基于arm和dsp的多回路電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種基于ARM和DSP的多回路電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置，包括：一個或多個測量模塊，用于采樣電網(wǎng)信號，并進(jìn)行電能質(zhì)量相關(guān)的數(shù)據(jù)計算處理；一個ARM模塊，與測量模塊連接，為該在線檢測裝置的控制核心，控制測量模塊與ARM模塊間的數(shù)據(jù)交互，并提供對外的通信接口；一個電源模塊，用于對測量模塊和ARM模塊供。所述測量模塊包括三對電壓互感器和電流互感器，用于同時監(jiān)測三相電壓和三相電流。電壓互感器和電流互感器的輸出端接AD轉(zhuǎn)換模塊，AD轉(zhuǎn)換模塊與DSP模塊連接。電壓互感器的輸出端還通過一個鎖相環(huán)連接DSP模塊。DSP模塊與ARM模塊連接。本發(fā)明可同時對多個監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行連續(xù)的監(jiān)測和分析，且實現(xiàn)了遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸功能。
【專利說明】基于ARM和DSP的多回路電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及多回路的電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置，尤其是一種基于ARM和DSP的多回 路電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置。

【背景技術(shù)】
[0002] 國家電網(wǎng)公司《建設(shè)堅強(qiáng)智能電網(wǎng)》研究報告的一大亮點(diǎn)是：突出智能電網(wǎng)必須以 "信息技術(shù)"為先導(dǎo)，而"信息技術(shù)"的重要體現(xiàn)就是"電力運(yùn)營的持續(xù)監(jiān)視"，這就把對電力 系統(tǒng)的實時、高精度、全方位監(jiān)測提到了一個從未有的高度。
[0003] 隨著國民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，電力系統(tǒng)中的沖擊性、波動性負(fù)荷日益增多，如電弧 爐、大型軋鋼機(jī)、電力機(jī)車等，它們在運(yùn)行中不僅產(chǎn)生大量的高次諧波，而且導(dǎo)致電壓波動、 閃變、三相不平衡、暫升、暫降、甚至中斷。
[0004] 此外，隨著電力電子技術(shù)廣泛應(yīng)用，電力系統(tǒng)中非線性負(fù)載日益增多，如靜止變流 器，工業(yè)交直流變換裝置等。非線性負(fù)載會引起電網(wǎng)電流、電壓波形發(fā)生畸變，造成電網(wǎng)的 諧波污染嚴(yán)重。
[0005] 這些對電網(wǎng)的不利影響不僅會導(dǎo)致供用電設(shè)備本身的安全性降低，而且會嚴(yán)重干 擾電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。
[0006] 電能質(zhì)量監(jiān)測的主要任務(wù)就是監(jiān)測電力系統(tǒng)各監(jiān)測點(diǎn)上的電壓波動、閃變、三相 不平衡、暫升、暫降、中斷，以及諧波、間諧波。
[0007] 電能質(zhì)量監(jiān)測主要為電能質(zhì)量控制服務(wù)，現(xiàn)代電力電子技術(shù)為電能質(zhì)量的控制、 甚至"定制"提供了可能。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于ARM和DSP的多回路電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置，適 用于安裝于變電站中同時監(jiān)測1?6個監(jiān)測點(diǎn)（或回路）的電能質(zhì)量，并可同時對多個監(jiān)測 點(diǎn)進(jìn)行連續(xù)的監(jiān)測和分析，且具備遠(yuǎn)程以太網(wǎng)通信功能，實現(xiàn)了遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。