一、项目概述
1.1 导言
跟着现代工业的蓬勃发展，根据大功率电力电子开关设备的遍及及运用，使得电力网中的非线性设备及电力负荷很多添加，一起由于为了进步体系效益而不断地选用电子设备，这些现象所带来的各种电能质量问题已日益突出。特别是冲击性和非线性负荷容量的不断增加，使得电网产生波形畸变和三相不平衡等电能质量问题，严重影响电力体系和电力用户供用电设备的安全运转。
电能质量的好坏将直接影响整个体系的稳定性和牢靠性，现已引起了各国电力作业者的高度重视。电能质量所带来的问题和其他环境问题相同成为公害，电能质量的检测剖析和质量操控越来越引起电力供应企业和电力用户的重视。电能质量的问题取决于供电和用电方，要进步电网的电能质量水平，运用户用上优质的电能，一起也为了电力设备的安全运转，必须由电力部门和接入电网的宽广电力用户来一起保护。为了实在保护电力部门和用户的利益，保证电网的安全运转，净化电气环境，必须加强电力体系电网电能质量的检测和办理。
1.2 项目布景/选题动机
电能质量越来越引起电力企业与用户的重视，怎么精确的鉴定电能质量的好坏，怎么牢靠的检测电能质量参数，已成为电能质量研讨中必要的一环。研讨电能质量并拟定相应的标准，是鉴定电能质量以及电力技能作业者选用补偿办法、设备和技能措施的根据。
现在在国际上首要有两大电能质量标准体系，分别是IEEE标准和IEC标准，我国在参阅这些电能质量标准的根底上，结合自己国家的国情，拟定出自己的电能质量标准。我国电能质量有5项目标:电压差错，频率差错，谐波，电压动摇和闪变，三相电压不平衡度，这些标准分别为：
《电能质量 供电电压答应差错》(GB12325)
《电能质量 电力体系频率答应差错》(GB/T 15945)
《电能质量 共用电网谐波》(GB/T 14549)
《电能质量 供电电压答应动摇闪变》(GB12326)
《电能质量 三相电压答应不平衡度》(GB/T 15543)
与这些标准相关的测验运用规模宽广，作业办法和测验项目也比较多。这些测验要求同其他的自动化体系比较具有必定挑战性，电力运用决议了它是一个高速和实时性的运用，接连的测验剖析核算又需求大的数据吞吐量，而作为测验剖析设备或仪器又对分辨率和精度有较高要求。
为了满意电能质量的检测需求，有关电能质量检测和剖析设备的研制开发一向都在进行中。国内外采取了许多先进的软、硬件技能以及数学仿真办法，呈现了许多研讨成果和相应的产品。现在电能质量研讨剖析的办法首要有：时域仿真办法、频域剖析办法和根据改换办法；这些完结有根据微处理器开发的嵌入式体系，也有运转于核算机上的根据各种高档编程言语开发的软件体系。其间，嵌入式的电能质量在线检测仪，由于其抗干扰才能强、精度高、耗电低、体积小、免保护、费用省等特色，成为电能质量在线检测的首选设备，而且，经过快速的数据传输通道，将所获取的原始数据传输核算机体系上，能够进行一些需求很多的存储空间和运算才能的杂乱的剖析核算和核算。
经过剖析，咱们以为这些测验要求具有必定的共性，将电能质量检测剖析共性的部分抽取出来，开发一个检测剖析渠道，然后在其根底上开发不同的测验功用和不同运转形式的产品，是可行的。本项意图中心是根据PIC32规划开发电能质量检测剖析渠道，选用高功用RISC处理器，高速实时收集检测点的三相电流和三相电压模拟信号，对数据进行实时剖析处理，核算电网的各种电能参数，剖析电网的电能质量，对这些信息进行即时显现，将检测数据进行就地存储，并能经过通讯接口将数据传输到后台核算机体系。
二、需求剖析
2.1 功用要求
测验渠道要完结功用的首要要求有：对电压和电流通道信号进行高速收集，规划各种数据电参量核算的算法和核算算法，开发可灵敏安排的人机界面程序，体系具有大吞吐量的数据传输办法。装备PC机端软件，数据经过以太网口或USB接口与PC机端软件进行通讯，PC机软件能够进行数据的读取、处理、存储、显现等操作。
本规划的检测体系用于单相或三相沟通供电体系，适用于低压220/380V体系，也能够经由电压互感器检测高压体系，电流信号输入为0-5A，直接丈量或经由电流互感器接入。电能质量检测设备首要由信号调度模块、PIC32收集处理模块和 PC机软件模块这三大模块构成。体系的全体架构见图1。
图1 体系架构
2.2 功用要求
功用方面要求：三相电压，三相电流输入，采样速率每周波128点，100M以太网或/和全速USB接口等。
2.3 可扩展性
此规划完结后，能够进一步开发不同的功用，完结比如谐波测验剖析，闪变测验，无功功率补偿测验等各项电能质量的测验，开发出具有特色和竞争力的产品，具有较大的有用含义，与工业实践结合起来，有用性强。
