可用于檢測單相或三相交流供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量檢測分析

一、項目概述

1.1 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的蓬勃發(fā)展，基于大功率電力電子開關設備的普及及應用，使得電力網(wǎng)中的非線性設備及電力負荷大量增加，同時由于為了提高系統(tǒng)效益而不斷地采用電子裝置，這些現(xiàn)象所帶來的各種電能質(zhì)量問題已日益突出。特別是沖擊性和非線性負荷容量的不斷增長，使得電網(wǎng)發(fā)生波形畸變和三相不平衡等電能質(zhì)量問題，嚴重影響電力系統(tǒng)和電力用戶供用電設備的安全運行。

電能質(zhì)量的優(yōu)劣將直接影響整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，已經(jīng)引起了各國電力工作者的高度重視。電能質(zhì)量所帶來的問題和其他環(huán)境問題一樣成為公害，電能質(zhì)量的檢測分析和質(zhì)量控制越來越引起電力供應企業(yè)和電力用戶的關注。電能質(zhì)量的問題取決于供電和用電方，要提高電網(wǎng)的電能質(zhì)量水平，使用戶用上優(yōu)質(zhì)的電能，同時也為了電力設備的安全運行，必須由電力部門和接入電網(wǎng)的廣大電力用戶來共同維護。為了切實維護電力部門和用戶的利益，保證電網(wǎng)的安全運行，凈化電氣環(huán)境，必須加強電力系統(tǒng)電網(wǎng)電能質(zhì)量的檢測和管理。

1.2 項目背景/選題動機

電能質(zhì)量越來越引起電力企業(yè)與用戶的關注，如何準確的評定電能質(zhì)量的好壞，如何可靠的檢測電能質(zhì)量參數(shù)，已成為電能質(zhì)量研究中必要的一環(huán)。研究電能質(zhì)量并制定相應的標準，是評定電能質(zhì)量以及電力技術工作者選用補償方法、裝置和技術措施的依據(jù)。

目前在國際上主要有兩大電能質(zhì)量標準體系，分別是IEEE標準和IEC標準，我國在參考這些電能質(zhì)量標準的基礎上，結合自己國家的國情，制定出自己的電能質(zhì)量標準。我國電能質(zhì)量有5項指標:電壓偏差，頻率偏差，諧波，電壓波動和閃變，三相電壓不平衡度，這些標準分別為：

《電能質(zhì)量 供電電壓允許偏差》(GB12325)

《電能質(zhì)量 電力系統(tǒng)頻率允許偏差》(GB/T 15945)

《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》(GB/T 14549)

《電能質(zhì)量 供電電壓允許波動閃變》(GB12326)

《電能質(zhì)量 三相電壓允許不平衡度》(GB/T 15543)

與這些標準相關的測試應用范圍廣闊，工作方式和測試項目也比較多。這些測試要求同其他的自動化系統(tǒng)相比具有一定挑戰(zhàn)性，電力應用決定了它是一個高速和實時性的應用，連續(xù)的測試分析統(tǒng)計又需要大的數(shù)據(jù)吞吐量，而作為測試分析設備或儀器又對分辨率和精度有較高要求。

為了滿足電能質(zhì)量的檢測需求，有關電能質(zhì)量檢測和分析設備的研制開發(fā)一直都在進行中。國內(nèi)外采取了許多先進的軟、硬件技術以及數(shù)學仿真方法，涌現(xiàn)了許多研究成果和相應的產(chǎn)品。目前電能質(zhì)量研究分析的方法主要有：時域仿真方法、頻域分析方法和基于變換方法；這些實現(xiàn)有基于微處理器開發(fā)的嵌入式系統(tǒng)，也有運行于計算機上的基于各種高級編程語言開發(fā)的軟件系統(tǒng)。其中，嵌入式的電能質(zhì)量在線檢測儀，由于其抗干擾能力強、精度高、耗電低、體積小、免維護、費用省等特點，成為電能質(zhì)量在線檢測的首選設備，而且，通過快速的數(shù)據(jù)傳輸通道，將所獲取的原始數(shù)據(jù)傳輸計算機系統(tǒng)上，可以進行一些需要大量的存儲空間和運算能力的復雜的分析計算和統(tǒng)計。

