摘要：根據電能質量監測對于系統支持復雜算法和實時性的特殊要求，并在綜合分析了目前風電場電能質量監測技術現狀的基礎上，本文提出了一種基于DSP+ARM構架的嵌入式電能質量監測裝置的解決方案，該裝置可完成風電場電能質量指標的測量，并有數據顯示、存儲、通信等功能，能更加快捷地對電能質量數據進行分析和處理。

1 引言

隨著風力發電的快速發展，電能質量監測技術是風電場的研究熱點，應用DSP芯片已成為電能質量監測裝置研究的發展趨勢。用于風電場電能質量監測的方法有多種多樣，其中分布式系統PC機+工控機的結構風靡一時，工控機（下位機）處理實時任務，PC機（上位機）用于和用戶交互，一定程度上解決了電能質量監測的實時性問題，但沒有達到智能化和網絡化的程度，而且這種分布式系統加大了設備的成本，不適于作為永久性在線監測設備大量安裝于現場。另外，由于風電場多位于野外山地，地形復雜，自然環境惡劣，系統受干擾的情況也相當嚴重。目前流行的設計模式是采用DSP+MCU的雙CPU結構[1-3]，通過雙口RAM實現數據交換和協同工作。這樣，在滿足處理大運算量實時任務要求的同時，極大地降低了系統的設計成本。單片機用來分擔部分實時性要求不高的系統任務，如系統配置管理、人機交互、通信等。但是，為了實現實時任務的調度，軟件上必須結合嵌入式實時多任務操作系統[4][5]，才能設計成真正意義上的嵌入式實時系統。

比較上述兩種設計模式的優缺點之后，選擇以DSP+ARM為雙處理器結構，開發出本文所要介紹的新型實時嵌入式電能質量網絡監測裝置。嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高等優點，同時，在該領域技術成熟、產品類型多、選擇空間大，滿足各種性能需求的處理器比較容易獲得。本文對電能質量監測裝置進行設計的同時，改變了電能質量監測裝置在傳統網絡結構中的地位，嵌入以太網絡接口，將電能質量監測儀作為網絡中獨立的節點，內置TCP/IP協議棧，實現電能質量網絡監測裝置有直接上網傳輸數據的功能，從而可以更加快捷地對電能質量數據進行分析和處理。

2 系統結構設計

2.1 系統功能結構

本文設計的基于DSP+ARM的嵌入式風電場電能質量監測裝置主要實現了對風電場運行過程中各性能指標的實時監測，這些指標包括電壓有效值、電流有效值、有功功率、無功功率、功率因數、電壓波動、諧波分析以及閃變計算。同時建立了良好的操作界面，使用戶一目了然地觀察風電場運行的實時數據，并具有圖標顯示、數據打印、數據存儲等功能。

本系統主要采用DSP+ ARM的雙系統模式結構，數據采集芯片為ADS8364。由ADS8364完成采樣，DSP對采樣結果實時變換處理；ARM系統完成統計、存儲、通訊及人機對話等功能。二者通過半雙工通訊方式進行數據傳輸與交換。系統結構如圖1所示。由于風電場風機分散，間距較遠，環境惡劣，地理環境復雜，本系統的監測裝置與中央控制機采用光纖通訊。中央控制機為高端服務器，對整個系統進行調度與控制，可以實時觀察每個站點的情況。

圖1 系統結構

本系統的設計主要針對風電廠電能質量實時監測，其主要特點如下：

(1) 擁有8個模擬信號通道，即三相電壓電流、風速風向八個通道，2個脈沖信號通道；

(2) 電壓信號測量端輸入為690V和100V兩個檔，可根據現場需要進行設置，電流測量端輸入為5A；

(3) 每個模擬信號通道的A/D轉換的采樣頻率大于*kHZ，且所有模擬通道的采樣時間點基本同步，精度為12位；總體測量精度需達到0.1級；

(4) 考慮1秒的數據存儲量，128k字節的緩存空間，用于實時監測數據運算調用，有TFT屏，主要顯示操作界面及各類曲線等；USB接口存儲數據；板載NandFLASH為128M，存儲實時監測歷史數據；

(5) 以太網接口，通過光纖收發器完成RJ45與單模光纖的信號轉換，實現光纜通信局域網的架構；

(6) 光纖通信傳輸頻帶寬，通信容量大，衰減小，傳輸距離遠，串擾小，信號傳輸質量高，抗電磁干擾，保密性好，尺寸小，重量輕，便于傳輸和鋪設，耐化學腐蝕；

(7) 系統有良好的觸摸式操作界面，可對監測電量實時顯示，可查看電能質量分析結果。

2.2 主要器件選擇及其參數

2.2.1 模數轉換模塊ADS8364

ADS8364是一種高速、低功耗、六通道同步采樣和轉換的十六位模數轉換器，采用+5V 工作電壓。80dB共模抑制的全差分輸入通道。還包括六個4μs連續近似的模數轉換器，六個差分采樣放大器， 帶REFIN和REFOUT引腳的內部+2.5V 參考電壓，以及高速并行接口。六個模擬輸入分為三組（A，B和C），每個輸入端有一個ADCs 和保持信號用來保證幾個通道能同時進行采樣和轉換。差分輸入范圍可從-VREF 到+VREF 之間變化[6]。本文采用ADS8364主要是對風電場的三相電壓電流以及風速風向進行采樣，并將采樣數據送給DSP進行實時分析處理，ADS8364的采樣頻率為*KHz，每周波采樣256個點。

