季書(shū)文，楊文忠

(1.新疆焦煤集團(tuán)艾維爾溝焦煤公司，烏魯木齊830025;2.新疆機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，烏魯木齊830011)

1 引言

電能是一種電力部門(mén)向電力用戶提供的由發(fā)、供、用三方面共同保證質(zhì)量的特殊商品，與其它商品一樣，應(yīng)該保證其質(zhì)量。隨著工業(yè)化進(jìn)程的高速發(fā)展，越來(lái)越多大功率、超大功率非線性負(fù)載和各類(lèi)不同功率的電子設(shè)備投入使用，造成電力系統(tǒng)的嚴(yán)重污染，也影響到了電力用戶的用電質(zhì)量。近代科技進(jìn)步促進(jìn)了生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化和智能化，對(duì)電能質(zhì)量也提出了更高更新的要求。計(jì)算機(jī)等用電設(shè)備對(duì)系統(tǒng)干擾更加敏感，對(duì)電能質(zhì)量的要求更高:高可靠性、高暫態(tài)穩(wěn)定性、高可控性［1］。如一個(gè)計(jì)算中心失去電源2s就可能破壞幾十小時(shí)的數(shù)據(jù)處理結(jié)果或造成上百萬(wàn)元的經(jīng)濟(jì)損失。而在大型機(jī)器制造廠，0.1s的電壓暫降就有可能造成異常的生產(chǎn)狀況和質(zhì)量破壞。

為了更加嚴(yán)格有效的監(jiān)管和治理各種大功率工業(yè)負(fù)載、非線性負(fù)載和電子設(shè)備對(duì)電力系統(tǒng)造成的各類(lèi)污染，為電力用戶提供高質(zhì)量、高可靠性的供電服務(wù)，近年來(lái)，電力系統(tǒng)對(duì)配電網(wǎng)中的電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)越來(lái)越關(guān)注，已成為智能電器研究的一個(gè)熱門(mén)課題。

基于微處理器的智能系統(tǒng)具有強(qiáng)大的檢測(cè)功能和通信功能，因而利用智能電器實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)是很合適的方案，也是當(dāng)前中低壓智能電器的一個(gè)發(fā)展方向。

首先介紹了電能質(zhì)量問(wèn)題的內(nèi)容和監(jiān)控目的，隨后介紹了一種基于智能電器的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)器的設(shè)計(jì)方案。

2 電能質(zhì)量問(wèn)題的內(nèi)容及監(jiān)控器的設(shè)計(jì)要求

電能質(zhì)量問(wèn)題可以分為穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題和暫態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題。穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題主要包括電壓波動(dòng)、閃變及諧波等;暫態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題主要包括短時(shí)電壓波動(dòng)(分為電壓凸起、電壓凹陷和電壓間斷)和電磁暫態(tài)(分為脈沖暫態(tài)和振蕩暫態(tài))［2］。這些擾動(dòng)如果不能及時(shí)監(jiān)測(cè)和有效控制，會(huì)影響電網(wǎng)的運(yùn)行并對(duì)用戶端造成嚴(yán)重影響。

電壓跌落或瞬間間斷，會(huì)使異步電動(dòng)機(jī)減速或停轉(zhuǎn)，而當(dāng)電壓恢復(fù)時(shí)又會(huì)造成巨大的沖擊電流;致使電磁式控制電器誤動(dòng)作或使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)丟失。

而電網(wǎng)中的高次諧波會(huì)使電源設(shè)備過(guò)熱并降低用電設(shè)備的功率因數(shù)，諧波電壓會(huì)造成絕緣電纜的介質(zhì)擊穿，使遙控設(shè)備誤操作并造成計(jì)量誤差。

三相電壓不平衡會(huì)造成異步電機(jī)中三相繞組不平衡，使電流最大的一相繞組過(guò)熱。

針對(duì)以上電能質(zhì)量問(wèn)題，電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)器的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)具備以下功能:

(1)對(duì)三相電壓、電流的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。根據(jù)對(duì)電壓、電流信號(hào)采樣的結(jié)果i，實(shí)時(shí)計(jì)算電壓、電流的有效值、三相電壓、電流的不平衡度、有功功率、無(wú)功功率、視在功率、頻率、功率因數(shù)等，并進(jìn)行穩(wěn)態(tài)的諧波分析。

(2)實(shí)現(xiàn)時(shí)間記錄、故障報(bào)警和故障波形跟蹤記憶的功能。

(3)分析監(jiān)測(cè)結(jié)果，提取電能質(zhì)量的評(píng)估信息，為用戶提供決策。

(4)通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)傳送監(jiān)測(cè)到的工作現(xiàn)場(chǎng)電能質(zhì)量信息，向更高層的企業(yè)信息分析和管理系統(tǒng)提供服務(wù)。

