嵌入式电能质量分析仪的数据分析与GUI的设计与实现

摘要：本研究的目的是设计一种嵌入式电能质量分析仪。采用了ARM+DSP+FPGA的新型技术，加入了RS485接口、以太网接口，实现了仪器的远程通信。同时加入了USB接口和SD卡接口，可以实现历史数据的导入导出、存储分析。本研究采用大尺寸LCD显示、人机界面友好、明了。在软件上采用了Linux系统，使得仪器更加智能化，同时也降低了软件设计的难度。

0 引言

如今开展电能质量监测、分析与控制己成为国家战略发展的需要，在《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020年)》中明确将“电能质量检测与控制技术”列为能源重点领域的优先主题内容，要求有效开展大功率电力电子技术应用、实现电能质量控制等。

本研究将电能质量分析仪和电能质量管理系统配合，构成较完整的电能质量监测、分析、管理系统。本研究实时采集电能质量指标，对电能质量进行实时测量、记录、监控以及分析，并可通过RS485或以太网，将数据传送至电能质量管理系统，从而使电能质量管理系统对电能质量监控数据进行分析、显示、存储或者打印报表等。

1 电能质量分析仪及其关键技术

1.1 电能质量定义

电能质量通常是指电网供给用电设备的电能的电压或电流的幅度、频率、波形等主要参数与电网给出的标准值之间的偏差。我国目前给出了六个电能质量有关的单项参数标准，分别是：

电网电压允许偏差标准(GB/T 12352—1990)：

电网频率允许偏差标准(GB/T 15945—1995);

三相电压不平衡度允许标准(GB/T 15543-1995 );

电网谐波允许标准(GB/T 14543-1993);

电压波动和闪变允许标准(GB/T 12326-1990及GB/T 12326—2000);

暂时过电压和瞬态过电压允许标准(GB/T18481—2001)。

1.2 电能质量分析仪的软件组成

电能质量分析仪的软件设计主要是GUI(人机交互界面)部分和数据处理部分，软件部分的框图如图1所示。

其中左侧为ARM端软件，右侧为DSP端软件，图中阴影部分是本论文的主要工作，同时也是整个软件设计部分的主要工作，包括ARM端的GUI设计和数据分析程序设计;DSP端的数据处理程序。

数据分析仪中的数据处理流程如图2所示。

主要的数据路径是从模拟信号输入后进行放大、滤波等调理后进行AD转换，然后传送到DSP龋进行相应的处理后，送入ARM处理器进行数据分析，然后送入GUI显示，提供给使用者。

DSP端的数据处理软件结构如图3所示。

1.3 硬件系统介绍

硬件部分的大概结构如图4所示。

整个硬件系统的构成大概可以分为模拟信号处理、采样系统、数据处理及用户交互系统三部分，其中模拟信号处理部分主要是将需要采集的信号处理成AD芯片可以量化的电平范围，模拟处理部分的最前端是互感器，通过采用不同的互感器，可以将高压转变为低压交流电，也可以将电流信号转变为低压交变电压，然后通过信号调理电路进行衰减或者放大处理后转变为合适的电压值，通常情况下模拟信号调理部分也加入了滤波电路，将高与奈奎斯特采样频率的信号滤除，避免AD采样发生混叠。

采样部分由FPGA、AD及触发电路组成，因为一般情况下仪器的处理过程都是先采样，然后进行处理，然后再采样，这样不断重复，所以通常情况下都会设定一定的触发条件，在满足触发条件的情况下启动采样。触发电路也可以设定故障采样模式，例如在电压高于阀值的情况下及时采样，避免漏掉故障信号。而且加入触发锁相功能可以实现不同相电压、电压与电流、不同采样时间内的相位锁定。该部分实现对三相电压、三相电流共6路信号进行同步采样并存入FPGA的内部缓冲区供处理器访问。

2 主界面及数据处理设计

2.1 主界面设计

根据设计要求，本分析仪主要包含测量、监视、记录、储存这几种功能，同时主界面还需要加入系统设定和相关信息，所以设计了如图5的主界面。

在界面的最上端，建立了一个工具条作为标题栏，最左边是一个文本框，里面显示当前界面的功能名称，在这里是“main menu”，文本框右侧是2个标签，左边的标签显示的是日期，右边的标签显示的是系统时间，当时间显示错误时可以在系统设置里面可以对日期和时间进行调整。在界面的下端建立了一个工具条作为导航栏，用来放置功能按钮，在主菜单里只需要一个退出按钮用来关闭程序。上下界面之间是主要信息显示区，在主界面里显示的是系统具有的功能，通过点击相应的图标即可打开相应的功能界面。

2.2 数据处理设计

2.2.1 RMS测量数据

RMS测量功能包含三相电压有效值Vrms、峰值Vpk、峰值系数Vcf的测量;三相电流与和电流有效值Arms、峰值Apk、峰值系数Acf的测量;三相与和功率有功功率P、无功功率Q、视在