一种改进算法的低压电力线载波电能质量监测系统*

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(西安工程大学 电子信息学院， 西安 710048)

引 言

近年来，国民经济的稳步发展对电能的需求量越来越大，随着各种不对称性、冲击性、非线性负荷容量的不断增加，电能质量问题日益突出，已经成为电力部门和电力消费者普遍关注的重要问题之一[1-3]。大多数监测仪检测指标单一，对电能质量监测的连续性、实时性和抗干扰能力较差[4]。薛萍等人[5-7]提出了硬件锁相同步频率跟踪方案，实现了电能质量的远程监测。孔亚非等人[8-10]研制了基于DSP和ARM双系统构成的电能质量监测系统，采用嵌有Linux系统的ARM通过SPI实现与DSP的通信。王平等[11-13]设计了基于DSP和FPGA的实时电能质量监测系统，实现了多通道电能质量的实时监测。上述监测系统虽然都能实现电能质量的监测，但仅限于电压、电流的监测，没有实现对谐波和频率的测量，且对复合式扰动信号的识别能力较差。

针对目前电能质量监测系统中存在的问题，设计了一款基于低压PLC技术的电能质量监测系统，系统利用DSP和 ARM进行采集信号的精确运算并处理，采用电力线载波通信(PLC)技术实现电能质量信息的传输，系统具有通信效率高、误码率低、时延低等优点。

1 系统硬件设计

1.1 系统组成框图

电能质量监测模块的主要任务包括数据采样、数据处理和人机交换。DSP与MCU一起完成数据采样和数据处理的功能。本设计的数字信号处理系统采用TI公司生产的高性能浮点DSP芯片TMS320C6711，包括两款芯片DSP1和DSP2。这两款DSP芯片的操作频率高达250 MHz，并配有32位HPI接口。该系统采用32位嵌入式PC104电脑，工作频率为300 MHz，MCU操作系统采用嵌入式Linux系统，图1为系统组成框图。

图1 系统组成框图

为了使电力部门快速有效地获取电能质量信息，本系统采用电力线载波通信模式传输电能质量信息。MAX2990是由MAXIM公司生产的电力线载波通信专用的新产品，其采用OFDM调制方式，理论上通信速度高达100 kbps，可以满足电能质量监控系统的数据传输需求。另外，电能质量监测模块还可以实现电压冲击、瞬态扰动和电压振荡瞬态扰动的计算，以及短时电压变化、动态功率质量扰动、稳定功率质量扰动等计算。

1.2 DSP模块

DSP模块主要包含数据采集单元、A/D转换器、CPLD和DSP芯片。

数据采集单元完成三相电压和三相电流采样，包括电阻分压电路、电流互感器和滤波电路，它可将电压和电流信号转换为可由模数转换器处理的弱信号。

A/D转换器1采用具有16位高精度的AD7723芯片，该芯片的采样率高达1.2 MHz，A/D转换器1将电压模拟信号转换为数字信号，并传输到DSP1，实际使用的采样率为1 MHz。A/D转换器2具有6通道采样的16位高精度ADS8364芯片，采样率高达250 kHz。它将3个电压模拟信号和3个电流模拟信号转换为数字信号并将其传送到DSP2。使用6通道可以满足电压和电流信号采样的同步性,实际使用的采样率为12.8 kHz。其中DSP1完成电压瞬变扰动和电压振荡瞬态扰动的监测和计算;DSP2完成短时电压变化、电能质量扰动和电气参数的监测和计算。

DSP的计算模块将计算结果放入数据缓冲区。计数周期完成后，计算结果将发送到可由MCU读取的数据交互区域。每个计数子程序都是通过高级算法开发的。为了满足系统性能的需求，DSP芯片选择了具有16位HPI接口的TMS320C6711芯片。并行接口HPI是连接DSP和MCU并实现它们之间通信的重要接口。通过HPI接口，MCU可以访问所有的存储空间和地址空间的映射，然后控制DSP完成数据交换,还可以使用CPLD帮助DSP控制系统的所有额外设备。

1.3 微处理器模块

微处理器的模块包含电源控制电路、MCU、驱动电路、通信接口、数据存储器、LED和指示灯。在该系统中，由DSP处理的数据将通过HPI接口传输到MCU。MCU模块完成数据处理、数据存储和数据显示，同时使用其丰富的外设和多线程应用实现多功能控制。首先MCU通过DSP的HPI接口直接访问其RAM，然后进一步处理DSP处理的数据，完成数据处理和数据通信。MCU芯片选用32位嵌入式微控制器，工作频率高达300 MHz，并采用嵌入式Linux操作系统。

