任子暉，劉聽政，李 沖

(中國礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，江蘇徐州 221008)

0 引言

由于煤礦電網(wǎng)系統(tǒng)大量使用了電力電子元件，而電力電子元件對于電網(wǎng)的污染相當(dāng)嚴(yán)重，所以，對于煤礦系統(tǒng)電網(wǎng)諧波的研究非常有意義[1]。諧波會使電子器件產(chǎn)生許多問題，因此，如何減小其危害是電力系統(tǒng)所面臨的重大技術(shù)問題，而其中關(guān)鍵就是諧波的檢測與分析。目前國內(nèi)外電能質(zhì)量檢測儀多采用單片機(jī)或DSP作為運算處理數(shù)據(jù)的核心。傳統(tǒng)的單片機(jī)存在速度慢、硬件結(jié)構(gòu)不完善等問題；而DSP在處理暫態(tài)數(shù)據(jù)和控制外圍低速電路有很大缺陷，限制其處理速度。其他一些檢測設(shè)備也存在成本較高、功耗大等問題，不利于大規(guī)模的推廣。煤礦電網(wǎng)支路較多，需要逐條檢測，且諧波檢測所需時間較長，使用單一設(shè)備測量費時費力。

文中提出了一種基于ARM9S3C2440A處理器為核心、以μC/OS-Ⅱ系統(tǒng)為操作系統(tǒng)、使用GPRS進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆植际街悄軝z測儀器設(shè)計方案。ARM具有較低的功耗、適合移植嵌入式操作系統(tǒng)的架構(gòu)、較快的處理速度和較低的成本等特點，并且可以根據(jù)實際需求定制軟硬件，做到系統(tǒng)最優(yōu)化；友好的人機(jī)接口和可觸控界面使儀器的操作非常方便，片上系統(tǒng)可定制多重功能。針對煤礦供電系統(tǒng)中多條負(fù)載支路的情況，采用了基于GPRS無線傳輸?shù)姆植际綌?shù)據(jù)測量和采集方案，可以做到多點采集、集中處理，方便檢測人員快速檢測，節(jié)省測量時間，也可以實時監(jiān)測電網(wǎng)諧波的情況。

1 總體架構(gòu)

諧波檢測系統(tǒng)主要包括分布式采集硬件模塊和軟件處理模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。采用高精度的信號采集電路對煤礦電網(wǎng)諧波進(jìn)行采集，并通過GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸模塊MC35i模塊將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至主處理器，然后運用FFT和小波變換相結(jié)合的方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，系統(tǒng)控制通過觸摸屏操作，并顯示處理結(jié)果。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)圖

2 硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件部分主要包括：電壓/電流互感、抗混疊濾波、A/D采樣、PLL倍頻、GPRS無線傳輸MC35i模塊、顯示模塊等部分組成，硬件系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。首先電壓/電流互感模塊采集電壓和電流信息，使其經(jīng)過限壓運放調(diào)整，再經(jīng)過抗混疊低通濾波器濾波，然后進(jìn)入A/D采樣。由于電壓與電流的基波頻率對于諧波數(shù)據(jù)的測量與分析至關(guān)重要，對數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和精度都有著直接的影響，所以系統(tǒng)采用PLL鎖相環(huán)技術(shù)實現(xiàn)采樣頻率對于工頻頻率的自動跟蹤。采集數(shù)據(jù)后保存至SD卡中，通過GPRS無線傳輸模塊MC35i發(fā)送至主處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理與分析。

圖2 硬件系統(tǒng)架構(gòu)

2．1抗混疊濾波與信號取樣電路

通過對所參與的諧波治理項目的研究，總結(jié)出煤礦電網(wǎng)供電系統(tǒng)中的電壓電流互感器PT和CT副邊一般分別為100 V和5 A左右，設(shè)計采用的的電路原理圖如圖3所示。

圖3 電流取樣電路原理圖

根據(jù)實際測量經(jīng)驗，諧波電流是檢測煤礦電網(wǎng)諧波情況的主要依據(jù)。故以電流信號為例，被測信號經(jīng)過電流互感器得到CT副邊5 A的電流信號，然后經(jīng)過取樣轉(zhuǎn)換為0.5 V的電壓信號，經(jīng)過二極管的雙向限壓保護(hù)，由OP07放大器放大調(diào)整到2.5 V的信號后送至抗混疊低通濾波器。

根據(jù)電力系統(tǒng)諧波檢測的需要，考慮到大部分檢測諧波為50次諧波，由此可得抗混疊濾波器的截止頻率應(yīng)選為2.5 kHz，并且應(yīng)在頻帶范圍內(nèi)特性應(yīng)盡量平坦，且當(dāng)信號頻率高于截止頻率時應(yīng)盡快地衰減，故選用巴特沃斯(Butterworth)四階有源低通濾波器[2]。采用MAX275芯片，將其內(nèi)兩個二階有源低通濾波器串聯(lián)即可組成四階有源低通濾波器。

