基于快速传输海量存储的电能质量监测系统

2 系统的硬件设计
2．1 CPU与A／D芯片的选取
    根据系统工作需要，CPU既要有快速数据处理能力又要有丰富的外设控制功能，选取TI公司的TMS320F2812，这是一款用于控制的高性能、多功能、高性价比的32位定点DSP芯片，最高可在150 MHz主频下工作。F2812片内集成众多资源，本系统主要利用其快速处理和不同于其他CPU的增强型eCAN总线接口和事件管理器(EV)功能，选择双CPU主要是根据工作需要，主CPU完成数据采集、处理和发送，而辅CPU完成数据压缩和存储。A／D芯片选用TI公司的高性能A／D转换芯片ADS8364。该芯片是一款高速、低能耗、6通道同步采样，单+5 V供电的16位高速并行接口的高性能A／D转换芯片，其不论在精度、速率还是采集方式上都符合本系统设计要求。
2．2 数据采集模块
    数据采集模块主要完成系统对三相电压、三相电流的实时而精确的数据采集，为以后各项指标的计算分析提供可靠的数据资源。
2．2．1 电压、电流互感器
    为尽可能使采样到DSP的信号逼近于原始信号，还应选择合适的电流、电压变换器进行测量和转换，使信号调整为适合A／D转换的要求。设计采用上海和华电子科技有限公司生产的电流型电压互感器SPT204A和电流互感器SCT254FK。

2．2．2 抗混叠滤波电路设计
    抗混叠滤波电路实质是迫使信号通过一个有限带宽的低通滤波器，使输入到A／D转换器的信号为有限带宽信号，并且以很小的衰减让有效的频率信号通过，而抑制这个频带以外的频率信号，从而防止信号的频谱发生混叠及高频干扰。该滤波器的截止频率为采样频率的一半。谐波测量系统在信号每个周期采样128点即采样频率为128×50=6 400 Hz，所以抗混叠滤波器的截止频率为采样频率的一半即3200Hz。

2．2．3 锁相倍频电路的设计
    虽然我国电网的频率规定为50 Hz，但实际电网的频率受供电负荷不平衡影响会有一些波动。如果以定步长对电力系统的信号进行采样，会使实际每个工频周期内采样点的起始时刻、采样点个数出现差异，这种差异将导致栅栏效应和频谱泄露，使信号频谱分析的结果产生误差。为尽量减小这种误差，设计锁相倍频电路跟踪系统频率的波动。

    锁相倍频电路由相位比较器、环路滤波器、压控振荡器和分频器4部分构成，具体电路如图3所示，电路工作原理为：输入电压信号通过14脚接入CD4046的相位比较器，经锁相环的相位锁定后，由CD4040的4脚输入CD4046的3脚的信号频率与原输入信号的频率一致。此时由CD40 46产生一个频率为128倍于输人信号的脉冲作为A／D的采样频率。在此，将锁相倍频电路输出端口与ADS8364的／HOLDX相连，以满足同步采样的需要。

2．3 数据通信模块
    数据通信部分采用CAN总线，在传输速率上有了很大的提高，可以达到1 Mbit·s-1。F2812内部集成了eCAN控制器。eCAN模块是一种片上增强控制器，其性能较已有的DSP内嵌CAN控制器有较大提高，而且数据传输灵活方便，数据量大、可靠性高、功能完备。CAN驱动器使用TI公司的SN65HVD230D设计了CAN-bus转以太网模块，用来完成向上位机传输数据。该模块内部集成了一路CAN-bus接口和一路EtherNet接口以及TCP／IP协议栈，利用它可以轻松完成CAN-bus网络和EtherNet网络的互联，进一步拓展CAN-bus网络的范围。CAN口通信最高波特率为1Mbit· s-1，具有TCP Server，TCPClient，UDP等多种工作模式，每个CAN口可支持2个TCP连接或3×254个UDP连接，通过配置软件可以设定相关配置参数。方便地实现了数据高速传输，把数据实时传到上位机进行分析处理，及时发现问题，为电网安全稳定运行提供了保障。

2．4 数据存储模块
    本文的设备结合数据压缩技术，完成对所有数据的存储，可以连续记录一年的波形，不需要门槛和触发阀值，只要简单地接入，不会丢失事件，为以后的计算分析提供可靠的数据资源。该模块内嵌USB2．0协议，具有RS232串口和高速SPI接口，SPI口读写文件速度为1．5Mbit ·s-1，可以把所有数据及时地存储到硬盘里，其具有以下功能：检测U盘的状态、创建文件和目录、打开一个已经创建的文件和目录、从文件中读取指定长度和位置的数据、写数据到指定文件的指定地址、列举目录下的文件和目录、删除文件和目录、查询U盘容量、剩余空间及FAT格式。模块遵守USB2．0协议规范，支持所有基于USB的移动存储器，支持FAT16／32文件系统。系统工作于命令应答方式下，由用户系统发出命令，系统再根据该命令进行相应处理后，向用户系统返回相关的应答。

3 系统软件设计
    实时电能质量监测系统的软件主要包括：运行在电能质量监测仪上的数据采集、存储、通信以及各种算法软件；另一部分是运行在上位机上的软件，用来对从监测仪获得的电能质量数据进行统计、分析以及为改善电能质量问题所采取的措施提供依据。结构图，如图5所示。