MCU通信控制单元与RS232/485接口和以太网接口相连接。RS232/485接口和以太网接口具有便于数据通信和监控系统建设的优点。选用的液晶显示器可以显示设备的所有电气参数和运行状态。MCU处理的数据可由存储容量为40/80 GB的硬盘存储设备存储。图2为电能质量监测系统结构图。

图2 电能质量监测系统结构图

2 系统软件设计

2.1 电力线载波通信模块的结构

电力线载波通信技术采用电力线作为通信媒介，因其布线方便、成本低廉、覆盖范围广泛，所以PLC技术具有广阔的应用前景。基于电力线载波通信技术的电能质量监测系统可以有效利用电力线传输数据，避免建设新的通信线路，与其他通信模式相比，具有独特的优势。

MAX2990是由美信公司制造的高速电力线载波通信芯片，采用OFDM调制方式。当工作频率在10～490 kHz之间时，数字信号输出的有效数据速率高达100 kbps；当工作频率在10～95 kHz之间时，数字信号输出的有效数据速率高达32 kbps。关于电能质量的数据管理，每个项目约为1～6位，主要项目约为二十多个。而在1 s内应考虑传输少量报警信息，所需传输的通用速率约为2 kb/s。所以MAX2990芯片可以满足数据速率的需要。

OFDM是一种特殊的多载波调制技术，提供了一种具有较大延迟的信道高速数据速率的方法。OFDM技术将高速数据流分离成许多低速数据流，并以并行模式在正交子信道上传输。 因此，对于子信道上的每个符号，信号持续时间长于该信号在信道上的延迟,那么ISI的影响很容易被中和。OFDM不仅具有抗多径干扰的能力还具有多载波调制的优点，使得频谱的可用性非常高。图3为电力线载波通信结构图。

图3 电力线载波通信结构图

2.2 PLC模块工作流程

在电能质量监控系统中，MAX2990提供服务于数据链路层和物理层的通信协议。主处理器CS5530A-UCE负责与MAX2990的通信,MAX2990将物理层(PHY)和媒体访问控制(MAC)层集成在一个芯片中，并配有16位RISC MAXQ微控制器。MAX2990具有32 KB的Flash存储器，用于运行MAC编码和用户定义的应用软件，以及一个用于数据存储的8 KB SRAM。此外，MAX2990支持通过串行端口(如I2C)与网络中其他UART和SPI设备连接的通信。

MAX2990与MAX2991一起工作，它作为MAX2990的模拟前端器件。MAX2990的主要功能是将数字信号输出改为模拟形式并重新传输到电源线,同时将从电源线输出的模拟信号更改为数字形式，并将其传输到MAX2991，滤波模拟信号来自电源线。数据通过RS232从MCU发送到MAX2990并进行电平转换后，数据将传输到MAX2990的物理层。然后MAX2990以OFDM方式调制数据，并通过AFE SPI将其传输到MAX2991。

MAX2991收发器提供两条主要路径：发送路径和接收路径。发送路径将OFDM调制信号注入到AC或DC线路中,发送路径由数字IIR滤波器、数模转换器(DAC)、低通滤波器和预线驱动器组成。接收路径用于接收信号的信号增强、滤波和数字信息。接收机由低通和高通滤波器、两级自动增益控制(AGC)和模数转换器(ADC)组成。集成的AGC可使信号的最大化动态范围达到60 dB，而低通滤波器可以去除任何带外噪声，并选择所需的频带，而ADC则可将增强和放大的输入信号转换为数字形式。MAX2991与电源线驱动器和线耦合器连接。在电源线的另一端，信号由MAX2990进行解调，然后发送到主机，这就是电能质量收集和传输的全过程。图4为电能质量参数监测软件流程图。图5为电能质量控制模块的软件流程图。

图4 电能质量参数监测软件流程图

图5 电能质量控制模块的软件流程图

3 实验测试及结果分析

利用本系统设计搭建好的实验平台，对电能质量参数如电压有效值、电流有效值、电网频率、电压谐波进行了测量，并与标准电能质量分析仪进行对比。表1为电压电流有效值对比结果，表2为电压谐波对比结果。

表1 电压电流有效值对比结果

表2 电压谐波对比结果

从表1中可以看出，电压有效值测量误差小于0.1%，电流有效值测量误差小于0.5%。从表2中可以看出，当谐波分量幅值增大时，测量精度较高，但对于较高次谐波，随着幅值减小，测量精度较差。此外，经过对频率测量相对误差的计算，其结果显示小于0.01%，精度较高。

结 语