本發(fā)明采 用的技術(shù)方案是： 一種基于ARM和DSP的多回路電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置，包括：一個或多個測量模塊，用 于采樣電網(wǎng)信號，并進(jìn)行電能質(zhì)量相關(guān)的數(shù)據(jù)計算處理；一個ARM模塊，與測量模塊連接， 為該在線檢測裝置的控制核心，控制測量模塊與ARM模塊間的數(shù)據(jù)交互，并提供對外的通 信接口； 一個電源模塊，用于對測量模塊和arm模塊供電。
[0009] 進(jìn)一步地，所述測量模塊包括一對或多對電壓互感器和電流互感器；電壓互感器 和電流互感器的輸出端接AD轉(zhuǎn)換模塊，AD轉(zhuǎn)換模塊與DSP模塊連接。電壓互感器的輸出 端還通過一個鎖相環(huán)連接DSP模塊，鎖相環(huán)用于跟蹤電網(wǎng)頻率，使得AD轉(zhuǎn)換模塊的采樣速 率適應(yīng)電網(wǎng)頻率。DSP模塊與ARM模塊連接。
[0010] 更進(jìn)一步地，測量模塊具體包括三對電壓互感器和電流互感器，用于同時監(jiān)測三 相電壓和三相電流。
[0011] 進(jìn)一步地，AD轉(zhuǎn)換模塊主要由AD轉(zhuǎn)換芯片AD73360L構(gòu)成。
[0012] 更進(jìn)一步地，AD轉(zhuǎn)換模塊的前端設(shè)有一階RC低通濾波器，RC低通濾波器的輸入端 接電壓互感器或電流互感器的輸出端。
[0013] 進(jìn)一步地，DSP模塊主要由DSP處理器TMS320F2812構(gòu)成。
[0014] 更進(jìn)一步地，AD轉(zhuǎn)換芯片AD73360L與DSP處理器TMS320F2812的接口具體為： AD73360L 的 SCLK 端接 TMS320F2812 的 MCLKXA 端和 MCLKRA 端；AD73360L 的 SDIFS 端和 SD0FS 端接 TMS320F2812 的 MFSXA 端和 MFSRA 端；AD73360L 的 SDI 端接 TMS320F2812 的 MDXA 端；AD73360L 的 SD0 端接 TMS320F2812 的 MDRA 端；AD73360L 的 RESET 端和 SE 端接 TMS320F2812 的 GPI014 端。
[0015] 進(jìn)一步地，ARM模塊包括一個ARM9微控器AT91SAM9261S和一個以太網(wǎng)控制器； ARM9微控器AT91SAM9261S與各測量模塊的DSP處理器TMS320F2812之間采用SPI接口通 訊；以太網(wǎng)控制器提供以太網(wǎng)接口。
[0016] 更進(jìn)一步地，ARM9微控器AT91SAM9261S使用串行時鐘線SPICLK、主機(jī)輸入/從 機(jī)輸出數(shù)據(jù)線SPIMIS0、主機(jī)輸出/從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線SPM0SI、低電平有效的從機(jī)選擇線 SPISTE連接各測量模塊，在任一時刻AT91SAM9261S只允許使能一個測量模塊。
[0017] 更進(jìn)一步地，ARM9微控器AT91SAM9261S的SPI時鐘模式配置成無相位延遲的上 升沿模式，測量模塊的SPI時鐘模式配置成無相位延遲的下降沿模式。
[0018] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于： 1) 一臺在線監(jiān)測裝置可同時監(jiān)測1?6個監(jiān)測點(diǎn)的電能質(zhì)量，它顯著降低了監(jiān)測裝置 成本、大大節(jié)省了變電站的設(shè)備空間、外部接線也更為簡潔。
[0019] 2)采用嵌入式設(shè)計--嵌入式微處理器、嵌入式操作系統(tǒng)。
