嵌入式電能質(zhì)量分析儀的數(shù)據(jù)分析與GUI的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
摘要:本研究的目的是設(shè)計(jì)一種嵌入式電能質(zhì)量分析儀。采用了ARM+DSP+FPGA的新型技術(shù),加入了RS485接口、以太網(wǎng)接口,實(shí)現(xiàn)了儀器的遠(yuǎn)程通信。同時(shí)加入了USB接口和SD卡接口,可以實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的導(dǎo)入導(dǎo)出、存儲(chǔ)分析。本研究采用大尺寸LCD顯示、人機(jī)界面友好、明了。在軟件上采用了Linux系統(tǒng),使得儀器更加智能化,同時(shí)也降低了軟件設(shè)計(jì)的難度。
本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/201609/305062.htm0 引言
如今開(kāi)展電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)、分析與控制己成為國(guó)家戰(zhàn)略發(fā)展的需要,在《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006—2020年)》中明確將“電能質(zhì)量檢測(cè)與控制技術(shù)”列為能源重點(diǎn)領(lǐng)域的優(yōu)先主題內(nèi)容,要求有效開(kāi)展大功率電力電子技術(shù)應(yīng)用、實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量控制等。
本研究將電能質(zhì)量分析儀和電能質(zhì)量管理系統(tǒng)配合,構(gòu)成較完整的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)、分析、管理系統(tǒng)。本研究實(shí)時(shí)采集電能質(zhì)量指標(biāo),對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量、記錄、監(jiān)控以及分析,并可通過(guò)RS485或以太網(wǎng),將數(shù)據(jù)傳送至電能質(zhì)量管理系統(tǒng),從而使電能質(zhì)量管理系統(tǒng)對(duì)電能質(zhì)量監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析、顯示、存儲(chǔ)或者打印報(bào)表等。
1 電能質(zhì)量分析儀及其關(guān)鍵技術(shù)
1.1 電能質(zhì)量定義
電能質(zhì)量通常是指電網(wǎng)供給用電設(shè)備的電能的電壓或電流的幅度、頻率、波形等主要參數(shù)與電網(wǎng)給出的標(biāo)準(zhǔn)值之間的偏差。我國(guó)目前給出了六個(gè)電能質(zhì)量有關(guān)的單項(xiàng)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn),分別是:
電網(wǎng)電壓允許偏差標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 12352—1990):
電網(wǎng)頻率允許偏差標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 15945—1995);
三相電壓不平衡度允許標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 15543-1995 );
電網(wǎng)諧波允許標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 14543-1993);
電壓波動(dòng)和閃變?cè)试S標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 12326-1990及GB/T 12326—2000);
暫時(shí)過(guò)電壓和瞬態(tài)過(guò)電壓允許標(biāo)準(zhǔn)(GB/T18481—2001)。
1.2 電能質(zhì)量分析儀的軟件組成
電能質(zhì)量分析儀的軟件設(shè)計(jì)主要是GUI(人機(jī)交互界面)部分和數(shù)據(jù)處理部分,軟件部分的框圖如圖1所示。
其中左側(cè)為ARM端軟件,右側(cè)為DSP端軟件,圖中陰影部分是本論文的主要工作,同時(shí)也是整個(gè)軟件設(shè)計(jì)部分的主要工作,包括ARM端的GUI設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析程序設(shè)計(jì);DSP端的數(shù)據(jù)處理程序。
