基于快速傳輸海量存儲(chǔ)的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)

摘要 根據(jù)對(duì)傳統(tǒng)電能質(zhì)量采集裝置的分析和研究，文中提出了基于CAN總線的電能質(zhì)量監(jiān)測及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該裝置主要針對(duì)數(shù)據(jù)的大量和可靠性傳輸，設(shè)計(jì)了一種基于CAN總線的快速數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)，有效地實(shí)現(xiàn)了基站與上位機(jī)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信；同時(shí)利用U盤讀寫模塊，使裝置外擴(kuò)了大容量移動(dòng)硬盤，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的海量存儲(chǔ)。另外，給出了數(shù)據(jù)采集、鎖相倍頻、數(shù)據(jù)通信等模塊電路。測試表明，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，方案有效可行。
關(guān)鍵詞 電能質(zhì)量；DSP；CAN總線；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

隨著電力電子設(shè)備的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣，導(dǎo)致用電負(fù)荷加大，其中一些沖擊性、非線性負(fù)荷使得電網(wǎng)中電壓波形畸變，電壓波動(dòng)、閃變和諧波含量增加等問題時(shí)有發(fā)生，電網(wǎng)受到嚴(yán)重污染；另外，隨著精密和復(fù)雜電子設(shè)備的大量應(yīng)用，對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的要求也越來越高。因此如何提高電能質(zhì)量是電力企業(yè)面臨的一個(gè)重要課題，而對(duì)電能進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測是提高和改善電能質(zhì)量的一個(gè)重要組成部分。
目前已有的電能質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備基本實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)的采集、傳輸以及分析處理功能，只是在各功能實(shí)現(xiàn)的方式上有所不同。文獻(xiàn)分別采用虛擬儀器技術(shù)、DSP+MCU雙CPU設(shè)計(jì)以及在LPC2478上移植μC／OS-Ⅱ操作系統(tǒng)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)電能質(zhì)量的監(jiān)測，其中與外部的通信部分采用RS-232、紅外、RS-485等通信方式。
通信技術(shù)是研究與開發(fā)電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，其通信性能也直接影響著整個(gè)電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的性能，這樣對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸速率以及傳輸可靠性方面提出很高的要求。由于CAN總線在性能、可靠性等方面的突出優(yōu)勢以及可高速、長距離傳輸?shù)忍攸c(diǎn)，使之特別適合現(xiàn)場監(jiān)控設(shè)備的數(shù)據(jù)通信。因此，采用CAN總線來構(gòu)建電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)，可有效地實(shí)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)高速可靠地傳輸。同時(shí)，以往在線式電能質(zhì)量監(jiān)測裝置的存儲(chǔ)容量較小，而本裝置利用U盤讀寫模塊，使裝置外擴(kuò)更大容量的移動(dòng)硬盤，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的海量存儲(chǔ)。針對(duì)以上需求，提出了一種基于CAN總線的電能質(zhì)量監(jiān)測及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試證明了該方案的有效性。

1 系統(tǒng)工作原理
該系統(tǒng)采用雙DSP作為核心，將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換后輸出給主DSP，主DSP分析處理后連同原始數(shù)據(jù)一同發(fā)送到CAN總線上，CAN-bus轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊從總線上讀取數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)進(jìn)行分析處理，通過圖表顯示、統(tǒng)計(jì)、分析，實(shí)時(shí)顯示電能質(zhì)量的健康狀況。輔DSP從總線上讀取數(shù)據(jù)后進(jìn)行壓縮，通過U盤讀寫模塊將數(shù)據(jù)存到大容量移動(dòng)硬盤里。系統(tǒng)工作原理，如圖1所示。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
2．1 CPU與A／D芯片的選取
根據(jù)系統(tǒng)工作需要，CPU既要有快速數(shù)據(jù)處理能力又要有豐富的外設(shè)控制功能，選取TI公司的TMS320F2812，這是一款用于控制的高性能、多功能、高性價(jià)比的32位定點(diǎn)DSP芯片，最高可在150 MHz主頻下工作。F2812片內(nèi)集成眾多資源，本系統(tǒng)主要利用其快速處理和不同于其他CPU的增強(qiáng)型eCAN總線接口和事件管理器(EV)功能，選擇雙CPU主要是根據(jù)工作需要，主CPU完成數(shù)據(jù)采集、處理和發(fā)送，而輔CPU完成數(shù)據(jù)壓縮和存儲(chǔ)。A／D芯片選用TI公司的高性能A／D轉(zhuǎn)換芯片ADS8364。該芯片是一款高速、低能耗、6通道同步采樣，單+5 V供電的16位高速并行接口的高性能A／D轉(zhuǎn)換芯片，其不論在精度、速率還是采集方式上都符合本系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。
2．2 數(shù)據(jù)采集模塊
數(shù)據(jù)采集模塊主要完成系統(tǒng)對(duì)三相電壓、三相電流的實(shí)時(shí)而精確的數(shù)據(jù)采集，為以后各項(xiàng)指標(biāo)的計(jì)算分析提供可靠的數(shù)據(jù)資源。
2．2．1 電壓、電流互感器
為盡可能使采樣到DSP的信號(hào)逼近于原始信號(hào)，還應(yīng)選擇合適的電流、電壓變換器進(jìn)行測量和轉(zhuǎn)換，使信號(hào)調(diào)整為適合A／D轉(zhuǎn)換的要求。設(shè)計(jì)采用上海和華電子科技有限公司生產(chǎn)的電流型電壓互感器SPT204A和電流互感器SCT254FK。