一、項目概述

　　1.1 引言

　　隨著現代工業的蓬勃發展，基于大功率電力電子開關設備的普及及應用，使得電力網中的非線性設備及電力負荷大量增加，同時由于為了提高系統效益而不斷地采用電子裝置，這些現象所帶來的各種電能質量問題已日益突出。特別是沖擊性和非線性負荷容量的不斷增長，使得電網發生波形畸變和三相不平衡等電能質量問題，嚴重影響電力系統和電力用戶供用電設備的安全運行。

　　電能質量的優劣將直接影響整個系統的穩定性和可靠性，已經引起了各國電力工作者的高度重視。電能質量所帶來的問題和其他環境問題一樣成為公害，電能質量的檢測分析和質量控制越來越引起電力供應企業和電力用戶的關注。電能質量的問題取決于供電和用電方，要提高電網的電能質量水平，使用戶用上優質的電能，同時也為了電力設備的安全運行，必須由電力部門和接入電網的廣大電力用戶來共同維護。為了切實維護電力部門和用戶的利益，保證電網的安全運行，凈化電氣環境，必須加強電力系統電網電能質量的檢測和管理。

　　1.2 項目背景/選題動機

　　電能質量越來越引起電力企業與用戶的關注，如何準確的評定電能質量的好壞，如何可靠的檢測電能質量參數，已成為電能質量研究中必要的一環。研究電能質量并制定相應的標準，是評定電能質量以及電力技術工作者選用補償方法、裝置和技術措施的依據。

　　目前在國際上主要有兩大電能質量標準體系，分別是IEEE標準和IEC標準，我國在參考這些電能質量標準的基礎上，結合自己國家的國情，制定出自己的電能質量標準。我國電能質量有5項指標：電壓偏差，頻率偏差，諧波，電壓波動和閃變，三相電壓不平衡度，這些標準分別為：

　　《電能質量 供電電壓允許偏差》(GB12325)

　　《電能質量 電力系統頻率允許偏差》(GB/T 15945)

　　《電能質量 公用電網諧波》(GB/T 14549)

　　《電能質量 供電電壓允許波動閃變》(GB12326)

　　《電能質量 三相電壓允許不平衡度》(GB/T 15543)

　　與這些標準相關的測試應用范圍廣闊，工作方式和測試項目也比較多。這些測試要求同其他的自動化系統相比具有一定挑戰性，電力應用決定了它是一個高速和實時性的應用，連續的測試分析統計又需要大的數據吞吐量，而作為測試分析設備或儀器又對分辨率和精度有較高要求。

　　為了滿足電能質量的檢測需求，有關電能質量檢測和分析設備的研制開發一直都在進行中。國內外采取了許多先進的軟、硬件技術以及數學仿真方法，涌現了許多研究成果和相應的產品。目前電能質量研究分析的方法主要有：時域仿真方法、頻域分析方法和基于變換方法；這些實現有基于微處理器開發的嵌入式系統，也有運行于計算機上的基于各種高級編程語言開發的軟件系統。其中，嵌入式的電能質量在線檢測儀，由于其抗干擾能力強、精度高、耗電低、體積小、免維護、費用省等特點，成為電能質量在線檢測的首選設備，而且，通過快速的數據傳輸通道，將所獲取的原始數據傳輸計算機系統上，可以進行一些需要大量的存儲空間和運算能力的復雜的分析計算和統計。

　　經過分析，我們認為這些測試要求具有一定的共性，將電能質量檢測分析共性的部分抽取出來，開發一個檢測分析平臺，然后在其基礎上開發不同的測試功能和不同運行模式的產品，是可行的。本項目的核心是基于PIC32設計開發電能質量檢測分析平臺，采用高性能RISC處理器，高速實時采集檢測點的三相電流和三相電壓模擬信號，對數據進行實時分析處理，計算電網的各種電能參數，分析電網的電能質量，對這些信息進行即時顯示，將檢測數據進行就地存儲，并能通過通信接口將數據傳輸到后臺計算機系統。

　　二、需求分析

　　2.1 功能要求

　　測試平臺要完成功能的主要要求有：對電壓和電流通道信號進行高速采集，設計各種數據電參量計算的算法和統計算法，開發可靈活組織的人機界面程序，系統具有大吞吐量的數據傳輸方式。配備PC機端軟件，數據通過以太網口或USB接口與PC機端軟件進行通信，PC機軟件可以進行數據的讀取、處理、存儲、顯示等操作。

　　本設計的檢測系統用于單相或三相交流供電系統，適用于低壓220/380V系統，也可以經由電壓互感器檢測高壓系統，電流信號輸入為0-5A，直接測量或經由電流互感器接入。電能質量檢測裝置主要由信號調理模塊、PIC32采集處理模塊和 PC機軟件模塊這三大模塊構成。系統的整體架構見圖1。

　　圖1 系統架構

　　2.2 性能要求

　　性能方面要求：三相電壓，三相電流輸入，采樣速率每周波128點，100M以太網或/和全速USB接口等。

　　2.3 可擴展性

　　此設計完成后，可以進一步開發不同的功能，完成諸如諧波測試分析，閃變測試，無功功率補償測試等各項電能質量的測試，開發出具有特點和競爭力的產品，具有較大的實用意義，與工業實際結合起來，實用性強。

