嵌入式電能質(zhì)量分析儀的數據分析與GUI的設計與實(shí)現

摘要：本研究的目的是設計一種嵌入式電能質(zhì)量分析儀。采用了ARM+DSP+FPGA的新型技術(shù)，加入了RS485接口、以太網(wǎng)接口，實(shí)現了儀器的遠程通信。同時(shí)加入了USB接口和SD卡接口，可以實(shí)現歷史數據的導入導出、存儲分析。本研究采用大尺寸LCD顯示、人機界面友好、明了。在軟件上采用了Linux系統，使得儀器更加智能化，同時(shí)也降低了軟件設計的難度。

0 引言

如今開(kāi)展電能質(zhì)量監測、分析與控制己成為國家戰略發(fā)展的需要，在《國家中長(cháng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規劃綱要(2006—2020年)》中明確將“電能質(zhì)量檢測與控制技術(shù)”列為能源重點(diǎn)領(lǐng)域的優(yōu)先主題內容，要求有效開(kāi)展大功率電力電子技術(shù)應用、實(shí)現電能質(zhì)量控制等。

本研究將電能質(zhì)量分析儀和電能質(zhì)量管理系統配合，構成較完整的電能質(zhì)量監測、分析、管理系統。本研究實(shí)時(shí)采集電能質(zhì)量指標，對電能質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)測量、記錄、監控以及分析，并可通過(guò)RS485或以太網(wǎng)，將數據傳送至電能質(zhì)量管理系統，從而使電能質(zhì)量管理系統對電能質(zhì)量監控數據進(jìn)行分析、顯示、存儲或者打印報表等。

1 電能質(zhì)量分析儀及其關(guān)鍵技術(shù)

1.1 電能質(zhì)量定義

電能質(zhì)量通常是指電網(wǎng)供給用電設備的電能的電壓或電流的幅度、頻率、波形等主要參數與電網(wǎng)給出的標準值之間的偏差。我國目前給出了六個(gè)電能質(zhì)量有關(guān)的單項參數標準，分別是：

電網(wǎng)電壓允許偏差標準(GB/T 12352—1990)：

電網(wǎng)頻率允許偏差標準(GB/T 15945—1995);

三相電壓不平衡度允許標準(GB/T 15543-1995 );

電網(wǎng)諧波允許標準(GB/T 14543-1993);

電壓波動(dòng)和閃變允許標準(GB/T 12326-1990及GB/T 12326—2000);

暫時(shí)過(guò)電壓和瞬態(tài)過(guò)電壓允許標準(GB/T18481—2001)。

1.2 電能質(zhì)量分析儀的軟件組成

電能質(zhì)量分析儀的軟件設計主要是GUI(人機交互界面)部分和數據處理部分，軟件部分的框圖如圖1所示。

其中左側為ARM端軟件，右側為DSP端軟件，圖中陰影部分是本論文的主要工作，同時(shí)也是整個(gè)軟件設計部分的主要工作，包括ARM端的GUI設計和數據分析程序設計;DSP端的數據處理程序。

數據分析儀中的數據處理流程如圖2所示。

主要的數據路徑是從模擬信號輸入后進(jìn)行放大、濾波等調理后進(jìn)行AD轉換，然后傳送到DSP齲進(jìn)行相應的處理后，送入ARM處理器進(jìn)行數據分析，然后送入GUI顯示，提供給使用者。

DSP端的數據處理軟件結構如圖3所示。

1.3 硬件系統介紹

硬件部分的大概結構如圖4所示。

整個(gè)硬件系統的構成大概可以分為模擬信號處理、采樣系統、數據處理及用戶(hù)交互系統三部分，其中模擬信號處理部分主要是將需要采集的信號處理成AD芯片可以量化的電平范圍，模擬處理部分的最前端是互感器，通過(guò)采用不同的互感器，可以將高壓轉變?yōu)榈蛪航涣麟?，也可以將電流信號轉變?yōu)榈蛪航蛔冸妷?，然后通過(guò)信號調理電路進(jìn)行衰減或者放大處理后轉變?yōu)楹线m的電壓值，通常情況下模擬信號調理部分也加入了濾波電路，將高與奈奎斯特采樣頻率的信號濾除，避免AD采樣發(fā)生混疊。

采樣部分由FPGA、AD及觸發(fā)電路組成，因為一般情況下儀器的處理過(guò)程都是先采樣，然后進(jìn)行處理，然后再采樣，這樣不斷重復，所以通常情況下都會(huì )設定一定的觸發(fā)條件，在滿(mǎn)足觸發(fā)條件的情況下啟動(dòng)采樣。觸發(fā)電路也可以設定故障采樣模式，例如在電壓高于閥值的情況下及時(shí)采樣，避免漏掉故障信號。而且加入觸發(fā)鎖相功能可以實(shí)現不同相電壓、電壓與電流、不同采樣時(shí)間內的相位鎖定。該部分實(shí)現對三相電壓、三相電流共6路信號進(jìn)行同步采樣并存入FPGA的內部緩沖區供處理器訪(fǎng)問(wèn)。

2 主界面及數據處理設計

2.1 主界面設計

根據設計要求，本分析儀主要包含測量、監視、記錄、儲存這幾種功能，同時(shí)主界面還需要加入系統設定和相關(guān)信息，所以設計了如圖5的主界面。

在界面的最上端，建立了一個(gè)工具條作為標題欄，最左邊是一個(gè)文本框，里面顯示當前界面的功能名稱(chēng)，在這里是“main menu”，文本框右側是2個(gè)標簽，左邊的標簽顯示的是日期，右邊的標簽顯示的是系統時(shí)間，當時(shí)間顯示錯誤時(shí)可以在系統設置里面可以對日期和時(shí)間進(jìn)行調整。在界面的下端建立了一個(gè)工具條作為導航欄，用來(lái)放置功能按鈕，在主菜單里只需要一個(gè)退出按鈕用來(lái)關(guān)閉程序。上下界面之間是主要信息顯示區，在主界面里顯示的是系統具有的功能，通過(guò)點(diǎn)擊相應的圖標即可打開(kāi)相應的功能界面。

2.2 數據處理設計

2.2.1 RMS測量數據

RMS測量功能包含三相電壓有效值Vrms、峰值Vpk、峰值系數Vcf的測量;三相電流與和電流有效值Arms、峰值Apk、峰值系數Acf的測量;三相與和功率有功功率P、無(wú)功功率Q、視在功率S、功率因數PF、位移功率因數DPF、頻率。

(1)電壓參數測量。電壓參數測量功能的輸入信號是3相線(xiàn)電壓AD采樣：vol_A，vol_B，vol_C，輸出是三路采樣的Vrms值，Vpk值，還有Vcf值。其中Vpk值是尋找所有采樣點(diǎn)中絕對值值最大的采樣點(diǎn)的絕對值。Vrms是通過(guò)公式

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