引言

電能質(zhì)量是保證電網(wǎng)內(nèi)設(shè)備正常運(yùn)行的基礎(chǔ)[1]-[4]，傳統(tǒng)電能質(zhì)量錄波器工作方式大多為獨(dú)立工作的閾值觸發(fā)式錄波器，在著一系列的問題[5] ，且大多基于工控機(jī)平臺(tái)集中布置[6]存在體積大成本高記錄不準(zhǔn)確等問題，也不利于分散監(jiān)控電網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)狀態(tài)。而在當(dāng)前我國建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)[7]-[8]要求隨時(shí)掌握電網(wǎng)分布各節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)，并在電能質(zhì)量發(fā)生時(shí)準(zhǔn)確定位和記錄，并且錄波器平臺(tái)具有高可靠性，可通過互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器通信，交換數(shù)據(jù)。

本文討論了在線型電能質(zhì)量錄波器的設(shè)計(jì)，以TI 公司高性能TMS320C6416 DSP 與XILINX 公司XC4VSX25 FPGA 器件為核心設(shè)計(jì)主控板，配合通信、存儲(chǔ)、采集、人機(jī)接口等板卡，組成了小型化低成本可長期在線監(jiān)測，升級(jí)維護(hù)經(jīng)濟(jì)方便的電能質(zhì)量錄波器系統(tǒng)。本系統(tǒng)可分布配置與電網(wǎng)輸配電節(jié)點(diǎn)，通過以太網(wǎng)與中心服務(wù)器監(jiān)交換數(shù)據(jù)，監(jiān)控電網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)[13][15]。

1 長時(shí)在線式數(shù)字錄波器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)總體功能

目前電網(wǎng)電能質(zhì)量錄波檢測技術(shù)向可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，長時(shí)在線記錄，具備大容量存儲(chǔ)空間，高壓縮比數(shù)據(jù)壓縮功能，多功能網(wǎng)絡(luò)化智能化等方向發(fā)展。本文設(shè)計(jì)的電能質(zhì)量數(shù)字錄波器系統(tǒng)，具備電能質(zhì)量數(shù)據(jù)采集、壓縮、存儲(chǔ)、導(dǎo)出、多功能網(wǎng)絡(luò)化通信、長時(shí)在線分布式監(jiān)測等功能。

為本系統(tǒng)的功能示意圖，整個(gè)系統(tǒng)分為下位機(jī)、上位機(jī)、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用數(shù)據(jù)庫三部分，本文闡述下位機(jī)相關(guān)方案與技術(shù)。下位機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、處理存儲(chǔ)與導(dǎo)出，電網(wǎng)電能質(zhì)量信號(hào)[11] [12]（三路電壓，三路電流）通過TV63-400V/5V 型電壓互感器與TA25E41-40A/3.5V 電流互感器變換為0~5V 以內(nèi)的交流電壓信號(hào)，經(jīng)調(diào)理電路隔離驅(qū)動(dòng)之后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理。處理后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在非易失存儲(chǔ)器內(nèi)，可以選配點(diǎn)陣液晶模塊同步顯示。電能質(zhì)量數(shù)據(jù)亦可由以太網(wǎng)、USB 等通訊接口傳輸至上位計(jì)算機(jī)，或由SD 卡和U 盤現(xiàn)場導(dǎo)出，供用戶分析。由于采用數(shù)據(jù)壓縮算法，大幅壓縮數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)長時(shí)在線錄波功能，并且通過以太網(wǎng)連接構(gòu)成分布式錄波器監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，滿足智能電網(wǎng)對于配電網(wǎng)整體運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控的要求。