經(jīng)過分析，我們認為這些測試要求具有一定的共性，將電能質(zhì)量檢測分析共性的部分抽取出來，開發(fā)一個檢測分析平臺，然后在其基礎上開發(fā)不同的測試功能和不同運行模式的產(chǎn)品，是可行的。本項目的核心是基于PIC32設計開發(fā)電能質(zhì)量檢測分析平臺，采用高性能RISC處理器，高速實時采集檢測點的三相電流和三相電壓模擬信號，對數(shù)據(jù)進行實時分析處理，計算電網(wǎng)的各種電能參數(shù)，分析電網(wǎng)的電能質(zhì)量，對這些信息進行即時顯示，將檢測數(shù)據(jù)進行就地存儲，并能通過通信接口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶笈_計算機系統(tǒng)。

二、需求分析

2.1 功能要求

測試平臺要完成功能的主要要求有：對電壓和電流通道信號進行高速采集，設計各種數(shù)據(jù)電參量計算的算法和統(tǒng)計算法，開發(fā)可靈活組織的人機界面程序，系統(tǒng)具有大吞吐量的數(shù)據(jù)傳輸方式。配備PC機端軟件，數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)口或USB接口與PC機端軟件進行通信，PC機軟件可以進行數(shù)據(jù)的讀取、處理、存儲、顯示等操作。

本設計的檢測系統(tǒng)用于單相或三相交流供電系統(tǒng)，適用于低壓220/380V系統(tǒng)，也可以經(jīng)由電壓互感器檢測高壓系統(tǒng)，電流信號輸入為0-5A，直接測量或經(jīng)由電流互感器接入。電能質(zhì)量檢測裝置主要由信號調(diào)理模塊、PIC32采集處理模塊和 PC機軟件模塊這三大模塊構成。系統(tǒng)的整體架構見圖1。

圖1 系統(tǒng)架構

2.2 性能要求

性能方面要求：三相電壓，三相電流輸入，采樣速率每周波128點，100M以太網(wǎng)或/和全速USB接口等。

2.3 可擴展性

此設計完成后，可以進一步開發(fā)不同的功能，完成諸如諧波測試分析，閃變測試，無功功率補償測試等各項電能質(zhì)量的測試，開發(fā)出具有特點和競爭力的產(chǎn)品，具有較大的實用意義，與工業(yè)實際結合起來，實用性強。

2.4 方案設計

電能質(zhì)量檢測裝置要完成的任務種類繁多。首先要實現(xiàn)對現(xiàn)場的電能參數(shù)進行實時采集，然后要對采集數(shù)據(jù)進行快速處理，最后還要對處理參數(shù)進行統(tǒng)計和存儲，同時要完成與用戶的通訊等多個任務。這就要求我們所設計的系統(tǒng)不僅具有高速的處理能力，還要具備實時任務調(diào)度能力，當然最主要的還要考慮到設備的成本問題。目前已經(jīng)出現(xiàn)過多種電能質(zhì)量檢測裝置的設計方案，如（1）基于采集卡+工控機的設計實現(xiàn)方式，（2）基于單片機的設計實現(xiàn)方式，（3）基于DSP 的設計實現(xiàn)方式。

采用上述方案都存在一些問題，基于采集卡+工控機的設計實現(xiàn)方式，設備成本偏高、體積大、靈活性不夠，不適宜大量定點安放在各檢測現(xiàn)場；基于單片機的設計實現(xiàn)方式，數(shù)據(jù)處理能力不夠強大，內(nèi)存資源不夠豐富，實現(xiàn)大量的數(shù)據(jù)計算和交換比較困難；基于DSP 的設計實現(xiàn)方式，成本高，一般適用于數(shù)據(jù)處理運算量比較大，實時性要求高而對控制和通信能力要求相對較低的檢測系統(tǒng)。另外還有一些組合方案，如基于單片機+DSP的設計實現(xiàn)方式，基于MCU+CPLD的設計實現(xiàn)方式，但系統(tǒng)復雜，開發(fā)困難，成本較高。