2.4 计划规划
电能质量检测设备要完结的使命品种繁复。首要要完结对现场的电能参数进行实时收集，然后要对收集数据进行快速处理，最终还要对处理参数进行核算和存储，一起要完结与用户的通讯等多个使命。这就要求咱们所规划的体系不只具有高速的处理才能，还要具有实时使命调度才能，当然最首要的还要考虑到设备的本钱问题。现在现已呈现过多种电能质量检测设备的规划计划，如（1）根据收集卡+工控机的规划完结办法，（2）根据单片机的规划完结办法，（3）根据DSP 的规划完结办法。
选用上述计划都存在一些问题，根据收集卡+工控机的规划完结办法，设备本钱偏高、体积大、灵敏性不行，不适宜很多定点安放在各检测现场；根据单片机的规划完结办法，数据处理才能不行强壮，内存资源不行丰厚，完结很多的数据核算和沟通比较困难；根据DSP 的规划完结办法，本钱高，一般适用于数据处理运算量比较大，实时性要求高而对操控和通讯才能要求相对较低的检测体系。别的还有一些组合计划，如根据单片机+DSP的规划完结办法，根据MCU+CPLD的规划完结办法，但体系杂乱，开发困难，本钱较高。
本项目选用根据带5级流水线的32位MIPS内核的高功用RISC处理器 PIC32进行开发，速度高，最高80 MHz的频率，带有单周期乘法单元和高功用除法单元，很好的整合了单片机和DSP的功用，构成一功用强壮的32位DSC(数字处理操控器)，特别适合于操控、处理双密集型的场合，且该类处理器资源丰厚、片内外设功用强壮，满意满意常用操控场合。选用该规划计划，在满意处理大运算量实时使命要求的一起，体系的规划本钱也相对较低。
PIC32系列单片机是Microchip Technology Inc．(美国微芯科技公司)推出的高功用32位单片机，它是以MIPS32架构为根底规划的。现在推出的PIC32MX3XX分支为通用型，PIC32MX4XX分支带有USB功用，PIC32MX5XX分支带有USB和CAN功用，PIC32MX6XX分支带有USB和Ethernet功用，PICMX7XX分支则带有USB、CAN和Ethernet功用。PIC32系列单片机选用哈佛结构，带有5级流水线，作业频率最高80 MHz；具有高效指令架构、高功用硬件乘法器/累加器及多至8组32个内核寄存器，可完结1.56 DMIPS/MHz的运转速度。此外，PIC32体系具有指令和ROM数据预取缓冲器的64字节高速缓存，128位宽的闪存，可缩短单个指令的取指时刻，支撑MIPSl6e 16位指令集构架，可最多削减40％的代码。
PIC32系列单片机包含了闪存规模从32KB到512KB的可扩展器材，片上RAM从8KB到128KB，引脚与64/100引脚的16位单片机PIC24FJ-XXXGA系列兼容，新推出的PIC32MX5XX/6XX/7XX供给XBGA的封装。别的，PIC32系列单片机带有丰厚的外设资源——5个定时器、16路通道的10位A/D转换器及通讯接口，即SPI、I2C、UART和PMP，一起PIC32还有集成的CRC核算功用和根据形式的传输终端挑选功用的DMA操控器。此外，PIC32MX5/6/7系列包含10/100 Mbps以太网、CAN2.0b操控器、USB主设备/从设备和OTG功用。
PIC32系列单片机不只比PIC 8位、16位单片机速度更快、功用更强，一起相关于ARM系列的32位单片机也具有必定的优势。尽管Microc-hip能挑选的MISP 4K最高时钟频率只要80 MHz，可是由于MIPS内核简练，多家处理器评价组织承认PIC32的处理才能整体功用更高，而且PI-C32的指令多为单周期指令，比多周期指令履行速度更快捷。PIC32系列单片机多达128 KB的RAM，使其在数据处理上更具优。Microchip微公司还有一个十分共同的优势，便是该公司一切8、16和32位的器材都是充沛兼容的，一切的这些全系列的产品运用的都是相同的开发东西，单一的开发环境，软件库也是全面兼容的，这关于客户更为便利。此外，Ashling、Green Hills及Hi-Tech供给了完好东西链支撑，CM-X、Exp-ress Logic等供给RTOS支撑，EasyGUI、Segger、RamTeX及Micrium等供给绘图东西支撑。值得一提的是，微芯公司为开发人员预备了入门东西包，示例源文件，一起免费供给了如USB、TCP/IP协议栈，以及Graphics和FATl6文件体系开发的中间件模块。PIC32的MPLAB C32编译器包含了16位Microchip MCU兼容的软件外设函数库，以愈加便利快捷地运用外没模块。Microchip集成开发东西支撑一切PIC32类型单片机，包含MPLAB集成开发环境(IDE)、MPLAB C32 C编译器、MPLAB REAL ICE仿真体系、MPLAB ICD2在线调试器及Explore 16开发板等。