2．2A/D采樣與PLL倍頻

A/D采樣采用高精度雙四通道高速14位A/D轉(zhuǎn)換芯片MAX126，其具有分辨率高、速度快、工作模式多等特點。在采樣過程中，采樣頻率必須跟隨工頻信號頻率變化，以防止在FFT運算時產(chǎn)生頻譜泄漏現(xiàn)象，影響測量精度。在設(shè)計中采用鎖相環(huán)倍頻技術(shù)實現(xiàn)對于工頻信號頻率的自動跟蹤。電路原理圖如圖4。

圖4 PLL倍頻跟蹤電路

2．3GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸

設(shè)計主要采用MC35i雙頻GSM/GPRS無線通信模塊，具有傳輸數(shù)據(jù)、語音、SMS和FAX等能力[3]?？蔀橛脩籼峁┯肋h(yuǎn)在線、高速度、更簡單的移動數(shù)據(jù)通信接入手段等服務(wù)。MS35i具有體積小、重量輕、低功耗等特點，并提供省電模式、IDLE、TALK、數(shù)據(jù)等工作模式，適用于電能質(zhì)量檢測應(yīng)用。采用虛擬IP技術(shù)可以對來自不同負(fù)載支路的檢測消息進(jìn)行識別[4]。

基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)編程主要有TCP和UDP兩種實現(xiàn)方式，由于通信鏈路中終端的IP地址是由網(wǎng)關(guān)節(jié)點(GGSN)動態(tài)分配的，在每次傳輸完數(shù)據(jù)后，終端的IP地址和端口都可能發(fā)生變化，故采用TCP方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的網(wǎng)絡(luò)編程。GPRS服務(wù)端如圖5所示。

圖5 GPRS服務(wù)端

2．4分布式測量方案

煤礦電網(wǎng)中，負(fù)載支路較多，諧波檢測往往需要將所有支路全部檢測，以便研究諧波的分布和大小。且在煤礦中，各負(fù)載支路的使用比較集中，時間基本同步，在使用單一設(shè)備檢測時，需測量多個工作日，對于諧波的檢測帶來了極大的不便，故采用分布式測量方案可以有效避免此種狀況，做到諧波數(shù)據(jù)的快速、統(tǒng)一采集與處理。

嵌入式系統(tǒng)較低的價格可以滿足多個檢測點同時使用此設(shè)備收集諧波數(shù)據(jù)，且各測量終端互相獨立，采用基于虛擬IP的GPRS無線通信網(wǎng)絡(luò)，主站不受固定IP限制，即各測量終端均可作為主處理器使用。嵌入式系統(tǒng)軟硬件可定制的特點能夠滿足此種應(yīng)用，使分布式測量系統(tǒng)做到扁平化，可任意調(diào)節(jié)測量方案。各測量終端有獨立的IP地址，可以較容易地識別其測量的線路。分布式系統(tǒng)程序流程圖如圖6。

圖6 分布式系統(tǒng)程序流程圖

在諧波測量中，為了便于比較，常需要同步測量多條支路。在系統(tǒng)中，首先通過上位機(jī)發(fā)布命令，使多條支路的測量幾乎同步開始，并設(shè)定測量時間。測量終端在接收命令后開始進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，并將數(shù)據(jù)存儲在測量系統(tǒng)自有的存儲芯片中，在測量結(jié)束后，各終端將數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)嵌入式系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)存儲在系統(tǒng)自帶存儲器內(nèi)，由主處理器集中處理測量數(shù)據(jù)。在實現(xiàn)諧波監(jiān)測時，分布式系統(tǒng)采用廣播接收方式實現(xiàn)時鐘的同步，即維護(hù)本地網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的相對時鐘關(guān)系，使所有測量終端達(dá)到同一時間尺度，經(jīng)典的RBS協(xié)議即屬于此類。諧波分析采用快速提升小波變換算法[5]，可以在無內(nèi)存消耗的情況下加速小波變換，對突變信號進(jìn)行有效跟蹤，實現(xiàn)諧波的實時監(jiān)測。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3．1系統(tǒng)軟件架構(gòu)

設(shè)計的煤礦電網(wǎng)諧波檢測系統(tǒng)軟件部分主要包括數(shù)據(jù)采樣處理、人機(jī)操作和無線通信。數(shù)據(jù)處理所使用的算法為快速傅里葉變換和小波變換。系統(tǒng)具有友好的人機(jī)界面，在嵌入式系統(tǒng)中設(shè)計了一個完整的諧波分析系統(tǒng)。系統(tǒng)開發(fā)主要采用C語言和ADS開發(fā)工具。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖7。

圖7 軟件系統(tǒng)架構(gòu)圖

3．2操作系統(tǒng)的移植

操作系統(tǒng)采用具有高性能、源代碼公開等特點的μC/OS-Ⅱ系統(tǒng)，μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)具有非常廣泛的使用，在使用前需要對其進(jìn)行移植[6]。

移植工作包括以下內(nèi)容：

(1)OS_CPU．H中需設(shè)置一個常量來標(biāo)識堆棧生長方向；聲明用于開關(guān)中斷和任務(wù)切換的宏；針對具體處理器的字長重新定義一系列數(shù)據(jù)類型等。