[0020] 3)具備以太網(wǎng)接口，能提供便捷的組網(wǎng)能力。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021] 圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)組成示意圖。
[0022] 圖2為本發(fā)明的測量模塊結(jié)構(gòu)圖。
[0023] 圖3為本發(fā)明的Σ - Λ型ADC的前置RC濾波電路圖。
[0024] 圖4為本發(fā)明的AD73360L與TMS320F2812接口原理圖。
[0025] 圖5為本發(fā)明的測量模塊的總軟件框圖。
[0026] 圖6為本發(fā)明的采樣中斷子程序框圖。
[0027] 圖7為本發(fā)明的SPI接口連接圖。
[0028] 圖8為本發(fā)明的SPI時鐘模式圖。

【具體實施方式】
[0029] 下面結(jié)合具體附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0030] 本發(fā)明提出的一種基于ARM和DSP的多回路電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置，其實現(xiàn)方案 如圖1所示。該在線監(jiān)測裝置也可以稱為監(jiān)測終端。
[0031] 監(jiān)測終端安裝在監(jiān)測現(xiàn)場，可同時監(jiān)測變電站6個監(jiān)測點(diǎn)（或出線回路）的電能質(zhì) 量。每個監(jiān)測點(diǎn)都可同時監(jiān)測3相電壓和3相電流，且3相電流和3相電壓一一對應(yīng)、同時 刻采樣一這是精確測量功率所必須的。
[0032] 監(jiān)測終端主要由6個獨(dú)立的測量模塊、1個ARM模塊組成；還包括一個電源模塊， 用于對測量模塊和ARM模塊供電。
[0033] 測量模塊用于采樣電網(wǎng)信號，并進(jìn)行電能質(zhì)量相關(guān)的數(shù)據(jù)計算處理。每個測量模 塊對應(yīng)1個測量點(diǎn)，每個測量模塊獨(dú)立測量1個測量點(diǎn)的三相U (電壓)、1 (電流)、P (有功 功率)、Q (無功功率)、PF (功率因素)、諧波、閃變。每臺監(jiān)測終端最多可配6個測量模塊。
[0034] ARM模塊與測量模塊連接，為該在線檢測裝置的控制核心，控制測量模塊與ARM模 塊間的數(shù)據(jù)交互，并提供對外的通信接口。ARM模塊主要由1片ARM9微控器AT91SAM9261S、 1個7吋800X480分辨率的彩色I(xiàn)XD觸摸屏、1個實時時鐘、1個以太網(wǎng)控制器、Flash存儲 器等部件構(gòu)成。監(jiān)測終端對外提供1個以太網(wǎng)接口、1個RS485接口、1個RS232接口，它們 可同時使用。
[0035] 每個測量模塊都包括1片32位DSP (主頻150MHz)、1片16位Σ - Λ型ADC、3對 高精度微型PT (電壓互感器)、CT (電流互感器）等部件--參見圖2。每個測量模塊的硬 件、軟件是相同的。
[0036] AD (模數(shù)）轉(zhuǎn)換模塊采用AD轉(zhuǎn)換芯片AD73360L構(gòu)成，DSP處理器TMS320F2812及 其外圍元件構(gòu)成DSP模塊。具體連接關(guān)系為：電壓互感器PT和電流互感器CT的輸出端接 AD轉(zhuǎn)換模塊，AD轉(zhuǎn)換模塊與DSP模塊連接；PT的輸出端還通過一個鎖相環(huán)連接DSP模塊， 鎖相環(huán)用于跟蹤電網(wǎng)頻率，使得AD轉(zhuǎn)換模塊的采樣速率適應(yīng)電網(wǎng)頻率；DSP模塊與ARM模 塊連接。
[0037] 本發(fā)明測量模塊的ADC選擇美國ADI公司的16位Σ - Λ型ADC--AD73360L，它 是目前用于電力信號采集的最先進(jìn)的ADC芯片。AD73360L的主要特點(diǎn)： (1)采用同步串行端口傳輸，且ADC的前端采樣頻率和后端傳輸速率均可編程控制(最 高采樣可支持64kHz)，使其不論與快速DSP或慢速M(fèi)CU連接都非常方便；尤其它的串行口 (SPORT)與TMS320F28系列的McBSP模塊完全兼容，通信簡便。