2.2.2 數字信號處理模塊TMS320F2812

DSP具有程序和數據分開的哈佛結構，流水線操作功能，單周期完成乘法的硬件以及一套適合數字處理的指令集，由其組成的系統能夠進行實時的頻譜分析，提高了測量精度。本文采用的DSP芯片是TI公司最新推出的TMS320F2812。該芯片是目前國際市場上最先進、功能最強大的32位定點DSP芯片，是基于TMS320Cxx內核的定點數字信號處理器。與F24系列數字處理器相比，F2812數字信號處理器提高了運算的精度（32位）和系統的處理能力(150MIPS) 。該數字信號處理器還集成了128KB的FLASH存儲器，4KB引導ROM，數字運算表以及2KB的OTP ROM，從而大大改善了應用的靈活性。16通道高性能 12位ADC單元提供了兩個采樣保持電路，可以實現雙通道信號同步采樣。本文中的TMS320F2812主要完成啟動ADS8364工作，完成系統采樣，對采樣數據進行實時分析處理，進行各電能質量指標計算，并將計算結果送與ARM系統顯示，便于用戶操作管理。

2.2.3 顯示管理模塊ARM系統s3c2410

S3C2410是Samsung公司推出的16/32位RISC處理器，CPU 主頻206MHz ，標準配置為夏普256K色240x320/3.5英寸TFT液晶屏，帶觸摸屏，支持Linux，WINCE和EPOC32。提供Linux 內核下的符合ISO7816 和EMV2000 的智能卡驅動模塊和符合ISO14443 A/B 和Mifare 系列非接觸智能卡驅動模塊。其小體積、低功耗、高性能的特點為風電場便攜式電能質量監測裝置的設計提供了方便。本文中ARM系統s3c2410主要實現基本控制單元的調度與控制，將數據進行統計、存儲、通訊及人機對話等功能。

3 算法實現

DSP子系統主要完成實時數據的采集和計算，同時響應ARM子系統的通信請求，把各種計算結果和信息報告給ARM，而ARM子系統執行整個系統的控制和管理，在需要數據的時候，向DSP子系統發出通信請求，獲取各種數據和信息。這樣一來大量的實時采樣和計算與系統的管理和控制就可以并行執行，通過通信使雙方在任務執行上同步。軟件設計主要包括DSP芯片的軟件設計和ARM芯片的軟件設計兩部分。

圖2 DSP軟件程序流程圖 圖3 各指標運算流程

3.1 DSP軟件設計

DSP軟件采用C語言和匯編語言混合編程方式，其軟件設計主要包括完成數據采集、

電能質量算法和數據分析程序。F2182通過定時器中斷啟動Ａ/Ｄ轉換過程，中斷周期被設置為每周波256點，通過雙緩沖池來管理實時數據。數據分析主要包括諧波分析和實時檢測信號的峰值、有效值等信息，以判斷過欠壓、振蕩等電能質量問題。本系統采用深圳市風標數碼科技有限公司提供的XDS510USB2.0仿真器，它可以通過USB接口直接與PC機相連接，在CCS集成開發環境下通過JTAG接口，調試燒寫程序，其程序流程如圖2所示。

本設計中需要監測和計算的量有：電壓有效值、電流有效值、有功功率、無功功率、功率因數、電壓波動、諧波分析、閃變計算等，運算流程如圖3所示。

其中計算諧波時目前根據要求只計算到19次諧波，截止頻率分別選擇為1kHz和40Hz。閃變計算所需的數據為所存儲的10分鐘中的數據中進行抽樣獲得，10分鐘的數據需實時更新。對得出瞬時閃變視感度S(t)恒速采樣，得出累積概率函數，最后計算出短時間閃變值Pst。

3.2 ARM芯片軟件設計

ARM軟件采用C語言編程方式，其軟件設計主要包括完成與DSP的通信，給DSP索要數據的命令，并接收傳來的數據，將電能質量參數值以波形曲線、柱狀圖等形式實時顯示出來，便于用戶操作與控制。ARM主線程程序流程圖如圖4所示，與DSP的通訊子線程流程圖如圖5所示。

圖4 ARM主線程程序流程圖 圖5通訊子線程

其中，ARM向DSP索要數據傳輸時，DSP采用中斷的工作方式，將處理的數據送與ARM統計、存儲與顯示。

4 結論

在借鑒已有設備的功能和特性的基礎上，利用DSP+ARM的新型嵌入式系統結構實現實時信號處理能力，完全滿足風電場的電能質量監測和諧波閃變分析的需要。其次，為了符合電能質量監測網絡的建設要求，運用當前先進的嵌入式網絡接口技術，將電能質量監測裝置作為網絡中獨立的節點，內置TCP/IP協議棧，實現電能質量網絡監測裝置直接上網傳輸數據的功能，為實現高端分析服務器上的高級分析軟件提供數據。同時還提供良好的人機界面，具有鍵盤和液晶顯示的功能，可以提供實時數據信息的界面。本文所設計的電能質量監測裝置已在實驗室調試成功，下一步工作將于風電場現場調試。本設計既可作為基本的電能質量監測系統的檢測單元，也可用作監測控制器，適用面廣，具有實時性好、通用性強、可靠性高、系統容易實現等優點，有廣闊的應用前景，為將來開發更完善的電能質量監測系統打下了堅實的基礎。