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摘 要：探讨双嵌入式控制器基础上的电能质量分析仪设计，首先介绍电能质量分析仪运行原理，并分别从软硬件设计两个方面做出论述，介绍该分析仪设计要点，最后则介绍分析仪测试及其结果，明确设计的电能质量分析仪满足实际应用要求，在双嵌入式控制器作用下，为电能质量分析提供支持。

关键词：双嵌入式控制器；电能质量分析仪；现代化工业生产

现代化工业生产以及社会建设，离不开集成电路以及电子控制技术的支持，无论是企业还是个人的生活，也对供电系统电能质量有更加严苛的要求，电能质量问题如果不能及时得到解决，势必会造成严重损失。所以，电力系统供电电能质量至关重要。尤其是分布式发电技术广泛应用的当下，非线性时变拓扑负荷器件也随之普及，但这因此造成谐波、暂态扰动相关的电能质量问题，甚至危及电力系统以及负载运行的稳定性。基于此，研发电能质量分析仪非常必要。考虑到该仪器的功能，此次分析选择应用双嵌入式控制器，设计可以在线运行的智能电能质量分析仪，实时测量电能质量参数。

一、电能质量分析仪的运作原理

电能质量分析仪如果按照其实际用途，主要有实验室型、便携型、在线监测型三种；根据功能分类，则包括单功能型、多功能型两种[1]。电能质量分析仪通常应用到采样原理，面向电压、电流进行瞬时采样，随之展开傅里叶变换，便可获得基波、各次谐波幅值与相角值。其中谐波功率可以通过计算谐波电压、谐波电流与相位差获得。

二、应用双嵌入式控制器的电能质量分析仪设计

（一）硬件设计

1、数字信号控制器（Digital signal Controller，DSC）

此次设计DSC，应用的是美国模拟器件公司所研发的Cortex-M4内核ADSP-CM408，具有A/D采样控制、电能质量分析算法、ARM的SPI通信等功能。DSC是系统中的运算控制模块，性能与电能质量分析仪运算速度、分析精度等息息相关。

2、ARM（Advanced RISC Machines，微处理器）处理器

此次设计选用微控制器，为美国飞索半导体公司研发的MB9BF617S，该处理器有ARM Cortex-M332位内核，负责储存数据、同步系统时钟、绑定时间戳、人机交互等。ARM模块在系统中承担着控制核心的作用，系统其余主要模块则在ARM处理器的作用下实现协调与控制。

3、信号调理与采样模块

电能质量分析仪中的信号调理电路，在调理电力信号之后进行滤波处理，转化成与A/D采样要求相符合的模拟电子信号，并向A/D采样单元传输。信号采样电路负责经过调理信号的频率跟踪以及测量，按照信号周期采样[2]。此次设计因为ADSP-CM408已经有两个16位高精度A/D集成，所以不需要再使用外部A/D器件便可实现信号采样。

（二）软件设计

1、DSC系统程序

（1）主程序

电能质量分析仪主程序负责初始化以及主循环，初始化程序在设计阶段需要完成以下处理：第一，ADSP-CM408时钟、外设资源、全局变量等均需要进行初始化处理，具体涵盖了堆栈初始化、时钟配置、嵌入式中断控制器优化配置、DMA模式配置以及A/D转换器配置等。第二，设置系统参数阶段，相关参数的设置也需要进行初始化处理。读取系统预置参数，包括电压报警设定值、电能质量参数计算需要的比例系数以及小波变换所需阈值。

除了初始化，主循环程序的设计，需要根据不同的功能进行：第一，校验。按照SPI接收到的ARM命令，对其是否进入到校验状态做出判断。校验中需要校准电能质量参数计算时应用的计算系数，最大可能地减小计算误差[3]。第二，分析电能质析。设计人员对采样标志作出判断，明确采样过程的完整性。如果确定完成，便可利用快速傅里叶变换、小波变换，计算电能质量参数，并识别暂态扰动。第三，SPI通信数据的快速更新。当快速傅里叶变换以及小波变换结束，设计人员便可以更新SPI通信缓冲单元数据，为后续SPI通信上传电能质量参数提供支持。