[0038] (2)6個采樣通道間相互隔離，且每一路均含有完整信號調(diào)理電路和片上輸入增益 放大器，可編程控制選擇，容許低電平幅度模擬信號的輸入；每個通道均采取同步采樣，以 確保通道之間不存在時間延遲。在電力系統(tǒng)測量可進(jìn)行三相電壓與三相電流的采樣，不必 考慮相位延遲，使得測量更加精確。
[0039] (3)由于運(yùn)用原理，AD73360L具有很好的內(nèi)置抗混疊性能。因此ADC的前端信號 調(diào)理電路可以非常簡單，通常只需要一個一階RC低通濾波器即可，參見圖3, RC低通濾波器 的輸入端接電壓互感器或電流互感器的輸出端。
[0040] (4)工作模式可以在數(shù)據(jù)模式、程序模式和程序/數(shù)據(jù)混合模式中選擇，適合于各 種測量場合。。
[0041] AD73360L采樣電網(wǎng)信號后，送入DSP進(jìn)行處理。AD73360L與DSP接口電路如圖4所 示。AD轉(zhuǎn)換芯片AD73360L與DSP處理器TMS320F2812的接口具體為：AD73360L的SCLK端 接 TMS320F2812 的 MCLKXA 端和 MCLKRA 端；AD73360L 的 SDIFS 端和 SD0FS 端接 TMS320F2812 的 MFSXA 端和 MFSRA 端；AD73360L 的 SDI 端接 TMS320F2812 的 MDXA 端；AD73360L 的 SD0 端 接 TMS320F2812 的 MDRA 端；AD73360L 的 RESET 端和 SE 端接 TMS320F2812 的 GPI014 端。
[0042] 由于AD73360L的通信方式和TMS320F2812的McBSP接口兼容，因此直接使用兩者 進(jìn)行通信。設(shè)置通信所需的幀同步信號由AD73360L提供；上電后AD73360L處于程序狀態(tài)， 由DSP將控制字單個發(fā)送，并檢測返回的特征字以判斷是否正確接收。設(shè)置完成確認(rèn)無誤 后將AD73360L修改為數(shù)據(jù)狀態(tài)，設(shè)置McBSP為FIFO中斷接收。考慮到三相電壓電流總共6 路，接收FIFO緩沖中斷設(shè)置為用6級，即每接收滿6個數(shù)據(jù)則發(fā)生一次接收中斷。McBSP擁 有16級FIFO緩沖，較短時間的延誤并不會造成數(shù)據(jù)丟失，因此增加了軟件設(shè)計的靈活性。
[0043] 測量模塊的總軟件功能框圖如圖5所示。每次上電之后，首先初始化通信、顯示等 環(huán)節(jié)。系統(tǒng)的每次主循環(huán)均完成一次11、？、〇、1^11(電量值)、1〇^1'11(無功電量）、？?、不 平衡度、諧波、閃變等變量的計算、存儲。
[0044] 測量模塊的DSP軟件方案將McBSP的FIFO接收中斷命名為采樣中斷，軟件框圖如 圖6所示。
[0045] 為保證ARM模塊同測量模塊間高速可靠地進(jìn)行信息交換，本發(fā)明設(shè)計的多回路電 能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置的AT91SAM9261S與各個測量模塊的DSP處理器TMS320F2812之間采 用SPI接口通訊。
[0046] SPI是一種高速的，全雙工，同步的通信總線。SPI接口以主從方式工作，這種方式 通常有一個主設(shè)備和一個或者多個從設(shè)備。一般使用4條線：串行時鐘線SPICLK、主機(jī)輸 入/從機(jī)輸出數(shù)據(jù)線SPIMIS0、主機(jī)輸出/從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線SPM0SI、低電平有效的從機(jī)選 擇線SPISTE。其中SPISTE控制從機(jī)SPI是否被選中，只有片選信號使能時，對從機(jī)的操作 才有效。這就允許同一總線上連接多個SPI設(shè)備成為可能。在有多個從設(shè)備時，每個從設(shè) 備都需要獨(dú)立的使能信號。在本終端中的SPI通訊中，AT91SAM9261S作為SPI主設(shè)備，各 測量模塊作為SPI從設(shè)備--參見圖7。AT91SAM9261S分別通過6根獨(dú)立的選通線使能6 個測量模塊，在任一時刻AT91SAM9261S只允許使能一個測量模塊。
