基于嵌入式技术的电能质量在线监测系统初探

基于嵌入式技术的电能质量在线监测系统初探

胡楠王浩王丹妮宣煦桐

国网辽宁省电力有限公司信息通信分公司110006

摘要：嵌入式技术是指在适应系统需求中通过计算机基础进行软硬件剪裁，从而获得严格要求的成本、功耗、体积等要求的计算机技术。本文结合“后PC”时期应用层面对于嵌入式技术的需求，对电能质量在线监测系统进行了详尽的设计。在设计当中，从微处理器选型开始，通过系统方案、系统硬件、实时操作等具体设计，使嵌入式技术在电能质量在线检测中得到充分应用。

关键词：嵌入式技术；微处理器选型；实时操作；系统总体方案

前言

电力系统最为理想的供电形式应当是恒定频率与正弦波性相结合，从而保证三相交流电力系统的各相电压电流幅值相等，相位对称互差120°。然而在实际的电能输送过程之中，由于电气设备存在负荷，导致各元件参数并不能完美符合设计要求，这使得性质各异的元件会出现随机变化，导致用户电能偏离正弦波形，造成电能质量问题，引发畸变。因此为了保障电能安全，需要利用技术手段对电能变化进行实时监控。

一、微处理器分析

（一）微处理器应用领域分析

微处理器是实现嵌入式技术的核心，在进行嵌入式技术的系统设计时，设计者应当首先对微处理器进行分析。在现代技术发展当中，微处理器的应用十分广泛，除了在工程控制领域外，在无线通讯、网络应用、成像产品等领域也有着突出的贡献。同时，由于不同领域的要求不同，所选用的微处理器特点也不同，在设计之初，需要着重分析。

（二）微处理器选型

关于微处理器的选型，在电能质量在线监测系统的设计当中，设计者应当首先考虑处理器内核以及系统工作频率两个方面。其中，内核结构不同，其所适用的领域就不同，而系统工作频率则决定了微处理器的处理能力，从而直接作用于在线监测在面对大数据量时的处理效率。除了以上两个方面，在微处理器选型中，存储容量、片内外围电路、生产厂家等也都是选型的重点。

二、系统总体方案设计

（一）功能需求

以往的技术领域，为了应对电能质量问题，一般会采用电能质量监测装置，这种装置所采用的数字信号处理器DSP能够利用运算分析，完成对电压偏差、电压谐波、三相电压不平衡度的计算，功能十分强劲。但随着电能传输发展，电网中电能质量除了上述三个方向之外，又多了瞬时电压跌落以及电压波动等暂态指标，对于传统的数字信号处理器来说，处理速度不足导致在暂态指标检测中，无法发挥作用。因此在现代在线监测系统设计中，既要满足传统数字信号处理的工作内容，同时还需要具备暂态指标的获取的评价。

（二）系统结构

通过上文电能质量在线监测系统的功能需求分析可以看出，现代在线监测需要满足的内容是多方面的。在本文的系统总体方案设计当中，在线监测系统的建立包含了用电信息采集系统、供电电压自动采集系统、调度技术支持以及生产管理系统四个方面。其中用电信息采集系统面向的用电用户层面，实现对电能传输情况的分析，而供电电压采集系统则满足电压偏差、电压谐波、三相电压不平衡度等内容的分析。调度技术则是在暂态指标当中为管理人员提供技术参考、生产管理则主要面向数据业务。

三、系统硬件设计

（一）可编程逻辑电路

为了满足系统CPU的多种外设功能模块的控制需求，本文采用了复杂的逻辑电路来实现系统的逻辑控制，并深刻地考虑到投入使用后的拓展需求，因此在电路当中加入了CPLD电路单元。为了实现逻辑控制，本文所采取的宏单元达到了256个，通过每16个宏单元组成逻辑阵列块的方式形成逻辑阵列。由于每一个宏单元都能够对扩展乘积项、高速并联扩展乘积项进行共享，因此可以为每个单元提供数百计的乘积项，实现复杂逻辑函数。为了实现在线编程，还可以运用JTAG结构的方式，将JTAGBST电路内置到系统当中，同时满足逻辑密度可用门电路的要求，进而降低引脚到引脚的逻辑延迟，提升计数器工作频率。

（二）硬件调试

在印制电路板完成之后，不能直接开始元件焊接，而是应当由设计人员对照原理图进行印制电路板连线的检查，并且需要以各个单元电路为基本单位，进行焊接调试。在完成了电源网络的检查后可以将印制电路板接通电源，从而发现在电路工作中是否有异常情况出现。以芯片为例，在正常工作中，芯片由于工艺结构和通电工作，会存在一定程度的发热现象，但是当超过一定技术指标之后，芯片发烫严重，这说明在电路板当中存在一定的故障，需要重新检测。

四、实时操作

在完成硬件设计和检查之后，需要将操作系统移植到硬件当中来，从而实现电能质量的在线监测。在实时操作当中，操作系统首先应该具备任务管理功能，从而满足系统调度器的工作需要，使数据结构可以在管理任务调度中发挥作用。其次，实时操作系统还要具备通信的同步和互斥机制以及信号机制。其中，为了实现数据的共享应该拥有共享内存，而为了任务同步则要具备信号量。在异常情况的处理过程中，实时操作系统则应该可以通过信号机制来实现程序的中段处理，使系统保持安全。

结论：相较于传统的电能质量监测，现代的电能质量在线监测系统所面向的电能质量内容更多，需要的处理能力也更强。本文采用了微处理器以及实时操作系统在硬件上的移植方法，最终实现了新技术的应用，弥补了传统DSP处理能力方面的不足。

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