引言

為了能對大量負荷進行在線監控。很多公司較早地研制了基于單片機技術，能對配電變壓器或配電線路負荷運行參數、電容器投切、電量采集等進行綜合監控的配電綜合測控儀。但是，由于供電系統負荷的復雜性，特別是用戶非線性負荷的大量使用，企業對諧波等電能質量問題越來越重視，因此，對配電綜合測控儀的要求也隨之提高，而且普遍要求增加諧波、頻率監測和通信組網等功能。為了解決這些問題。本文以PHILIPS公司的ARM7芯片LPC2220FBD144為核心，研制出了新一代的配電綜合測控儀。

1、硬件電路設計

1.1硬件電路總體結構

本裝置的硬件結構框圖如圖1所示，它主要由數據采集、運算處理、數據存儲、鍵盤顯示、通信接口等單元組成。其中運算處理單元是核心部分，用于實現數據信號處理、快速傅立葉變換（FFT）等功能。考慮配電綜合測控儀要求的運算速度、精度、硬件資源等需要，本設計選擇了PHILIPS公司的LPC2220FBD144型ARM7芯片。

該LPC2220FBD144芯片是LPC2200系列中性價比較好的一款ARM7芯片，采用LQFP封裝，四條邊上各有36個引腳。該芯片具有改進的馮諾依曼結構（指令和數據共用一條32位總線），采用三級流水線，可以同時進行幾個操作，并能使外處理和存儲器系統連續操作。該芯片內嵌高達256KB的高速閃爍存儲器、64 KB靜態RAM、32位的算術邏輯單元、32位累加器、64位的乘法器以及精簡指令集，其指令最短周期可以達到17 ns。這些特點使它的操作非常靈活，處理能力強并且速度快。由于其應用程序可以固化在CPU內部，因而不但可以降低成本、減少體積，系統升級也比較方便，而且它的功耗低、資源配置靈活，非常適用于生產現場的數據采集和處理。

1.2數據采集電路

本系統中的數據采集電路由PT與CT、信號整理和A／D轉換三部分組成，實時電流和電壓經過PT、CT以及信號整理電路后，可變成0～3.3 V的模擬信號，然后經模擬轉換電路完成數字化處理。數據采集部分的硬件電路如圖2所示（6路采集電路中的一路Ua）。

根據測量諧波等參數和數字抗頻率混疊的要求，本裝置對信號波形按每個周期128點進行采樣，采樣周期為156μs。ARM7內部的A／D是8路輸入的10位逐次逼模一數轉換器，由于它可以對電流和電壓進行同步采樣，而且精度比較高，所以本設計沒有再使用其它外圍A／D芯片。

1.3存儲器和時鐘電路

存儲器主要由三星公司的NAND FLASH存儲器芯片組成.NAND FLASH是容量為16 MB的非易失閃爍存儲器芯片，可用于存放采集來的數據和已備上傳的歷史數據。

時鐘采用PHILIPS公司的PCF8563芯片。該芯片具有低功耗CMOS實時時鐘／日歷，而且外圍接口簡單，精度和可靠性高，工作穩定。芯片最大總線速度為400 kbits／s，每次讀寫數據后，其內嵌的字地址寄存器會自動產生增量。PCF8563有16個8位寄存器，并有可自動增量的地址寄存器、內置32.768 kHz的振蕩器（帶有一個內部集成電容）、分頻器（用于給實時時鐘RTC提供源時鐘）、可編程時鐘輸出、定時器、報警器、掉電檢測器和400 kHz的I2C總線接口等；同時具有計秒、分、時、星期、日、月、年以及閏年補償功能，可用二進制數碼和BCD碼表示時間、日歷和定鬧。安上鋰電池以后，斷電情況下可以十年不丟失數據，功能上完全可以滿足本裝置的需要。

1.4通訊電路

本產品采用了兩路通訊電路，一路為RS-485總線接口，另一路為RS-232總線接口。RS-485總線接口的總線收發器使用SP3485。SP3485是一個3.3 V的低功耗半雙工收發器，它完全滿足RS-485串行協議的要求，符合RS-485的電氣規范，數據傳輸速率可達10 Mbps（帶負載）。由于RS-485總線所占用的IO口線與UART0的口線是復用的，所以，在進行RS485總線通信時，必須停止UART0接口的通信。RS485通信的方向由P2.16控制，當P2.16為低時，核心板接收總線數據；當P2.16為高時，核心板向總線發送數據，其電路圖如圖3所示。

RS-232總線接口的總線收發器使用SP3232E。SP3232E系列芯片是一個2驅動器／2接收器的低功耗器件，SP3232E有一個高效電荷泵，工作電壓為3.3 V時，只需0.1μF電容就可以進行操作。電荷泵允許SP3232E系列器件在3.3～5.0 V內的某個電壓下發送符合RS-232的信號。由于本產品是3.3 V系統，因此使用SP3232E進行RS232電平轉換，其電路圖如圖4所示。

1.5其它電路

為實現測控儀的功能和采集變壓器油溫等直流量，測控儀硬件電路還應包括鍵盤接口電路、看門狗電路、直流采樣電路等。其中，鍵盤接口電路可直接用鍵盤掃描輸入電路來實現輸入數據功能，并通過128×64點陣液晶顯示來顯示各數據和圖形；看門狗電路由MAX705構成，如果在1秒鐘內沒有收到低電平信號，它將發出一個復位信號給ARM7，以使系統復位；直流采樣電路主要實現變壓器溫度等直流量的采集和測量，測控儀采用250 Ω的采樣電阻來將4～20 mA電流信號變為1～5 V電壓信號來檢測油溫等。