[0047] 在SPI傳輸數(shù)據(jù)過程中，由SPICLK提供時鐘脈沖，SPMISO, SPM0SI則基于此脈 沖完成數(shù)據(jù)傳輸。SPI有四種不同的時鐘模式--參見圖8。時鐘極性決定時鐘有效沿為 上升沿還是下降沿，時鐘相位決定時鐘是否有1/2周期延遲。無相位延時的下降沿：SPICLK 為高有效，在SPICLK下降沿發(fā)送數(shù)據(jù)，在SPICLK上升沿接收數(shù)據(jù)。有相位延時的下降沿： SPICLK為高有效，在SPICLK下降沿之前的半個周期發(fā)送數(shù)據(jù)，在SPICLK信號下降沿接收數(shù) 據(jù)。無相位延時的上升沿：SPICLK為低有效，在SPICLK信號的上升沿發(fā)送數(shù)據(jù)，在SPICLK 信號的下降沿接收數(shù)據(jù)。有相位延時的上升沿：SPICLK為低有效，在SPICLK信號的下降沿 之前的半個周期發(fā)送數(shù)據(jù)，而在SPICLK信號的上升沿接收數(shù)據(jù)。
[0048] SPICLK信號線只能由AT91SAM9261S控制，測量模塊不能控制SPICLK信號線。整 個傳輸過程的時序完全由AT91SAM9261S控制，當(dāng)沒有時鐘跳變時，測量模塊的SPI無法傳 送數(shù)據(jù)。又因 AT91SAM9261S的數(shù)據(jù)輸出線與測量模塊的數(shù)據(jù)輸入線連接，AT91SAM9261S的 數(shù)據(jù)輸入線與測量模塊的數(shù)據(jù)輸出線連接，也即AT91SAM9261S輸出數(shù)據(jù)時測量模塊輸入 數(shù)據(jù)，AT91SAM9261S輸入數(shù)據(jù)時測量模塊輸出數(shù)據(jù)。為使AT91SAM9261S與測量模塊以一 致有效邊沿通信，兩者之間的極性應(yīng)配置成相反的極性。所以，AT91SAM9261S的SPI時鐘 模式配置成無相位延遲的上升沿，測量模塊的SPI時鐘模式配置成無相位延遲的下降沿模 式。
[0049] 概括起來，本發(fā)明提出的基于ARM和DSP的多回路電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置有如下 優(yōu)點(diǎn)： 1) 一臺在線監(jiān)測裝置可同時監(jiān)測1?6個監(jiān)測點(diǎn)的電能質(zhì)量，它顯著降低了監(jiān)測裝置 成本、大大節(jié)省了變電站的設(shè)備空間、外部接線也更為簡潔。
[0050] 2)采用嵌入式設(shè)計--嵌入式微處理器、嵌入式操作系統(tǒng)。
[〇〇51] 3)具備以太網(wǎng)接口，能提供便捷的組網(wǎng)能力。
【權(quán)利要求】
1. 一種基于ARM和DSP的多回路電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置，其特征在于，包括： 一個或多個測量模塊，用于采樣電網(wǎng)信號，并進(jìn)行電能質(zhì)量相關(guān)的數(shù)據(jù)計算處理； 一個ARM模塊，與測量模塊連接，為該在線檢測裝置的控制核心，控制測量模塊與ARM 模塊間的數(shù)據(jù)交互，并提供對外的通信接口； 一個電源模塊，用于對測量模塊和ARM模塊供電。
2. 如權(quán)利要求1所述的基于ARM和DSP的多回路電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置，其特征在于： 所述測量模塊包括一對或多對電壓互感器和電流互感器；電壓互感器和電流互感器的 輸出端接AD轉(zhuǎn)換模塊，AD轉(zhuǎn)換模塊與DSP模塊連接； 電壓互感器的輸出端還通過一個鎖相環(huán)連接DSP模塊，鎖相環(huán)用于跟蹤電網(wǎng)頻率，使 得AD轉(zhuǎn)換模塊的采樣速率適應(yīng)電網(wǎng)頻率； DSP模塊與ARM模塊連接。
