基于DSP+ARM构架的嵌入式电能质量监测装置的解决方案

摘要：根据电能质量监测对于系统支持复杂算法和实时性的特殊要求，并在综合分析了目前风电场电能质量监测技术现状的基础上，本文提出了一种基于DSP+ARM构架的嵌入式电能质量监测装置的解决方案，该装置可完成风电场电能质量指标的测量，并有数据显示、存储、通信等功能，能更加快捷地对电能质量数据进行分析和处理。

1 引言

随着风力发电的快速发展，电能质量监测技术是风电场的研究热点，应用DSP芯片已成为电能质量监测装置研究的发展趋势。用于风电场电能质量监测的方法有多种多样，其中分布式系统PC机+工控机的结构风靡一时，工控机（下位机）处理实时任务，PC机（上位机）用于和用户交互，一定程度上解决了电能质量监测的实时性问题，但没有达到智能化和网络化的程度，而且这种分布式系统加大了设备的成本，不适于作为永久性在线监测设备大量安装于现场。另外，由于风电场多位于野外山地，地形复杂，自然环境恶劣，系统受干扰的情况也相当严重。目前流行的设计模式是采用DSP+MCU的双CPU结构[1-3]，通过双口RAM实现数据交换和协同工作。这样，在满足处理大运算量实时任务要求的同时，极大地降低了系统的设计成本。单片机用来分担部分实时性要求不高的系统任务，如系统配置管理、人机交互、通信等。但是，为了实现实时任务的调度，软件上必须结合嵌入式实时多任务操作系统[4][5]，才能设计成真正意义上的嵌入式实时系统。

比较上述两种设计模式的优缺点之后，选择以DSP+ARM为双处理器结构，开发出本文所要介绍的新型实时嵌入式电能质量网络监测装置。嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高等优点，同时，在该领域技术成熟、产品类型多、选择空间大，满足各种性能需求的处理器比较容易获得。本文对电能质量监测装置进行设计的同时，改变了电能质量监测装置在传统网络结构中的地位，嵌入以太网络接口，将电能质量监测仪作为网络中独立的节点，内置TCP/IP协议栈，实现电能质量网络监测装置有直接上网传输数据的功能，从而可以更加快捷地对电能质量数据进行分析和处理。

2 系统结构设计

2.1 系统功能结构

本文设计的基于DSP+ARM的嵌入式风电场电能质量监测装置主要实现了对风电场运行过程中各性能指标的实时监测，这些指标包括电压有效值、电流有效值、有功功率、无功功率、功率因数、电压波动、谐波分析以及闪变计算。同时建立了良好的操作界面，使用户一目了然地观察风电场运行的实时数据，并具有图标显示、数据打印、数据存储等功能。

本系统主要采用DSP+ ARM的双系统模式结构，数据采集芯片为ADS8364。由ADS8364完成采样，DSP对采样结果实时变换处理；ARM系统完成统计、存储、通讯及人机对话等功能。二者通过半双工通讯方式进行数据传输与交换。系统结构如图1所示。由于风电场风机分散，间距较远，环境恶劣，地理环境复杂，本系统的监测装置与中央控制机采用光纤通讯。中央控制机为高端服务器，对整个系统进行调度与控制，可以实时观察每个站点的情况。

图1 系统结构

本系统的设计主要针对风电厂电能质量实时监测，其主要特点如下：

(1) 拥有8个模拟信号通道，即三相电压电流、风速风向八个通道，2个脉冲信号通道；

(2) 电压信号测量端输入为690V和100V两个档，可根据现场需要进行设置，电流测量端输入为5A；

(3) 每个模拟信号通道的A/D转换的采样频率大于*kHZ，且所有模拟通道的采样时间点基本同步，精度为12位；总体测量精度需达到0.1级；

(4) 考虑1秒的数据存储量，128k字节的缓存空间，用于实时监测数据运算调用，有TFT屏，主要显示操作界面及各类曲线等；USB接口存储数据；板载NandFLASH为128M，存储实时监测历史数据；

(5) 以太网接口，通过光纤收发器完成RJ45与单模光纤的信号转换，实现光缆通信局域网的架构；

(6) 光纤通信传输频带宽，通信容量大，衰减小，传输距离远，串扰小，信号传输质量高，抗电磁干扰，保密性好，尺寸小，重量轻，便于传输和铺设，耐化学腐蚀；

(7) 系统有良好的触摸式操作界面，可对监测电量实时显示，可查看电能质量分析结果。

2.2 主要器件选择及其参数

2.2.1 模数转换模块ADS8364

ADS8364是一种高速、低功耗、六通道同步采样和转换的十六位模数转换器，采用+5V 工作电压。80dB共模抑制的全差分输入通道。还包括六个4μs连续近似的模数转换器，六个差分采样放大器， 带REFIN和REFOUT引脚的内部+2.5V 参考电压，以及高速并行接口。六个模拟输入分为三组（A，B和C），每个输入端有一个ADCs 和保持信号用来保证几个通道能同时进行采样