與儀器方面的研究。(上接第23頁層操作系統(tǒng)的差異;內(nèi)存管理的封裝作為嵌入

18、式操作系統(tǒng)封裝層中的一部分,對整個(gè)系統(tǒng)的可靠性起到很大的作用。以上有關(guān)內(nèi)存管理封裝的設(shè)計(jì)方法已經(jīng)得到了實(shí)際的應(yīng)用,并得到了比較好的結(jié)果。參考文獻(xiàn)1鮑國超,柳長安,蘆東昕1面向?qū)ο蟮牟僮飨到y(tǒng)抽象層和運(yùn)行支撐層J1計(jì)算機(jī)工程,2003,29(22:59611 2湯子瀛,哲風(fēng)屏,湯小丹1計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)M1西安:西安電子科技大學(xué)出版社,199613美W ind R iver1V x W o rk程序員指南M1王金剛,高偉,蘇琪,等譯1北京:清華大學(xué)出版社,200314T anenbaum A S,W oodhull A S1操作系統(tǒng):設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)M1王鵬,尤晉元,朱鵬,等譯1北京:電子工業(yè)出版社,200215W indR iver System Inc1To rnado212U ser GuideZ1U SA,199916L ap lante P A1R eal ti m e System s D esign and A nalysis,A nEngineers H andbookC1P iscataw ay,N ew Jersey:IEEE Computer Society P ress,199217王學(xué)龍1嵌入式V x W o rk s系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用M1北京:人民郵電出版社,200318美W