2、采樣數據的處理

現場實測信號所包含的大量噪聲干擾和高次諧波會引起諧波測量、頻率測量等方面的誤差，對于FFT算法如果采樣值不能均勻分布在信號周期內，也將造成頻譜泄露，從而帶來很大的測量誤差，所以對采樣數據必須進行處理。

2.1噪聲的處理

電力系統中的各種噪聲一般可以認為是隨機性白噪聲。這些年，相繼有學者提出過許多消除噪聲的方法，如小波變換法等。小波變換在時頻域同時存在時具有良好的局部化特性，可根據信號不同頻率成分自動調節取樣密度，從而實現對信號消噪處理。但是小波變換在頻譜分析方面沒有明顯優越性。考慮到測控儀的改進重點是增加諧波功能以及ARM7硬件對FFT的方便性，本設計依然采用FFT為基本算法來尋求基于FFT算法的消噪方法。采用FFT算法消噪可以在窗函數上做文章，可以參考使用余弦窗來提高精度的思路，以及正弦信號自相關函數為同頻率的余弦函數，而白噪聲函數的自相關函數幾乎為零的特性來消除白噪聲。采用加余弦窗函數方法進行修正可以減少信號中的白噪聲影響，提高測控儀的諧波測量精度。其周期信號X（n）=sinωn的自相關的函數為：

2.2頻譜混疊的防止

諧波測量中要處理的信號是采樣和A／D變換得到的數字信號。要獲得準確的FFT運算結果，必須滿足Nyquist采樣定理，以防止頻譜混疊造成的測量誤差。防止頻譜混疊通常是用模擬濾波器濾除采樣頻率fs一半的高頻信號，但由于模擬濾波器在低頻帶難以保證較好的物理特性；而本測控儀的采樣頻率又較高，因此，可采用模擬濾波器和數字濾波器相結合，同時考慮諧波測量范圍的方法來減少頻譜混疊的影響。

2.3同步采樣處理

根據FFT的原理要求，采樣點應均勻分布在一個信號周期內（即實現嚴格的同步采樣），否則會引起信號頻譜泄露，從而造成測量誤差。由于硬件同步技術結構復雜，它會提高測控儀制造成本，因此，本文采用軟件同步來實現同步采樣。軟件同步實質是一種補償方法，主要思想是采用軟件方法來跟蹤信號頻率的變化，并利用可變窗函數來實現信號周期的同步采樣，以減少頻譜泄露造成的誤差。軟件同步的關鍵是如何實時檢測和確定信號的頻率。 該測控儀采用復序列FFT和鎖相環來直接對電壓或電流信號采樣值進行處理，然后配合數字濾波技術求得信號過零并得到信號頻率，從而實現對信號的同步采樣，同時完成信號頻率的測量。這種檢測和確定信號頻率的方法計算簡單、跟蹤速度快、測控儀的采樣率較高，能夠得到較高的測量精度，完全可以滿足工程實際的需要。

3、測控儀軟件設計

依據上述數據處理思路和數據采集、參數計算的算法，下面介紹該測控儀的軟件設計方法。

3.1軟件設計思路

新改進和研制的測控儀在保留原來電容投切、運行參數監測、電量采集等功能基礎上，由于還要增加諧波等電能質量指標監測，因而軟件涉及的算法較多，數據處理工作量較大；另外，ARM7不同于單片機，軟件的結構也比較復雜，因此，本測控儀的軟件設計采用模塊化結構。為了提高程序代碼效率、滿足實時性要求，該測控儀采用C語言語言編程，整個測控儀軟件由主程序和多個應用子程序組成。

主程序來完成硬件初始化、硬件自檢和循環操等功能；子程序包括數據采集處理、電容器投切控制、電量和運行參數計算、電能質量監測、上位機串行通信等程序。主、子程序采用中斷方式實現數據的讀取和處理，程序設計采用由頂向下、逐步細化的結構化設計方法。

3.2 FFT的實現

實現FFT時，必須解決數據溢出問題。由N點DFT計算公式：

在進行DFT運算時，如果不采取一定的措施，溢出是不可避免的。為了避免FFT運算數據溢出，可對DFT蝶形運算單元的中間結果進行歸一化處理。下面是對FFT蝶形單元的中間結果：

設A和B為歸一化的輸入，那么，在復數時間抽取FFT運算時，Cr、Ci、Dr、Di的最大值為：1+cos45°+sin45°+2.414。而在實數DIT的FFT運算中，Cr、Ci、Dr、Di的最大值為2，因此，可在每一級FFT計算中。事實上，用因子2進行歸一化。對ARM7運用芯片的移位特性和用2歸一化，不會增加任何運算量。這樣，如果FFT包含M級，則輸出相當于除以2M=N。其中N為FFT的長度。

3.3諧波參數的計算

參數計算采用N=128點FFT算法，計算結果依次存放為A0、B0、A1、B1、……、An、Bn。其中An為n次諧波的實部，Bn為n次諧波的虛部。這樣，即可計算出各次諧波的（以電壓為例）相角、幅值和諧波畸變率、含有率等指標：

這樣，依據計算的電壓、電流和相角，便可計算電網的有功功率、無功功率、功率因數、電力電量等各種參數值，從而按照相關策略實現對電容器等設備的控制。各種監測數據和運行狀態還可送計算機中長期保存，并可對數據進行進一步的分析，實現配電監控管理。

4、結束語

依據供電企業對配電測控功能的新要求，本文以PHILIPS公司的LPC2220FBM144芯片為核心，充分運用ARM7強大的運算能力，給出了新一代配電綜合測控儀的研制方法。實際使用證明，其采用的算法和實現技術是完全可行的。

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