(2)OS_CPU_C．C需要用C語言編寫：OSTaskStInit()、OSTaskCreateHook()、OSTaskDelHook()、OSTaskSwHook()、OSTaskStartHook()和OSTimeTickHook()等6個函數(shù)。

(3)OS_CPU_A．ASM中要改寫4個匯編語言的函數(shù)等。

3．3FFT與小波變換

諧波數(shù)據(jù)處理常用的算法是快速傅里葉變換(FFT)，該算法在分析周期性信號中具有處理速度快、精確度高的特點，但在測量過程中對于非整數(shù)次諧波的檢測存在頻譜泄漏和柵欄效應(yīng)的問題，且在實際電網(wǎng)中，電壓驟降、驟升、電壓中斷等暫態(tài)信號使其測量誤差較大。小波變換是一種新的信號處理方法，具有時頻局部化的特點，且對突變信號的檢測具有突出的特性，具有較強(qiáng)的暫態(tài)信號處理能力，故其非常適用于電能質(zhì)量的檢測與分析。在設(shè)計中，采用小波變換與FFT相結(jié)合的方法對采集的諧波進(jìn)行分析。在進(jìn)行信號分析時，首先進(jìn)行小波變換，將非穩(wěn)態(tài)諧波和突變以及間斷點等奇異信號進(jìn)行模極大值的分析，然后將這部分信號分量除去，進(jìn)行FFT運算，取出穩(wěn)態(tài)諧波分量，即可得到分析結(jié)果。

4 測量結(jié)果與分析

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，以徐礦集團(tuán)旗山礦電網(wǎng)6 kV總進(jìn)線諧波測量結(jié)果為原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，信號S1中7次、9次、11次諧波含量較高，并人為地在時域接近500處增加了一個奇異點，成為了一個非標(biāo)準(zhǔn)正弦信號的暫穩(wěn)態(tài)信號波形，信號a3為信號S1經(jīng)過db4小波變換后的第三層近似信號，可以看出采用小波變換已經(jīng)將S1中的奇異信號分離，信號a5為信號S1經(jīng)過db4小波變換五層分解后的近似信號，結(jié)果表明經(jīng)過多層小波變換后的近似信號已經(jīng)基本接近標(biāo)準(zhǔn)正弦信號，證明小波變換可以有效地去除高頻信號奇異點，便于使用FFT分析諧波成分，如圖8所示。

(a)S1

(b)a3

(c)a5

在經(jīng)過小波變換后，將此信號進(jìn)行FFT頻譜分析，得出此信號諧波的含有率，在此只列出2～11次諧波分析結(jié)果。結(jié)果如表1所示。

表1 小波變換后FFT諧波數(shù)據(jù)分析表

諧波分析結(jié)果表明，小波變化與FFT相結(jié)合的方法可以提高諧波分析的精確度，且系統(tǒng)測量精度較高、分析結(jié)果準(zhǔn)確，完全滿足實用需求。

5 結(jié)束語

設(shè)計了一種基于ARM芯片的分布式煤礦電網(wǎng)諧波檢測系統(tǒng)，對于硬件電路和軟件系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計。系統(tǒng)具有操作方便、功耗低、處理速度快、測量精度高等特點。采用GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，可以實現(xiàn)諧波的遠(yuǎn)程測量，極大方便了電能質(zhì)量的監(jiān)測，減少了測量時間，提高測量的效率。操作系統(tǒng)使用μC/OS-Ⅱ系統(tǒng)，結(jié)合FFT和小波變換算法，在系統(tǒng)實時性和可靠性方便有了進(jìn)一步的提高?？捎|控操作方便簡化了測量人員的操作，提高了系統(tǒng)的可用性。測量分析結(jié)果表明整個系統(tǒng)功能強(qiáng)大，使用方便，有極大的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]任子暉．煤礦電網(wǎng)諧波分析與治理．徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2003．

[2]樊京，王金菊，張磊．基于MAX275的巴特沃茲濾波器設(shè)計．現(xiàn)代電子技術(shù)，2006，29(8)：13-14．

[3]宋柏，馬善強(qiáng)．基于ARM的GPRS遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸與接收模塊的設(shè)計．工業(yè)儀表與自動化裝置，2011(6)：76-77．

[4]張長志，趙飛，夏晶晶．基于虛擬IP的GPRS遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的應(yīng)用．通信技術(shù)，2011，44(12)：136-138．

[5]劉慧，劉國海，沈躍．基于快速提升小波變換的諧波實時檢測新方法．江蘇大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2009，30(3)：288-292．

[6]LABROSSE JJ．μC/OS-Ⅱ—源碼公開的實時嵌入式操作系統(tǒng)．邵貝貝譯．北京：中國電力出版社，2001：323．

作者簡介：任子暉(1962-)，教授，博士研究生導(dǎo)師，主要從事電網(wǎng)諧波治理、通風(fēng)機(jī)檢測研究工作。E-mail：ren_zicumt@126．com

劉聽政(1991-)，碩士研究生，現(xiàn)從事電網(wǎng)諧波治理、嵌入式系統(tǒng)研究工作。E-mail：ltzcumt@163．com