3. 如權(quán)利要求2所述的基于ARM和DSP的多回路電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置，其特征在于： 測量模塊具體包括三對電壓互感器和電流互感器，用于同時監(jiān)測三相電壓和三相電 流。
4. 如權(quán)利要求2或3所述的基于ARM和DSP的多回路電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置，其特征 在于： AD轉(zhuǎn)換模塊主要由AD轉(zhuǎn)換芯片AD73360L構(gòu)成。
5. 如權(quán)利要求4所述的基于ARM和DSP的多回路電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置，其特征在于： AD轉(zhuǎn)換模塊的前端設(shè)有一階RC低通濾波器，RC低通濾波器的輸入端接電壓互感器或 電流互感器的輸出端。
6. 如權(quán)利要求5所述的基于ARM和DSP的多回路電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置，其特征在于： DSP模塊主要由DSP處理器TMS320F2812構(gòu)成。
7. 如權(quán)利要求6所述的基于ARM和DSP的多回路電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置，其特征在于： AD轉(zhuǎn)換芯片AD73360L與DSP處理器TMS320F2812的接口具體為： AD73360L 的 SCLK 端接 TMS320F2812 的 MCLKXA 端和 MCLKRA 端；AD73360L 的 SDIFS 端 和 SDOFS 端接 TMS320F2812 的 MFSXA 端和 MFSRA 端；AD73360L 的 SDI 端接 TMS320F2812 的 MDXA 端；AD73360L 的 SDO 端接 TMS320F2812 的 MDRA 端；AD73360L 的 RESET 端和 SE 端接 TMS320F2812 的 GPI014 端。
8. 如權(quán)利要求6所述的基于ARM和DSP的多回路電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置，其特征在于： ARM模塊包括一個ARM9微控器AT91SAM9261S和一個以太網(wǎng)控制器；ARM9微控器 AT91SAM9261S與各測量模塊的DSP處理器TMS320F2812之間采用SPI接口通訊；以太網(wǎng)控 制器提供以太網(wǎng)接口。
9. 如權(quán)利要求8所述的基于ARM和DSP的多回路電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置，其特征在于： ARM9微控器AT91SAM9261S使用串行時鐘線SPICLK、主機(jī)輸入/從機(jī)輸出數(shù)據(jù)線 SPMISO、主機(jī)輸出/從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線SPMOSI、低電平有效的從機(jī)選擇線SPISTE連接各測 量模塊，在任一時刻AT91SAM9261S只允許使能一個測量模塊。
10. 如權(quán)利要求9所述的基于ARM和DSP的多回路電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置，其特征在 于： ARM9微控器AT91SAM9261S的SPI時鐘模式配置成無相位延遲的上升沿模式，測量模塊 的SPI時鐘模式配置成無相位延遲的下降沿模式。
【文檔編號】G01R31/00GK104101806SQ201410347380
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年7月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月21日
【發(fā)明者】李珉, 潘勇, 宣偉錫, 陳銘, 吳強(qiáng), 董震威, 顧江, 王璟 申請人:國家電網(wǎng)公司, 江蘇省電力公司, 江蘇省電力公司無錫供電公司