基于A(yíng)RM9的電網(wǎng)諧波監測系統設計

1 引言

　　隨著(zhù)我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展，電力負荷急劇增大，對電力系統的污染越來(lái)越嚴重，而諧波含量則是目前電網(wǎng)中影響最為重要的一項指標。這也對監測電力系統運行狀況的儀器設備提出了更高的要求。在我國傳統的電網(wǎng)運行參數測量和監控系統中，大多使用8位單片機來(lái)實(shí)現。由于其運算速度和處理數據能力的限制，越來(lái)越難以滿(mǎn)足目前電網(wǎng)監測的需要。本文設計了一種基于arm9的三相電網(wǎng)電壓諧波監測儀，它通過(guò)對三路電壓電流信號的測量，利用快速傅立葉變換算出諧波含量等電網(wǎng)參數，同時(shí)還具有監測數據統計分析，與上位機通信、顯示及報警等功能。

2 諧波監測系統原理

　　由于電網(wǎng)中非線(xiàn)性器件的存在，電力傳輸線(xiàn)中的電流和電壓波形都會(huì )呈現非正弦性，出現波形的畸變。但在絕大多數情況下，畸變并不是任意的，多數畸變是周期性的，屬于諧波的范疇。也就是說(shuō)從整個(gè)過(guò)程來(lái)看，其波形變化緩慢并且幾乎每個(gè)周期都是一樣的。因此，可以認為畸變的電壓、電流波形是非正弦的周期信號。

　　頻域分析中，利用傅立葉級數將畸變的電壓、電流信號分解成基波和一系列諧波的疊加

　　式中W―――基波的角頻率，rad/s;

　　n―――諧波次數;

　　Un In―――分別為第n次諧波的電壓和電流的均方根值;

　　αnβn―――分別為第n次諧波電壓和電流的初相角;

　　N―――所考慮的諧波的最高次數，由波形的畸變程度和分析的準確性要求來(lái)決定。

　　但對于電網(wǎng)這種不規則的畸變波形無(wú)法表示成函數解析式后用傅里葉技術(shù)進(jìn)行計算。一般對該種波形的時(shí)間連續信號用采樣裝置進(jìn)行等間隔采樣，并把采樣值依次轉換成數字序列傳輸至處理器進(jìn)行快速諧波分析，離散傅里葉變換（DFT）的提出為傅里葉技術(shù)在計算機領(lǐng)域的應用鋪平了道路，但對于諧波監測系統而言直接進(jìn)行DFT計算量較大，難以保證監測系統的實(shí)時(shí)性，所以監測系統采用了一種基于滑窗迭代思想的DFT快速檢測算法。

　　式中：Ncur表示最新的采樣數據點(diǎn)，x（iτ）表示i個(gè)采樣周期前的采樣數據，最新的實(shí)時(shí)采樣數據參與負載電流監測分析，而相應地淘汰最老的采樣數據，加快了采樣數據的更新速度，提高了監測系統的實(shí)時(shí)性。

3 硬件結構

　　諧波檢測系統硬件主要由電壓電流采集電路，信號調理電路，模數轉換電路，顯示及按鍵電路等組成。系統的處理器采用S3C2410，是一款基于ARM920T內核的RISC嵌入式微處理器。ARM920T核由ARM9TDMI、存儲管理單元MMU和高速緩存三部分組成。其中，MMU可以管理虛擬內存，高速緩存由獨立的16KB地址和16KB數據高速Cache組成。ARM920T有兩個(gè)內部協(xié)處理器：CP14和CP15。CP14用于調試控制，CP15用于存儲系統控制以及測試控制。根據國家對諧波測量?jì)x器的要求，A級測量?jì)x器應分析到50次諧波，根據采樣定理的要求，采樣頻率與被采樣信號頻譜中最高頻率的比值應大于2，因此工頻周期采樣點(diǎn)數為256時(shí)，采樣頻率為640kHz。S3C2410的主頻能達到203MHz完全能夠滿(mǎn)足采集要求。而且能有一定的時(shí)間可以處理顯示和按鍵掃描等。硬件系統框圖如圖1：

圖1 諧波檢測系統硬件框圖