基于快速傳輸海量存儲的電能質量監測系統

摘要 根據對傳統電能質量采集裝置的分析和研究，文中提出了基于CAN總線的電能質量監測及數據存儲系統的設計方案。該裝置主要針對數據的大量和可靠性傳輸，設計了一種基于CAN總線的快速數據傳輸平臺，有效地實現了基站與上位機系統之間的數據通信；同時利用U盤讀寫模塊，使裝置外擴了大容量移動硬盤，實現了數據的海量存儲。另外，給出了數據采集、鎖相倍頻、數據通信等模塊電路。測試表明，各項指標達到設計要求，方案有效可行。
關鍵詞 電能質量；DSP；CAN總線；數據存儲

隨著電力電子設備的應用領域越來越廣，導致用電負荷加大，其中一些沖擊性、非線性負荷使得電網中電壓波形畸變，電壓波動、閃變和諧波含量增加等問題時有發生，電網受到嚴重污染；另外，隨著精密和復雜電子設備的大量應用，對電網電能質量的要求也越來越高。因此如何提高電能質量是電力企業面臨的一個重要課題，而對電能進行實時監測是提高和改善電能質量的一個重要組成部分。
目前已有的電能質量監測設備基本實現了對數據的采集、傳輸以及分析處理功能，只是在各功能實現的方式上有所不同。文獻分別采用虛擬儀器技術、DSP+MCU雙CPU設計以及在LPC2478上移植μC／OS-Ⅱ操作系統技術來實現對電能質量的監測，其中與外部的通信部分采用RS-232、紅外、RS-485等通信方式。
通信技術是研究與開發電能質量監測系統的關鍵技術之一，其通信性能也直接影響著整個電能質量監測系統的性能，這樣對數據的傳輸速率以及傳輸可靠性方面提出很高的要求。由于CAN總線在性能、可靠性等方面的突出優勢以及可高速、長距離傳輸等特點，使之特別適合現場監控設備的數據通信。因此，采用CAN總線來構建電能質量監測系統的通信網絡，可有效地實現大量數據高速可靠地傳輸。同時，以往在線式電能質量監測裝置的存儲容量較小，而本裝置利用U盤讀寫模塊，使裝置外擴更大容量的移動硬盤，實現了數據的海量存儲。針對以上需求，提出了一種基于CAN總線的電能質量監測及數據存儲系統的設計方案，經實驗測試證明了該方案的有效性。

1 系統工作原理
該系統采用雙DSP作為核心，將采集到的數據進行A／D轉換后輸出給主DSP，主DSP分析處理后連同原始數據一同發送到CAN總線上，CAN-bus轉以太網模塊從總線上讀取數據上傳至上位機進行分析處理，通過圖表顯示、統計、分析，實時顯示電能質量的健康狀況。輔DSP從總線上讀取數據后進行壓縮，通過U盤讀寫模塊將數據存到大容量移動硬盤里。系統工作原理，如圖1所示。

2 系統的硬件設計
2．1 CPU與A／D芯片的選取
根據系統工作需要，CPU既要有快速數據處理能力又要有豐富的外設控制功能，選取TI公司的TMS320F2812，這是一款用于控制的高性能、多功能、高性價比的32位定點DSP芯片，最高可在150 MHz主頻下工作。F2812片內集成眾多資源，本系統主要利用其快速處理和不同于其他CPU的增強型eCAN總線接口和事件管理器(EV)功能，選擇雙CPU主要是根據工作需要，主CPU完成數據采集、處理和發送，而輔CPU完成數據壓縮和存儲。A／D芯片選用TI公司的高性能A／D轉換芯片ADS8364。該芯片是一款高速、低能耗、6通道同步采樣，單+5 V供電的16位高速并行接口的高性能A／D轉換芯片，其不論在精度、速率還是采集方式上都符合本系統設計要求。
2．2 數據采集模塊
數據采集模塊主要完成系統對三相電壓、三相電流的實時而精確的數據采集，為以后各項指標的計算分析提供可靠的數據資源。
2．2．1 電壓、電流互感器
為盡可能使采樣到DSP的信號逼近于原始信號，還應選擇合適的電流、電壓變換器進行測量和轉換，使信號調整為適合A／D轉換的要求。設計采用上海和華電子科技有限公司生產的電流型電壓互感器SPT204A和電流互感器SCT254FK。