1.2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

根據(jù)本系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境和整體性能要求設(shè)備整體電壓電流精度0.2%，采樣率為每周波1024 點(diǎn)。根據(jù)精度和數(shù)據(jù)壓縮算法的計(jì)算量，本項(xiàng)目選定高性能DSP TMS320C6416TGLZ和FPGA XC4VSX25 器件作為系統(tǒng)的核心器件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，其整體硬件結(jié)構(gòu)如所示。為了便于樣機(jī)調(diào)試與產(chǎn)品升級(jí)，本系統(tǒng)按照功能[13]主要分為六部分：信號(hào)調(diào)理與模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、人機(jī)接口模塊、通信接口模塊、電源模塊，每一個(gè)功能模塊亦為獨(dú)立的硬件板卡。采用這種功能模塊化設(shè)計(jì)思想，將系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)為可方便拆卸升級(jí)的功能模塊提高了產(chǎn)品開發(fā)和日后升級(jí)的便利性和經(jīng)濟(jì)性。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器選用ADI 公司生產(chǎn)的AD7656。該器件內(nèi)置六路16 位逐次逼近(SAR)型同步ADC 單元，最高采樣速度每秒250K，擁有串并兩用數(shù)據(jù)口，并可通過讀寫內(nèi)部寄存器，對其采樣方式進(jìn)行編程。AD7656 精度、速度、通道數(shù)均滿足要求，設(shè)置其數(shù)據(jù)傳輸方式為16 位并行數(shù)據(jù)接口，由FPGA 控制AD7656 采樣數(shù)據(jù)，六路數(shù)據(jù)依次讀出并存儲(chǔ)于FPGA內(nèi)部乒乓RAM 中，供DSP 調(diào)用處理，處理結(jié)果存儲(chǔ)于板載FLASH 芯片組內(nèi)，芯片組選用四片單片4G Bytes 容量的HY27UK08BGFM 型FLASH 完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能。

2 基于電能質(zhì)量信號(hào)特征的數(shù)據(jù)壓縮算法

2.1 數(shù)據(jù)壓縮算法設(shè)計(jì)

電能質(zhì)量信號(hào)在大部分時(shí)間為正常非故障波形，其理想電壓波形為規(guī)律的50HZ 正弦波。即便發(fā)生電能質(zhì)量事件，暫態(tài)電能質(zhì)量事件持續(xù)時(shí)間比較短，數(shù)據(jù)量不大，而穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量事件在信號(hào)形式上也都是相對穩(wěn)定的周期信號(hào)。電能質(zhì)量信號(hào)的周期性特征，使得可以用處于穩(wěn)態(tài)的周期信號(hào)的一個(gè)波形數(shù)據(jù)來替代描述其他的周波，這樣就為數(shù)據(jù)壓縮提供了可能。

設(shè) A、B 為兩個(gè)相鄰的電壓波形，分別對A、B 兩個(gè)波在20ms 時(shí)長內(nèi)采樣，采得兩幀數(shù)據(jù)，之后對兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，設(shè)：

將 C 值與預(yù)設(shè)ΔU 值相比較，如果兩個(gè)波形均是正常波形，則其結(jié)果會(huì)很小甚至趨近于0，這種情況下只記錄第一幀數(shù)據(jù)，其他數(shù)據(jù)幀只計(jì)錄個(gè)數(shù)即可。

如果某時(shí)刻電能質(zhì)量故障出現(xiàn)，那么在其前后相鄰時(shí)刻的信號(hào)波形發(fā)生變化，C 大于ΔU ，這樣啟動(dòng)無損記錄程序，將電能質(zhì)量故障波形完整采樣記錄至存儲(chǔ)器內(nèi)。

如此往復(fù)工作，大部分正常的或者是穩(wěn)態(tài)異常的無意義數(shù)據(jù)就不會(huì)占用大量寶貴的存儲(chǔ)器空間，雖然是有損壓縮但是可以解決壓縮比和計(jì)算量之間的矛盾。

2.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)協(xié)議設(shè)計(jì)

故障錄波數(shù)據(jù)按照故障時(shí)間逐條存儲(chǔ)，每條故障記錄占用25KB 存儲(chǔ)空間，如所示，每條故障錄波記錄共包括5 部分，其中起始時(shí)刻為系統(tǒng)檢測到波形變化的時(shí)間，由經(jīng)GPS校正的DS1307 芯片提供時(shí)間基準(zhǔn)，故障起始時(shí)刻亦為檢索故障數(shù)據(jù)的標(biāo)志。

由于我國三相四線制輸配電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測需要三路相電壓與三路線電流，故系統(tǒng)配置六路模擬量采樣通道。單路波形個(gè)數(shù)A，B 均占用4Bytes 存儲(chǔ)空間，用于記錄電能質(zhì)量信號(hào)波形變化前后穩(wěn)定狀態(tài)的周波數(shù)。其4Bytes 容量共可記錄4294967296 個(gè)20ms 周波，如果電網(wǎng)信號(hào)為穩(wěn)態(tài)不變，則其容量可連續(xù)記錄數(shù)百天周波數(shù)。單路波形數(shù)據(jù)A，B 為存儲(chǔ)電能質(zhì)量事件發(fā)生時(shí)刻前后變化波形的數(shù)據(jù)空間，由于數(shù)據(jù)采樣精度為16bits，采樣率為1024點(diǎn)/周波，所以每個(gè)周波占用2K Bytes，共4K Bytes。上述皆為單路采樣通道存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量，整個(gè)系統(tǒng)含6 路模擬采樣通道，故故障錄波記錄存儲(chǔ)空間需求為單路乘以系統(tǒng)采樣通道數(shù)6。