（2） A/D采样与分析计算程序

电能质量分析中，电力信号A/D采样程序以及分析计算程序占据核心位置，A/D采样程序同时采样三相电压以及三相电流，利用快速傅里叶变换和离散小波变换组合算法，在分析计算程序的作用下进行电能质量的分析。

A/D采样程序主要包括定时器中断以及六路A/D通道转换，要想有效减少相位误差，对于一个相电流与电压，在采样过程中必须保证相位同步。所以，设计人员应用扫描的方法进行A/D转换。与此同时，同相电流与电压则要与A/D转换器同步转换通道相连接，并开始模数转换。按照现行与电能质量测量相关的规定，同时考虑此次分析仪硬件资源，编制采样方案共有10个信号周期，采集点数量为4096个。例如工频50Hz，其采样频率是20.48kHz，定时器定时周期是48.828微秒，各定时周期中断服务程序在运行过程中，启动一次A/D扫描转换，便可对所有的电力信号进行采样，待到10个周期之后完成数据采集，由工作人员设置相应的标志。此次采集过程应用到双通道扫描转换的方法，利用DMA方法采样数据，将采样结果寄存器向内存转移，这不仅可以节约 CPU运算资源，还能够缩短中断服务程序执行的时间[4]。

分析计算程序的设计，应用小波变换以及FFT组合算法。考虑到计算量大，而且会占用比较多的时间，所以一般会在主循环中展开。计算前设计人员观察采样完成标志，明确计算的必要性。随之按照指针量判定计算数据可以存储的位置。在FFT变换之后，便可以获得输入电力信号频率计算值，结合计算值修正信号频率，对采样频率进行更新。如果输入信号谐波含量较大，那么硬件测量所得频率值可能会有明显误差，这时采用计算值修正的方式便可以消除误差。

2、 ARM子系统程序

（1）μC/OS-Ⅱ基础上的总体设计

μC/OS-Ⅱ为小型嵌入式操作系统，可以实现任务管理、同步任务通信、存储管理等功能。μc/os-Ⅱ同样是微内核，仅面向微控制器以及硬件时钟，实施抽象、封装处理，一般不会提供给其余硬件抽象层，这便为μC/OS-Ⅱ赋予了可移植性。μC/OS-Ⅱ在软件设计中应用，设计人员需要移植其到微控制器，按照微控制器所拥有的硬件资源，增加硬件抽象层，组合定时器、中断为代表的底层硬件驱动和系统源代码。中断服务程序可以调度相关任务，并且起到操作系统控制微控制器外设资源的效果，使应用程序的功能得以实现。

（2）μC/OS-Ⅱ基础上的任务设计

当系统内核已经移植结束，随后便可以创建系统任务，对优先级进行分配。因为各个系统任务均有相应的优先级，所以这里优先级也可以被当作任务标志，由μC/OS-Ⅱ进行识别。按照此次分析仪设计对功能的要求，系统程序任务包括液晶显示任务、数据储存任务、以太网通信任务等。

第一，液晶显示任务。设计阶段关于此任务的设计，需要以液晶屏为对象进行显示刷新处理，可以应用到触发式的刷新操作方法。设计人员设置好刷新时间间隔，如果没有数据变化，不会执行刷新任务。当数据发生变化，且已经达到100ms，那么在100ms范围内不能执行新的刷新任务。此外，设计人员注意单次刷新操作的时间不能大于10ms。

第二，数据储存任务。对于数据储存的设计，依然应用触发方法，当释放了触发信号之后，要求在100ms以内完成数据储存的操作。对于操作的要求在于保证原子性、持续性与安全性[5]。当数据储存之后，务必要执行回读对比操作，若存在差异，则应重新储存，直到最终数据相同。

第三，以太网通信任务。上位机和系统之间的以太网通信，在设计阶段需要满足客户端或防服务器等多类型的通信需求，承接客户端访问最多可同时达到10个。除此之外，以太网通信任务的设计，还需具备数据自动重传功能，可以满足长度10kb数据帧以及多帧传输。

μC/OS-Ⅱ划分任务优先级共有64个，分别是0-63，且每一级均使用数字代表，数字小代表任务优先级高。当系统开始调取任务，便会将任务优先级作为参考依据，所以创建任务过程中，设计人员需要按照不同系统任务完成情况、具体性质以及实时性，对各个任务进行定义，使其成为唯一的优先级。此次设计应用到不连续任务优先级，使系统任务创建出充足的扩展预留空间。