　　2.4 方案設計

　　電能質量檢測裝置要完成的任務種類繁多。首先要實現對現場的電能參數進行實時采集，然后要對采集數據進行快速處理，最后還要對處理參數進行統計和存儲，同時要完成與用戶的通訊等多個任務。這就要求我們所設計的系統不僅具有高速的處理能力，還要具備實時任務調度能力，當然最主要的還要考慮到設備的成本問題。目前已經出現過多種電能質量檢測裝置的設計方案，如（1）基于采集卡+工控機的設計實現方式，（2）基于單片機的設計實現方式，（3）基于DSP 的設計實現方式。

　　采用上述方案都存在一些問題，基于采集卡+工控機的設計實現方式，設備成本偏高、體積大、靈活性不夠，不適宜大量定點安放在各檢測現場；基于單片機的設計實現方式，數據處理能力不夠強大，內存資源不夠豐富，實現大量的數據計算和交換比較困難；基于DSP 的設計實現方式，成本高，一般適用于數據處理運算量比較大，實時性要求高而對控制和通信能力要求相對較低的檢測系統。另外還有一些組合方案，如基于單片機+DSP的設計實現方式，基于MCU+CPLD的設計實現方式，但系統復雜，開發困難，成本較高。

　　本項目采用基于帶5級流水線的32位MIPS內核的高性能RISC處理器 PIC32進行開發，速度高，最高80 MHz的頻率，帶有單周期乘法單元和高性能除法單元，很好的整合了單片機和DSP的功能，構成一功能強大的32位DSC(數字處理控制器)，特別適合于控制、處理雙密集型的場合，且該類處理器資源豐富、片內外設功能強大，足夠滿足常用控制場合。采用該設計方案，在滿足處理大運算量實時任務要求的同時，系統的設計成本也相對較低。

　　PIC32系列單片機是Microchip Technology Inc．(美國微芯科技公司)推出的高性能32位單片機，它是以MIPS32架構為基礎設計的。目前推出的PIC32MX3XX分支為通用型，PIC32MX4XX分支帶有USB功能，PIC32MX5XX分支帶有USB和CAN功能，PIC32MX6XX分支帶有USB和Ethernet功能，PICMX7XX分支則帶有USB、CAN和Ethernet功能。PIC32系列單片機采用哈佛結構，帶有5級流水線，工作頻率最高80 MHz；具有高效指令架構、高性能硬件乘法器/累加器及多至8組32個內核寄存器，可實現1.56 DMIPS/MHz的運行速度。此外，PIC32系統具有指令和ROM數據預取緩沖器的64字節高速緩存，128位寬的閃存，可縮短單個指令的取指時間，支持MIPSl6e 16位指令集構架，可最多減少40％的代碼。

　　PIC32系列單片機包括了閃存范圍從32KB到512KB的可擴展器件，片上RAM從8KB到128KB，引腳與64/100引腳的16位單片機PIC24FJ-XXXGA系列兼容，新推出的PIC32MX5XX/6XX/7XX提供XBGA的封裝。另外，PIC32系列單片機帶有豐富的外設資源--5個定時器、16路通道的10位A/D轉換器及通信接口，即SPI、I2C、UART和PMP，同時PIC32還有集成的CRC計算功能和基于模式的傳輸終端選擇功能的DMA控制器。此外，PIC32MX5/6/7系列包括10/100 Mbps以太網、CAN2.0b控制器、USB主設備/從設備和OTG功能。

　　PIC32系列單片機不僅比PIC 8位、16位單片機速度更快、性能更強，同時相對于ARM系列的32位單片機也具有一定的優勢。雖然Microc-hip能選擇的MISP 4K最高時鐘頻率只有80 MHz，但是由于MIPS內核簡潔，多家處理器評估機構確認PIC32的處理能力總體性能更高，而且PI-C32的指令多為單周期指令，比多周期指令執行速度更迅捷。PIC32系列單片機多達128 KB的RAM，使其在數據處理上更具優。Microchip微公司還有一個非常獨特的優勢，就是該公司所有8、16和32位的器件都是充分兼容的，所有的這些全系列的產品使用的都是同樣的開發工具，單一的開發環境，軟件庫也是全面兼容的，這對于客戶更為方便。此外，Ashling、Green Hills及Hi-Tech提供了完整工具鏈支持，CM-X、Exp-ress Logic等提供RTOS支持，EasyGUI、Segger、RamTeX及Micrium等提供繪圖工具支持。值得一提的是，微芯公司為開發人員準備了入門工具包，示例源文件，同時免費提供了如USB、TCP/IP協議棧，以及Graphics和FATl6文件系統開發的中間件模塊。PIC32的MPLAB C32編譯器包括了16位Microchip MCU兼容的軟件外設函數庫，以更加方便快捷地使用外沒模塊。Microchip集成開發工具支持所有PIC32型號單片機，包括MPLAB集成開發環境(IDE)、MPLAB C32 C編譯器、MPLAB REAL ICE仿真系統、MPLAB ICD2在線調試器及Explore 16開發板等。

