基于快速传输海量存储的电能质量监测系统

摘要 根据对传统电能质量采集装置的分析和研究，文中提出了基于CAN总线的电能质量监测及数据存储系统的设计方案。该装置主要针对数据的大量和可靠性传输，设计了一种基于CAN总线的快速数据传输平台，有效地实现了基站与上位机系统之间的数据通信；同时利用U盘读写模块，使装置外扩了大容量移动硬盘，实现了数据的海量存储。另外，给出了数据采集、锁相倍频、数据通信等模块电路。测试表明，各项指标达到设计要求，方案有效可行。
关键词 电能质量；DSP；CAN总线；数据存储

    随着电力电子设备的应用领域越来越广，导致用电负荷加大，其中一些冲击性、非线性负荷使得电网中电压波形畸变，电压波动、闪变和谐波含量增加等问题时有发生，电网受到严重污染；另外，随着精密和复杂电子设备的大量应用，对电网电能质量的要求也越来越高。因此如何提高电能质量是电力企业面临的一个重要课题，而对电能进行实时监测是提高和改善电能质量的一个重要组成部分。
    目前已有的电能质量监测设备基本实现了对数据的采集、传输以及分析处理功能，只是在各功能实现的方式上有所不同。文献分别采用虚拟仪器技术、DSP+MCU双CPU设计以及在LPC2478上移植μC／OS-Ⅱ操作系统技术来实现对电能质量的监测，其中与外部的通信部分采用RS-232、红外、RS-485等通信方式。
    通信技术是研究与开发电能质量监测系统的关键技术之一，其通信性能也直接影响着整个电能质量监测系统的性能，这样对数据的传输速率以及传输可靠性方面提出很高的要求。由于CAN总线在性能、可靠性等方面的突出优势以及可高速、长距离传输等特点，使之特别适合现场监控设备的数据通信。因此，采用CAN总线来构建电能质量监测系统的通信网络，可有效地实现大量数据高速可靠地传输。同时，以往在线式电能质量监测装置的存储容量较小，而本装置利用U盘读写模块，使装置外扩更大容量的移动硬盘，实现了数据的海量存储。针对以上需求，提出了一种基于CAN总线的电能质量监测及数据存储系统的设计方案，经实验测试证明了该方案的有效性。

1 系统工作原理
    该系统采用双DSP作为核心，将采集到的数据进行A／D转换后输出给主DSP，主DSP分析处理后连同原始数据一同发送到CAN总线上，CAN-bus转以太网模块从总线上读取数据上传至上位机进行分析处理，通过图表显示、统计、分析，实时显示电能质量的健康状况。辅DSP从总线上读取数据后进行压缩，通过U盘读写模块将数据存到大容量移动硬盘里。系统工作原理，如图1所示。

2 系统的硬件设计
2．1 CPU与A／D芯片的选取
    根据系统工作需要，CPU既要有快速数据处理能力又要有丰富的外设控制功能，选取TI公司的TMS320F2812，这是一款用于控制的高性能、多功能、高性价比的32位定点DSP芯片，最高可在150 MHz主频下工作。F2812片内集成众多资源，本系统主要利用其快速处理和不同于其他CPU的增强型eCAN总线接口和事件管理器(EV)功能，选择双CPU主要是根据工作需要，主CPU完成数据采集、处理和发送，而辅CPU完成数据压缩和存储。A／D芯片选用TI公司的高性能A／D转换芯片ADS8364。该芯片是一款高速、低能耗、6通道同步采样，单+5 V供电的16位高速并行接口的高性能A／D转换芯片，其不论在精度、速率还是采集方式上都符合本系统设计要求。
2．2 数据采集模块
    数据采集模块主要完成系统对三相电压、三相电流的实时而精确的数据采集，为以后各项指标的计算分析提供可靠的数据资源。
2．2．1 电压、电流互感器
    为尽可能使采样到DSP的信号逼近于原始信号，还应选择合适的电流、电压变换器进行测量和转换，使信号调整为适合A／D转换的要求。设计采用上海和华电子科技有限公司生产的电流型电压互感器SPT204A和电流互感器SCT254FK。 [p]
2．2．2 抗混叠滤波电路设计
    抗混叠滤波电路实质是迫使信号通过一个有限带宽的低通滤波器，使输入到A／D转换器的信号为有限带宽信号，并且以很小的衰减让有效的频率信号通过，而抑制这个频带以外的频率信号，从而防止信号的频谱发生混叠及高频干扰。该滤波器的截止频率为采样频率的一半。谐波测量系统在信号每个周期采样128点即采样频率为128×50=6 400 Hz，所以抗混叠滤波器的截止频率为采样频率的一半即3200Hz。