三、电能质量分析仪运行测试

电能质量分析仪的设计结束之后，根据电能质量国家标准要求以及仪表性能指标，需要测试该仪器功能，判断分析仪满足设计规范。当测试开始，需要依次对参数测量功能、暂态扰动识别、系统功能与通信等进行测试。

（一）参数测量功能的测试

测试参数测量功能对象有频率、电压有效值、电流有效值以及谐波等。测量频率时，按正常工频电压是50Hz，电力系统正常运行过程中，电网频率偏差不足0.5Hz。那么在测量时利用校验仪输出的45-55Hz标准正弦电压信号，以及20%谐波电压信号的测试。得出测试结果见表1。根据表1数据，不考虑输入电压信号是否包括谐波的前提下，电能质量分析仪频率测量精度均符合性能要求。

（二）暂态扰动识别的测试

电能质量分析仪暂态扰动识别功能的测试，主要应用到标准信号发生器，通过模拟形成暂态扰动信号，同时分别应用300个测试样本，将其输入至电能质量分析仪中，展开扰动识别，最后对暂态扰动识别的准确率进行统计。得出测试结果见表2。根据表2数据可知，电压中断、电压暂升以及暂降识别率均为100%，但是电压暂态振荡和电压凹陷等的扰动持续时间比较短的情况下，可能面临难以识别的状况，而且识别率也不高。所以，电能质量分析仪暂态扰动识别准确率超过98%，符合设计规定。

（三）系统功能与通信的测试

此次针对电能质量分析仪的设计，应用以太网通信可以实现下发控制命令、上传电能质量数据、远程配置分析仪系统参数等诸多功能。后续针对以太网通信的测试，应用到二层交换机，连接数量较多的电能质量分析仪和上位机，针对上位机，可以在TCP/IP基础上运行通信测试软件，随后测试以太网功能。

测试人员启动上位机测试软件，并将该软件和分析仪连接，完成通信。如果通信正常，那么各分析仪需要依次下发、读取仪器传达的信息指令，检查是否可以接收回送的信息、参数。随后测试人员设置分析仪各项系统参数，设置过程中按照地址选择的差别分类：①选定其中一台分析仪地址，可设定对应的仪表；②连续范围区间或者是不连续多个数值，可以设置若干分析仪系统参数；③广播地址可设置全部分析仪参数。在设置了信息并下发之后，测试人员还需要重新读取系统参数，判断所设置的信息是否完成下发、设置。

当系统参数设置完成，测试人员依次下发、读取到电能质量参数命令、SOE信息命令，对获得数据进行验证。通过上述流程的反复测试，确定以太网通信正常，且在以太网通信基础上得以运行的各项功能，也能够得到实现，由此可确定其满足系统要求。

结束语

综上所述，设计电能质量分析仪应用到双嵌入式控制器，一方面可以凭借该控制器的性能优势，满足电能质量分析的诸多要求，提高分析效率与结果准确性。另一方面，在此控制器基础上设计的电能质量分析仪，也可以满足现代化工业生产以及电力生产运行的要求，切实提高电能质量。

参考文献

[1] 任军军，征汶，陈忠军，等.电能质量分析仪的原理及在路灯施工中的应用[J].灯与照明，2021，45（02）：15-17.

[2] 张静，周兴广，刘芳，等.电能质量在线校准系统设计[J].计算机测量与控制，2020，28（10）：261-265.

[3] 梁祖权，李颖源，赵蕾，等.一种基于电能质量分析仪测量的低压配电网线路阻抗估计方法[J].电力电容器与无功补偿，2020，41（02）：128-132+139.

[4] 聂卫兵.电能质量分析仪及其软件的适用性验证分析[J].自动化应用，2019（11）：29-30.

[5] 董耀.电能质量分析仪检测装置的研制与应用[J].决策探索（中），2019（09）：44-45.

作者简介：冯进，1993年12月出生，男，汉族，籍贯为四川成都，硕士研究生学历，从事工作为：合同监管工作。

钟孟，1989年8月出生，男，汉，籍贯为广西梧州，大学本科学历，助理工程师，从事工作为合同监管。