PIC32微处理器的最大优势在于速度快、高功用、芯片集成度高和外围接口丰厚，而且现在 PIC32芯片的价格也只略高于单片机。在PIC32上能够移植无MMU的嵌入式实时操作体系，简略完结多使命调度，而且简化了LCD显现、硬盘存储、网络通讯等功用的开发，大大削减了产品的开发周期，一起体系更兼具了运算才能强壮的长处。本计划不只满意设备具有较高处理速度和处理才能的要求，而且具有了实时处理才能，最终也考虑到了本钱的问题。
三、体系硬件架构
体系结构框图如图2所示。它包含电压电流信号调度模块、PIC32处理器及外围电路， LCD液晶显现模块，USB移动存储模块，以太网接口通讯模块。
图2 体系结构框图
经过微型电压和电流互感器，将输入的三相三路电压信号和三路电流信号进行信号调度，得到0~3V规模的模拟信号，接入到PIC32内置AD接口；由于实践三相电的频率与标准频率会有必定差错，所以需求对频率进行丈量，鉴于六路信号是同频率的，只需对其间一路信号频率丈量即可，规划中对Ua信号频率进行丈量，经过一个施密特触发器将正弦信号改换为矩形波，然后经过PIC32内置的输入捕捉功用进行频率丈量。
接连每通道收集16个波形，合计128*16个点后，进行数据处理：周期核算、FFT改换，求取三相电的基波以及谐波幅值与频率。然后用LCD显现处理后的三相基波、谐波波形曲线。一起通以太网将收集到的数据传送到PC机软件进行处理、剖析、显现、存储。
3.1 电压电流信号收集回路
模拟量的收集是对电网中电压和电流的丈量，经互感器改换再经调度后送给PIC32内置A/D输入端，电路图如图3(以电流输入为例)所示，调整图中反应电阻R和r的值可得到所需求的电压小信号输出，R精度>1%。电容C1和r’是用来补偿相移的。电容C2和C3是小%&&&&&%，用往来不断耦合滤波；两个反接的二极管是起保护运放效果的。经改换后的信号扩大后再上拉就能够得到0～3V的单极性电压(AD输入规模为：0～3.3V)，然后就能够送到芯片AD转换器的输入端进行采样。
图3 电流信号调度电路
3.2 LCD液晶显现模块
规划中选用大屏幕液晶显现屏，320×240 LCD带背光，能够实时显现电网的运转电压、电流、谐波、有功功率、无功功率、视在功率、通讯信息等，用户能够检查各种电参数和历史记载并可对仪器的某些参数进行设置。
3.3 以太网接口模块
以太网接口模块运用PIC32内置的带MII和RMII接口的10/100Mbps以太网MAC。支撑全双工和半双作业业，可衔接同轴电缆和双绞线，并可自动检测所衔接的介质，经过RJ45接口与以太网进行通讯。
3.4 USB移动存储模块
USB移动存储操控器运用P%&&&&&%32内置的契合USB 2.0标准的全速设备和OTG (On-The-Go)操控器，首要用来存储电网运转参数记载，用户只需将U盘从USB口刺进，挑选存储功用即可。即插即用，操作简略，运用便利，传输速率快，存储容量不受约束。
四、体系软件架构
4.1 电参数丈量
电参数丈量首要要进行数据收集，本规划选用图3所示的沟通采样，行将二次侧的电压电流经高精度的电压电流互感器改换成CPU可丈量的沟通小信号，然后再送入CPU进行采样处理。这种办法可对被丈量的瞬时值进行采样、实时性好，相位失真小，处理了一般直流采样中无法实时采样，丈量精度易受变送器的精度和稳定性影响等缺陷。
对电压和电流谐波等电参量的丈量选用FFT算法，其核算流程如图4所示：
图4 电参量核算流程
先对电压和电流信号进行采样，得到16个周期的波形数据，然后进行FFT核算，得到基波和各次谐波的电压值和电流值及其含量，然后核算谐波的总畸变率THD，然后核算出电压和电流的有效值U、I及刻苦功率P、无功功率Q，再由P和Q核算视在功率S，从而可得到线路的功率因数值以及其它参数值。
4.2 程序运转流程
在电参量的运算和体系的结构等问题处理之后，需求考虑程序运转的总的结构流程图。程序在运转之前首要要对硬件进行初始化，而且要自检以保证硬件部分无故障，为操作体系做好底层的预备。然后是操作体系的初始化，创立使命首要是键盘检测、按键处理、信号采样数据处理及对这些使命的优先级进行排序等。详细的流程见图5所示.
图5 程序运转流程图