2．2．3 锁相倍频电路的设计
    虽然我国电网的频率规定为50 Hz，但实际电网的频率受供电负荷不平衡影响会有一些波动。如果以定步长对电力系统的信号进行采样，会使实际每个工频周期内采样点的起始时刻、采样点个数出现差异，这种差异将导致栅栏效应和频谱泄露，使信号频谱分析的结果产生误差。为尽量减小这种误差，设计锁相倍频电路跟踪系统频率的波动。

    锁相倍频电路由相位比较器、环路滤波器、压控振荡器和分频器4部分构成，具体电路如图3所示，电路工作原理为：输入电压信号通过14脚接入CD4046的相位比较器，经锁相环的相位锁定后，由CD4040的4脚输入CD4046的3脚的信号频率与原输入信号的频率一致。此时由CD40 46产生一个频率为128倍于输人信号的脉冲作为A／D的采样频率。在此，将锁相倍频电路输出端口与ADS8364的／HOLDX相连，以满足同步采样的需要。 [p]
2．3 数据通信模块
    数据通信部分采用CAN总线，在传输速率上有了很大的提高，可以达到1 Mbit·s-1。F2812内部集成了eCAN控制器。eCAN模块是一种片上增强控制器，其性能较已有的DSP内嵌CAN控制器有较大提高，而且数据传输灵活方便，数据量大、可靠性高、功能完备。CAN驱动器使用TI公司的SN65HVD230D设计了CAN-bus转以太网模块，用来完成向上位机传输数据。该模块内部集成了一路CAN-bus接口和一路EtherNet接口以及TCP／IP协议栈，利用它可以轻松完成CAN-bus网络和EtherNet网络的互联，进一步拓展CAN-bus网络的范围。CAN口通信最高波特率为1Mbit· s-1，具有TCP Server，TCPClient，UDP等多种工作模式，每个CAN口可支持2个TCP连接或3×254个UDP连接，通过配置软件可以设定相关配置参数。方便地实现了数据高速传输，把数据实时传到上位机进行分析处理，及时发现问题，为电网安全稳定运行提供了保障。

2．4 数据存储模块
    本文的设备结合数据压缩技术，完成对所有数据的存储，可以连续记录一年的波形，不需要门槛和触发阀值，只要简单地接入，不会丢失事件，为以后的计算分析提供可靠的数据资源。该模块内嵌USB2．0协议，具有RS232串口和高速SPI接口，SPI口读写文件速度为1．5Mbit ·s-1，可以把所有数据及时地存储到硬盘里，其具有以下功能：检测U盘的状态、创建文件和目录、打开一个已经创建的文件和目录、从文件中读取指定长度和位置的数据、写数据到指定文件的指定地址、列举目录下的文件和目录、删除文件和目录、查询U盘容量、剩余空间及FAT格式。模块遵守USB2．0协议规范，支持所有基于USB的移动存储器，支持FAT16／32文件系统。系统工作于命令应答方式下，由用户系统发出命令，系统再根据该命令进行相应处理后，向用户系统返回相关的应答。

3 系统软件设计
    实时电能质量监测系统的软件主要包括：运行在电能质量监测仪上的数据采集、存储、通信以及各种算法软件；另一部分是运行在上位机上的软件，用来对从监测仪获得的电能质量数据进行统计、分析以及为改善电能质量问题所采取的措施提供依据。结构图，如图5所示。

    图6为运行在电能质量检测仪上的程序流程图，一些函数模块的功能介绍如下：

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    SysCtrl()：主要完成系统各功能模块的初始化任务，包括CPU TMS320F2812的系统时钟频率的设置、外设时钟的开启以及A／D转换芯片ADS8364的工作时钟。
    Read_AD()：主要用来读取A／D转换后的数据，为CPU对数据的后续处理做准备。
    fft128()：把信号从时域变成频域，主要完成谐波的分析。
    CAN_TX()：主CPU把数据发送到CAN总线上。
    SPI_TX()：主要实现对数据的存储，把所有实时数据都保存到外扩的移动硬盘。

4 系统性能测试
    本系统在负载三相交流电机、KT系列晶闸管调压器、VBF-150／200型真空高温压力焊接炉工作下，对三相电压进行监测。
    具体实验过程：首先负载1工作，将焊接炉内抽成真空，约半小时，接着接通整流设备连同负载2一起工作，整流设备将三相交流电压转化成5 V直流电压，其内置整流、稳压等电路，可能对电网造成污染。在此期间，本电能质量监测系统一直跟踪监测，所测电压数据波形如图7(a)和图7(b)所示。

    由电压波形图可知，大型的非线性负载对电网会造成严重的污染，因此研究开发新型、实用、稳定可靠的电能质量监测仪，对电网安全稳定运行具有重要意义。

5 结束语
    设计的基于CAN总线的电能质量监测及数据存储系统不仅能够实现以往产品的功能，还可以保存长达一年的历史数据，并利用CAN总线结合以太网快速高效地传输数据，满足了现代电能质量监测系统网络化、实时性的要求，经试验证明，各项功能指标达到了设计要求。