(5)就地實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測(cè)和分析結(jié)果，以便現(xiàn)場(chǎng)操作人員及時(shí)了解電網(wǎng)的運(yùn)行狀況，在出現(xiàn)異常時(shí)能迅速做出決策。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，要求該系統(tǒng)具有以下性能:①滿足實(shí)時(shí)性需求，必須具備很高的運(yùn)行速度;②支持大計(jì)算量和復(fù)雜算法，必須具備強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理能力;③系統(tǒng)功能覆蓋了從底層任務(wù)執(zhí)行到高層應(yīng)用，需要有足夠的系統(tǒng)資源;④具備遠(yuǎn)程通信能力，為了實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，還必須具有鍵盤(pán)輸入和信息顯示能力［3］。

3 監(jiān)測(cè)器的硬件設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)器硬件整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)器硬件整體結(jié)構(gòu)圖

硬件整體結(jié)構(gòu)采用按功能劃分模塊，各模塊相對(duì)獨(dú)立的設(shè)計(jì)原則。按照被測(cè)電壓、電流從輸入、被處理并根據(jù)處理結(jié)果實(shí)現(xiàn)顯示、操作、數(shù)據(jù)通信等功能的流程，監(jiān)測(cè)器硬件分為模擬量輸入通道、數(shù)據(jù)處理與控制、開(kāi)關(guān)量輸出、人機(jī)交互、通信和電源6個(gè)模塊。

各模塊的功能和選型方案如下:

(1)數(shù)據(jù)處理與控制模塊

用于完成對(duì)各種模擬量的采集控制、計(jì)算、顯示和通信等功能，是電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)器的核心，實(shí)質(zhì)上是一個(gè)微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。由于電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)器對(duì)運(yùn)算速度要求較高，處理器件選用DSP芯片TMS320LF2407A。

(2)模擬量輸入通道

實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)器的電壓和電流型號(hào)的采集功能?？紤]到支持三相四線制或者三相三線制的母線，加之還可能需要測(cè)量到中線電壓、中線電流，以及接地保護(hù)電流，因此需選擇具有8路以上模擬通道的A/D轉(zhuǎn)換器。這里選擇MAX125 8路14位A/D轉(zhuǎn)換器，完成數(shù)據(jù)采集功能。

(3)開(kāi)關(guān)量輸入輸出模塊

為方便使用中遇到的一些開(kāi)關(guān)控制，裝置要具有繼電器驅(qū)動(dòng)功能。這要求裝置具備多路開(kāi)關(guān)輸入/輸出通道，這里主要通過(guò)DSP的I/O來(lái)實(shí)現(xiàn)。

(4)通信模塊

電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)器要能服務(wù)于更高層的企業(yè)信息分析和管理系統(tǒng)，需要配置通信模塊與相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)連接，為這些系統(tǒng)提供必要的數(shù)據(jù)。本監(jiān)控器要求具備RS-422接口，通信協(xié)議采用自定義協(xié)議。

(5)人機(jī)交互模塊

人機(jī)交互是裝置設(shè)計(jì)中的重要部分，裝置的管理、測(cè)量分析結(jié)果、報(bào)警和事件記錄的顯示等都要通過(guò)人機(jī)交互來(lái)完成。功能強(qiáng)大、操作簡(jiǎn)單的人機(jī)交互模式也是智能電器發(fā)展的一項(xiàng)基本要求。顯示器采用128×64的圖形點(diǎn)陣式LCD，鍵盤(pán)為3×3布置，通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)菜單式的人機(jī)交互模式。

(6)其它硬件資源配置

監(jiān)測(cè)器還需要配置其它硬件資源。包括系統(tǒng)監(jiān)控復(fù)位(Watchdog)，實(shí)時(shí)時(shí)鐘(Real-Time Clock)，非易失性RAM或可在線讀/寫(xiě)的串行 EEPROM。此外，為滿足DSP程序和處理算法的要求，還需要為功率代碼和數(shù)據(jù)分別配置32×16KB以上的ROM和32×16KB以上的RAM。

4 監(jiān)測(cè)器軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選擇嵌入式系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)模式，即基于實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)。根據(jù)對(duì)任務(wù)處理的分析，確定采用占先式任務(wù)調(diào)度機(jī)制的實(shí)時(shí)任務(wù)操作系統(tǒng)。考慮到監(jiān)測(cè)器的硬件配置、使用的處理器性能及設(shè)計(jì)成本等因素，選擇源代碼開(kāi)放的μC/OS-Ⅱ作為軟件的開(kāi)發(fā)和運(yùn)行平臺(tái)。

