基于ARM7TDMI的配电综合测控仪的设计与实现

2采样数据的处理

　　现场实测信号所包含的大量噪声干扰和高次谐波会引起谐波测量、频率测量等方面的误差，对于FFT算法如果采样值不能均匀分布在信号周期内，也将造成频谱泄露，从而带来很大的测量误差，所以对采样数据必须进行处理。

　　2.1噪声的处理

　　电力系统中的各种噪声一般可以认为是随机性白噪声。这些年，相继有学者提出过许多消除噪声的方法，如小波变换法等。小波变换在时频域同时存在时具有良好的局部化特性，可根据信号不同频率成分自动调节取样密度，从而实现对信号消噪处理。但是小波变换在频谱分析方面没有明显优越性。考虑到测控仪的改进重点是增加谐波功能以及ARM7硬件对FFT的方便性，本设计依然采用FFT为基本算法来寻求基于FFT算法的消噪方法。

　　采用FFT算法消噪可以在窗函数上做文章，可以参考使用余弦窗来提高精度的思路，以及正弦信号自相关函数为同频率的余弦函数，而白噪声函数的自相关函数几乎为零的特性来消除白噪声。采用加余弦窗函数方法进行修正可以减少信号中的白噪声影响，提高测控仪的谐波测量精度。其周期信号X(n)=sinωn的自相关的函数为：

　　式中，N为采样点数。

　　2.2频谱混叠的防止

　　谐波测量中要处理的信号是采样和A／D变换得到的数字信号。要获得准确的FFT运算结果，必须满足Nyquist采样定理，以防止频谱混叠造成的测量误差。防止频谱混叠通常是用模拟滤波器滤除采样频率fs一半的高频信号，但由于模拟滤波器在低频带难以保证较好的物理特性；而本测控仪的采样频率又较高，因此，可采用模拟滤波器和数字滤波器相结合，同时考虑谐波测量范围的方法来减少频谱混叠的影响。

　　2.3同步采样处理

　　根据FFT的原理要求，采样点应均匀分布在一个信号周期内(即实现严格的同步采样)，否则会引起信号频谱泄露，从而造成测量误差。由于硬件同步技术结构复杂，它会提高测控仪制造成本，因此，本文采用软件同步来实现同步采样。软件同步实质是一种补偿方法，主要思想是采用软件方法来跟踪信号频率的变化，并利用可变窗函数来实现信号周期的同步采样，以减少频谱泄露造成的误差。软件同步的关键是如何实时检测和确定信号的频率。 该测控仪采用复序列FFT和锁相环来直接对电压或电流信号采样值进行处理，然后配合数字滤波技术求得信号过零并得到信号频率，从而实现对信号的同步采样，同时完成信号频率的测量。这种检测和确定信号频率的方法计算简单、跟踪速度快、测控仪的采样率较高，能够得到较高的测量精度，完全可以满足工程实际的需要。

　　3测控仪软件设计

　　依据上述数据处理思路和数据采集、参数计算的算法，下面介绍该测控仪的软件设计方法。

　　 3.1软件设计思路

　　新改进和研制的测控仪在保留原来电容投切、运行参数监测、电量采集等功能基础上，由于还要增加谐波等电能质量指标监测，因而软件涉及的算法较多，数据处理工作量较大；另外，ARM7不同于单片机，软件的结构也比较复杂，因此，本测控仪的软件设计采用模块化结构。为了提高程序代码效率、满足实时性要求，该测控仪采用C语言语言编程，整个测控仪软件由主程序和多个应用子程序组成。

　　主程序来完成硬件初始化、硬件自检和循环操等功能；子程序包括数据采集处理、电容器投切控制、电量和运行参数计算、电能质量监测、上位机串行通信等程序。主、子程序采用中断方式实现数据的读取和处理，程序设计采用由顶向下、逐步细化的结构化设计方法。

　　3.2 FFT的实现

　　实现FFT时，必须解决数据溢出问题。由N点DFT计算公式：

　　

　　在进行DFT运算时，如果不采取一定的措施，溢出是不可避免的。为了避免FFT运算数据溢出，可对DFT蝶形运算单元的中间结果进行归一化处理。下面是对FFT蝶形单元的中间结果：

　　

　　设A和B为归一化的输入，那么，在复数时间抽取FFT运算时，Cr、Ci、Dr、Di的最大值为：1+cos45°+sin45°+2.414。而在实数DIT的FFT运算中，Cr、Ci、Dr、Di的最大值为2，因此，可在每一级FFT计算中。事实上，用因子2进行归一化。对ARM7运用芯片的移位特性和用2归一化，不会增加任何运算量。这样，如果FFT包含M级，则输出相当于除以2M=N。其中N为FFT的长度。

　　3.3谐波参数的计算

　　参数计算采用N=128点FFT算法，计算结果依次存放为A0、B0、A1、B1、……、An、Bn。其中An为n次谐波的实部，Bn为n次谐波的虚部。这样，即可计算出各次谐波的(以电压为例)相角、幅值和谐波畸变率、含有率等指标：

　　


　　这样，依据计算的电压、电流和相角，便可计算电网的有功功率、无功功率、功率因数、电力电量等各种参数值，从而按照相关策略实现对电容器等设备的控制。各种监测数据和运行状态还可送计算机中长期保存，并可对数据进行进一步的分析，实现配电监控管理。