　　PIC32微處理器的最大優勢在于速度快、高性能、芯片集成度高和外圍接口豐富，并且目前 PIC32芯片的價格也只略高于單片機。在PIC32上可以移植無MMU的嵌入式實時操作系統，容易實現多任務調度，而且簡化了LCD顯示、硬盤存儲、網絡通訊等功能的開發，大大減少了產品的開發周期，同時系統更兼具了運算能力強大的優點。本方案不僅滿足設備具有較高處理速度和處理能力的要求，而且具備了實時處理能力，最后也考慮到了成本的問題。

　　三、系統硬件架構

　　系統結構框圖如圖2所示。它包括電壓電流信號調理模塊、PIC32處理器及外圍電路， LCD液晶顯示模塊，USB移動存儲模塊，以太網接口通信模塊。

　　圖2 系統結構框圖

　　通過微型電壓和電流互感器，將輸入的三相三路電壓信號和三路電流信號進行信號調理，得到0~3V范圍的模擬信號，接入到PIC32內置AD接口；因為實際三相電的頻率與標準頻率會有一定誤差，所以需要對頻率進行測量，鑒于六路信號是同頻率的，只需對其中一路信號頻率測量即可，設計中對Ua信號頻率進行測量，通過一個施密特觸發器將正弦信號變換為矩形波，然后通過PIC32內置的輸入捕捉功能進行頻率測量。

　　連續每通道采集16個波形，共計128*16個點后，進行數據處理：周期計算、FFT變換，求取三相電的基波以及諧波幅值與頻率。然后用LCD顯示處理后的三相基波、諧波波形曲線。同時通以太網將采集到的數據傳送到PC機軟件進行處理、分析、顯示、存儲。

　　3.1 電壓電流信號采集回路

　　模擬量的采集是對電網中電壓和電流的測量，經互感器變換再經調理后送給PIC32內置A/D輸入端，電路圖如圖3(以電流輸入為例)所示，調整圖中反饋電阻R和r的值可得到所需要的電壓小信號輸出，R精度>1%。電容C1和r‘是用來補償相移的。電容C2和C3是小電容，用來去耦合濾波；兩個反接的二極管是起保護運放作用的。經變換后的信號放大后再上拉就可以得到0～3V的單極性電壓(AD輸入范圍為：0～3.3V)，然后就可以送到芯片AD轉換器的輸入端進行采樣。

　　圖3 電流信號調理電路

　　3.2 LCD液晶顯示模塊

　　設計中采用大屏幕液晶顯示屏，320×240 LCD帶背光，可以實時顯示電網的運行電壓、電流、諧波、有功功率、無功功率、視在功率、通信信息等，用戶可以查看各種電參數和歷史記錄并可對儀器的某些參數進行設置。

　　3.3 以太網接口模塊

　　以太網接口模塊使用PIC32內置的帶MII和RMII接口的10/100Mbps以太網MAC。支持全雙工和半雙工工作，可連接同軸電纜和雙絞線，并可自動檢測所連接的介質，通過RJ45接口與以太網進行通信。

　　3.4 USB移動存儲模塊

　　USB移動存儲控制器使用PIC32內置的符合USB 2.0規范的全速設備和OTG (On-The-Go)控制器，主要用來存儲電網運行參數記錄，用戶只需將U盤從USB口插入，選擇存儲功能即可。即插即用，操作簡單，使用方便，傳輸速率快，存儲容量不受限制。

　　四、系統軟件架構

　　4.1 電參數測量

　　電參數測量首先要進行數據采集，本設計采用圖3所示的交流采樣，即將二次側的電壓電流經高精度的電壓電流互感器變換成CPU可測量的交流小信號，然后再送入CPU進行采樣處理。這種方法可對被測量的瞬時值進行采樣、實時性好，相位失真小，解決了一般直流采樣中無法實時采樣，測量精度易受變送器的精度和穩定性影響等缺點。

　　對電壓和電流諧波等電參量的測量采用FFT算法，其計算流程如圖4所示：

　　圖4 電參量計算流程

　　先對電壓和電流信號進行采樣，得到16個周期的波形數據，然后進行FFT計算，得到基波和各次諧波的電壓值和電流值及其含量，然后計算諧波的總畸變率THD，然后計算出電壓和電流的有效值U、I及用功功率P、無功功率Q，再由P和Q計算視在功率S，進而可得到線路的功率因數值以及其它參數值。

　　4.2 程序運行流程

　　在電參量的運算和系統的結構等問題解決之后，需要考慮程序運行的總的結構流程圖。程序在運行之前首先要對硬件進行初始化，并且要自檢以確保硬件部分無故障，為操作系統做好底層的準備。然后是操作系統的初始化，創建任務主要是鍵盤檢測、按鍵處理、信號采樣數據處理及對這些任務的優先級進行排序等。具體的流程見圖5所示.

　　圖5 程序運行流程圖