4.1 操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

μC/OS-Ⅱ內(nèi)核在綜合性能上接近VxWorks的Wind內(nèi)核，具有實(shí)時(shí)性好、可靠性高、功能完備、可維護(hù)性好等優(yōu)點(diǎn)，而且其源代碼開(kāi)放，可以免費(fèi)使用，但是直接作為軟件的運(yùn)行平臺(tái)，還需要根據(jù)監(jiān)測(cè)器中處理器的性能和硬件資源，對(duì)其內(nèi)核進(jìn)行裁剪和移植。

(1)裁剪

裁剪的目的是在滿足功能要求的前提下，減少μC/OS-Ⅱ占用的CPU和存儲(chǔ)資源。裁剪包括3方面的內(nèi)容。①刪除μC/OS-Ⅱ源碼中監(jiān)測(cè)器不用的變量和函數(shù)，以及相關(guān)函數(shù)中不實(shí)用的語(yǔ)句;②減少任務(wù)切換的狀態(tài)數(shù)目;③減少μC/OS-Ⅱ的程序、數(shù)據(jù)和堆棧占用的內(nèi)存空間，將其可調(diào)度的任務(wù)數(shù)壓縮到16個(gè)，以便節(jié)省μC/OS-Ⅱ自身運(yùn)行時(shí)占用的硬件資源。

裁剪后的 μC/OS-Ⅱ代碼只占用2.6KB的ROM空間，運(yùn)行時(shí)占用的CPU資源減少了30%，不但保證了所設(shè)計(jì)的監(jiān)控器硬件資源能支持由μC/OS-Ⅱ調(diào)度的軟件可靠運(yùn)行，滿足裝置的功能需求，而且大幅提高了整個(gè)裝置的實(shí)時(shí)性。

(2)移植

所謂移植，就是使μC/OS-Ⅱ的實(shí)時(shí)內(nèi)核能在某個(gè)微處理器或者控制器上運(yùn)行。為了方便移植，μC/OS-Ⅱ的大部分代碼都用C語(yǔ)言編寫(xiě)，但讀/寫(xiě)處理器寄存器和堆棧操作的代碼只能用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，所以那些與處理器相關(guān)的代碼需要用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編寫(xiě)。這樣，移植時(shí)只要對(duì)代碼中涉及具體硬件的部分稍作修改，就可將μC/OS-Ⅱ用于選定的處理器。

4.2 任務(wù)的劃分與優(yōu)先級(jí)的確定

任務(wù)是RTOS調(diào)度的單位。在應(yīng)用RTOS作為操作平臺(tái)的軟件中，必須按軟件完成的功能將程序劃分為相應(yīng)的模塊，每個(gè)功能模塊作為一個(gè)任務(wù)。本系統(tǒng)軟件中，根據(jù)程序?qū)崿F(xiàn)的功能劃分了8個(gè)任務(wù)，如表1所示。

4.3 軟件整體結(jié)構(gòu)

軟件系統(tǒng)由結(jié)構(gòu)任務(wù)程序、μC/OS-Ⅱ系統(tǒng)程序和硬件驅(qū)動(dòng)程序組成，其中μC/OS-Ⅱ系統(tǒng)程序需要經(jīng)過(guò)如前所述的裁剪和移植作為整個(gè)軟件的運(yùn)行平臺(tái)，其它程序根據(jù)需要編寫(xiě)。軟件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖和整體流程圖分別如圖2和圖3所示。

表1 任務(wù)劃分表

圖2 軟件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

圖3 軟件整體流程圖

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)樣機(jī)進(jìn)行精度測(cè)量實(shí)驗(yàn)，樣機(jī)電壓、電流有效值的測(cè)量精度為0.5級(jí)，頻率分辨率為0.03Hz，三相不平衡度為2%，電網(wǎng)諧波可測(cè)到30次，達(dá)到了設(shè)計(jì)精度要求。

該樣機(jī)可對(duì)采集的信息進(jìn)行實(shí)時(shí)分析、運(yùn)算和處理，分析監(jiān)測(cè)結(jié)果，提取電能質(zhì)量評(píng)估信息，為用戶提供決策。集測(cè)量與監(jiān)控于一體，可通過(guò)通信接口與其他微機(jī)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，構(gòu)成智能化的監(jiān)控保護(hù)與信息管理系統(tǒng)，提高用戶用電效率、可靠性和電能質(zhì)量［4］，具有一定的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。

［1］ 韓英鐸，嚴(yán)千貴，姜齊榮.信息電力與FACTS及DFACTS技術(shù)［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2000，24(19):1-6.

［2］ 劉桂英，賈時(shí)平.風(fēng)電接入系統(tǒng)暫態(tài)電能質(zhì)量擾動(dòng)小波檢測(cè)方法［J］.電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2011，23(1):22-27.

［3］ 王汝文.電器智能化原理及應(yīng)用(第二版)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2011.

［4］ 靜恩波.智能電網(wǎng)發(fā)展技術(shù)綜述［J］.低壓電器，2010(6):14-18.