數(shù)據(jù)分析儀中的數(shù)據(jù)處理流程如圖2所示。
主要的數(shù)據(jù)路徑是從模擬信號(hào)輸入后進(jìn)行放大、濾波等調(diào)理后進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換,然后傳送到DSP齲進(jìn)行相應(yīng)的處理后,送入ARM處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,然后送入GUI顯示,提供給使用者。
DSP端的數(shù)據(jù)處理軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。
1.3 硬件系統(tǒng)介紹
硬件部分的大概結(jié)構(gòu)如圖4所示。
整個(gè)硬件系統(tǒng)的構(gòu)成大概可以分為模擬信號(hào)處理、采樣系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理及用戶交互系統(tǒng)三部分,其中模擬信號(hào)處理部分主要是將需要采集的信號(hào)處理成AD芯片可以量化的電平范圍,模擬處理部分的最前端是互感器,通過(guò)采用不同的互感器,可以將高壓轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛪航涣麟?,也可以將電流信?hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛪航蛔冸妷海缓笸ㄟ^(guò)信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行衰減或者放大處理后轉(zhuǎn)變?yōu)楹线m的電壓值,通常情況下模擬信號(hào)調(diào)理部分也加入了濾波電路,將高與奈奎斯特采樣頻率的信號(hào)濾除,避免AD采樣發(fā)生混疊。
采樣部分由FPGA、AD及觸發(fā)電路組成,因?yàn)橐话闱闆r下儀器的處理過(guò)程都是先采樣,然后進(jìn)行處理,然后再采樣,這樣不斷重復(fù),所以通常情況下都會(huì)設(shè)定一定的觸發(fā)條件,在滿足觸發(fā)條件的情況下啟動(dòng)采樣。觸發(fā)電路也可以設(shè)定故障采樣模式,例如在電壓高于閥值的情況下及時(shí)采樣,避免漏掉故障信號(hào)。而且加入觸發(fā)鎖相功能可以實(shí)現(xiàn)不同相電壓、電壓與電流、不同采樣時(shí)間內(nèi)的相位鎖定。該部分實(shí)現(xiàn)對(duì)三相電壓、三相電流共6路信號(hào)進(jìn)行同步采樣并存入FPGA的內(nèi)部緩沖區(qū)供處理器訪問(wèn)。
2 主界面及數(shù)據(jù)處理設(shè)計(jì)
2.1 主界面設(shè)計(jì)
根據(jù)設(shè)計(jì)要求,本分析儀主要包含測(cè)量、監(jiān)視、記錄、儲(chǔ)存這幾種功能,同時(shí)主界面還需要加入系統(tǒng)設(shè)定和相關(guān)信息,所以設(shè)計(jì)了如圖5的主界面。
在界面的最上端,建立了一個(gè)工具條作為標(biāo)題欄,最左邊是一個(gè)文本框,里面顯示當(dāng)前界面的功能名稱,在這里是“main menu”,文本框右側(cè)是2個(gè)標(biāo)簽,左邊的標(biāo)簽顯示的是日期,右邊的標(biāo)簽顯示的是系統(tǒng)時(shí)間,當(dāng)時(shí)間顯示錯(cuò)誤時(shí)可以在系統(tǒng)設(shè)置里面可以對(duì)日期和時(shí)間進(jìn)行調(diào)整。在界面的下端建立了一個(gè)工具條作為導(dǎo)航欄,用來(lái)放置功能按鈕,在主菜單里只需要一個(gè)退出按鈕用來(lái)關(guān)閉程序。上下界面之間是主要信息顯示區(qū),在主界面里顯示的是系統(tǒng)具有的功能,通過(guò)點(diǎn)擊相應(yīng)的圖標(biāo)即可打開(kāi)相應(yīng)的功能界面。
2.2 數(shù)據(jù)處理設(shè)計(jì)
2.2.1 RMS測(cè)量數(shù)據(jù)
RMS測(cè)量功能包含三相電壓有效值Vrms、峰值Vpk、峰值系數(shù)Vcf的測(cè)量;三相電流與和電流有效值A(chǔ)rms、峰值A(chǔ)pk、峰值系數(shù)Acf的測(cè)量;三相與和功率有功功率P、無(wú)功功率Q、視在功率S、功率因數(shù)PF、位移功率因數(shù)DPF、頻率。
(1)電壓參數(shù)測(cè)量。電壓參數(shù)測(cè)量功能的輸入信號(hào)是3相線電壓AD采樣:vol_A,vol_B,vol_C,輸出是三路采樣的Vrms值,Vpk值,還有Vcf值。其中Vpk值是尋找所有采樣點(diǎn)中絕對(duì)值值最大的采樣點(diǎn)的絕對(duì)值。Vrms是通過(guò)公式
評(píng)論