本項目采用基于帶5級流水線的32位MIPS內(nèi)核的高性能RISC處理器 PIC32進行開發(fā)，速度高，最高80 MHz的頻率，帶有單周期乘法單元和高性能除法單元，很好的整合了單片機和DSP的功能，構成一功能強大的32位DSC(數(shù)字處理控制器)，特別適合于控制、處理雙密集型的場合，且該類處理器資源豐富、片內(nèi)外設功能強大，足夠滿足常用控制場合。采用該設計方案，在滿足處理大運算量實時任務要求的同時，系統(tǒng)的設計成本也相對較低。

PIC32系列單片機是Microchip Technology Inc．(美國微芯科技公司)推出的高性能32位單片機，它是以MIPS32架構為基礎設計的。目前推出的PIC32MX3XX分支為通用型，PIC32MX4XX分支帶有USB功能，PIC32MX5XX分支帶有USB和CAN功能，PIC32MX6XX分支帶有USB和Ethernet功能，PICMX7XX分支則帶有USB、CAN和Ethernet功能。PIC32系列單片機采用哈佛結構，帶有5級流水線，工作頻率最高80 MHz；具有高效指令架構、高性能硬件乘法器/累加器及多至8組32個內(nèi)核寄存器，可實現(xiàn)1.56 DMIPS/MHz的運行速度。此外，PIC32系統(tǒng)具有指令和ROM數(shù)據(jù)預取緩沖器的64字節(jié)高速緩存，128位寬的閃存，可縮短單個指令的取指時間，支持MIPSl6e 16位指令集構架，可最多減少40％的代碼。

PIC32系列單片機包括了閃存范圍從32KB到512KB的可擴展器件，片上RAM從8KB到128KB，引腳與64/100引腳的16位單片機PIC24FJ-XXXGA系列兼容，新推出的PIC32MX5XX/6XX/7XX提供XBGA的封裝。另外，PIC32系列單片機帶有豐富的外設資源——5個定時器、16路通道的10位A/D轉換器及通信接口，即SPI、I2C、UART和PMP，同時PIC32還有集成的CRC計算功能和基于模式的傳輸終端選擇功能的DMA控制器。此外，PIC32MX5/6/7系列包括10/100 Mbps以太網(wǎng)、CAN2.0b控制器、USB主設備/從設備和OTG功能。

PIC32系列單片機不僅比PIC 8位、16位單片機速度更快、性能更強，同時相對于ARM系列的32位單片機也具有一定的優(yōu)勢。雖然Microc-hip能選擇的MISP 4K最高時鐘頻率只有80 MHz，但是由于MIPS內(nèi)核簡潔，多家處理器評估機構確認PIC32的處理能力總體性能更高，而且PI-C32的指令多為單周期指令，比多周期指令執(zhí)行速度更迅捷。PIC32系列單片機多達128 KB的RAM，使其在數(shù)據(jù)處理上更具優(yōu)。Microchip微公司還有一個非常獨特的優(yōu)勢，就是該公司所有8、16和32位的器件都是充分兼容的，所有的這些全系列的產(chǎn)品使用的都是同樣的開發(fā)工具，單一的開發(fā)環(huán)境，軟件庫也是全面兼容的，這對于客戶更為方便。此外，Ashling、Green Hills及Hi-Tech提供了完整工具鏈支持，CM-X、Exp-ress Logic等提供RTOS支持，EasyGUI、Segger、RamTeX及Micrium等提供繪圖工具支持。值得一提的是，微芯公司為開發(fā)人員準備了入門工具包，示例源文件，同時免費提供了如USB、TCP/IP協(xié)議棧，以及Graphics和FATl6文件系統(tǒng)開發(fā)的中間件模塊。PIC32的MPLAB C32編譯器包括了16位Microchip MCU兼容的軟件外設函數(shù)庫，以更加方便快捷地使用外沒模塊。Microchip集成開發(fā)工具支持所有PIC32型號單片機，包括MPLAB集成開發(fā)環(huán)境(IDE)、MPLAB C32 C編譯器、MPLAB REAL ICE仿真系統(tǒng)、MPLAB ICD2在線調(diào)試器及Explore 16開發(fā)板等。