本系統(tǒng)共配置四片單片4G Byte 的FLASH 存儲(chǔ)器芯片，其內(nèi)部采用FAT 文件系統(tǒng)管理存儲(chǔ)空間，格式化屏蔽掉存儲(chǔ)器芯片壞塊之后可用存儲(chǔ)空間約為15.6G Bytes，按照每條數(shù)據(jù)25K Bytes 的數(shù)據(jù)量計(jì)算，整個(gè)系統(tǒng)存儲(chǔ)空間可記錄60 余萬條故障數(shù)據(jù)。假設(shè)每天發(fā)生電能質(zhì)量事件1000 件，錄波器可以準(zhǔn)確捕捉全部波形變化數(shù)據(jù)，則理論上錄波器可連續(xù)在線記錄時(shí)長為300 天，接近一年。

3 系統(tǒng)軟件框架結(jié)構(gòu)

TMS320C6416 上電之后初始化芯片及外設(shè)，之后啟動(dòng)采集模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集數(shù)據(jù)存入緩存，緩存采用乒乓RAM 形式工作，采集滿兩個(gè)周波40ms 的數(shù)據(jù)之后由DSP 讀取RAM中數(shù)據(jù)，將前后周波進(jìn)行逐點(diǎn)比對，如果C值小于預(yù)設(shè)ΔU 則判斷前后一致則只存儲(chǔ)第一幀有效數(shù)據(jù)，其余周波數(shù)據(jù)不直接存儲(chǔ)，只記錄波形個(gè)數(shù)；如果波形對比判定前后幀波形不一致則判定為電能質(zhì)量故障波形，對數(shù)據(jù)直接存儲(chǔ)。為DSP 工作整體流程圖。

采樣獲得的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)除作為錄波壓縮判決依據(jù)，還由其計(jì)算得到電能質(zhì)量相關(guān)參數(shù)。數(shù)據(jù)由兵乓RAM 中讀取之后進(jìn)行FFT 變換[19]，得出信號(hào)頻譜與波形數(shù)據(jù)計(jì)算諧波與頻偏，之后結(jié)果由液晶顯示。而電網(wǎng)三相線電壓、三相線電流、三相不平衡度、電壓閃變等等參數(shù)由文獻(xiàn)[21]- [31]推薦典型方法計(jì)算出結(jié)果，并亦由液晶模塊顯示。具體的電網(wǎng)參數(shù)計(jì)算及顯示流程見。

4 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

錄波實(shí)驗(yàn)環(huán)境使用臺(tái)灣茂盛公司生產(chǎn)的CHR61705 型三相交流可編程電源定量產(chǎn)生典型電能質(zhì)量故障信號(hào)。該電源可編程實(shí)現(xiàn)的電壓波動(dòng)、電壓暫降、電壓暫升、電壓中斷、頻偏、三相不平衡、電壓沖擊等等電能質(zhì)量綜合變化的數(shù)據(jù)。

為編程實(shí)現(xiàn)的電壓切痕的實(shí)測波形，為系統(tǒng)記錄的電壓切痕波形，對比兩圖波形表明系統(tǒng)可以準(zhǔn)確捕獲記錄電能質(zhì)量信號(hào)波形的變化。

對采樣數(shù)據(jù)采用2.1節(jié)闡述的壓縮算法處理，根據(jù)不同的ΔU 值的選取，可得約數(shù)十至一百比一的壓縮比。

5 結(jié)論

本文探索了基于電能質(zhì)量信號(hào)特征的數(shù)據(jù)壓縮算法并將其應(yīng)用于電能質(zhì)量錄波器系統(tǒng)，證明其算法思路可行，但是其壓縮比并不固定，既非常依賴電網(wǎng)品質(zhì)，又依賴ΔU 值的選取，在ΔU 值很小且電網(wǎng)品質(zhì)較差的情況下，其壓縮比較低。