基于快速传输海量存储的电能质量监测系统

摘要 根据对传统电能质量采集装置的分析和研究，文中提出了基于CAN总线的电能质量监测及数据存储系统的设计方案。该装置主要针对数据的大量和可靠性传输，设计了一种基于CAN总线的快速数据传输平台，有效地实现了基站与上位机系统之间的数据通信；同时利用U盘读写模块，使装置外扩了大容量移动硬盘，实现了数据的海量存储。另外，给出了数据采集、锁相倍频、数据通信等模块电路。测试表明，各项指标达到设计要求，方案有效可行。
关键词 电能质量；DSP；CAN总线；数据存储

随着电力电子设备的应用领域越来越广，导致用电负荷加大，其中一些冲击性、非线性负荷使得电网中电压波形畸变，电压波动、闪变和谐波含量增加等问题时有发生，电网受到严重污染；另外，随着精密和复杂电子设备的大量应用，对电网电能质量的要求也越来越高。因此如何提高电能质量是电力企业面临的一个重要课题，而对电能进行实时监测是提高和改善电能质量的一个重要组成部分。
目前已有的电能质量监测设备基本实现了对数据的采集、传输以及分析处理功能，只是在各功能实现的方式上有所不同。文献分别采用虚拟仪器技术、DSP+MCU双CPU设计以及在LPC2478上移植μC／OS-Ⅱ操作系统技术来实现对电能质量的监测，其中与外部的通信部分采用RS-232、红外、RS-485等通信方式。
通信技术是研究与开发电能质量监测系统的关键技术之一，其通信性能也直接影响着整个电能质量监测系统的性能，这样对数据的传输速率以及传输可靠性方面提出很高的要求。由于CAN总线在性能、可靠性等方面的突出优势以及可高速、长距离传输等特点，使之特别适合现场监控设备的数据通信。因此，采用CAN总线来构建电能质量监测系统的通信网络，可有效地实现大量数据高速可靠地传输。同时，以往在线式电能质量监测装置的存储容量较小，而本装置利用U盘读写模块，使装置外扩更大容量的移动硬盘，实现了数据的海量存储。针对以上需求，提出了一种基于CAN总线的电能质量监测及数据存储系统的设计方案，经实验测试证明了该方案的有效性。

1 系统工作原理
该系统采用双DSP作为核心，将采集到的数据进行A／D转换后输出给主DSP，主DSP分析处理后连同原始数据一同发送到CAN总线上，CAN-bus转以太网模块从总线上读取数据上传至上位机进行分析处理，通过图表显示、统计、分析，实时显示电能质量的健康状况。辅DSP从总线上读取数据后进行压缩，通过U盘读写模块将数据存到大容量移动硬盘里。系统工作原理，如图1所示。

2 系统的硬件设计
2．1 CPU与A／D芯片的选取
根据系统工作需要，CPU既要有快速数据处理能力又要有丰富的外设控制功能，选取TI公司的TMS320F2812，这是一款用于控制的高性能、多功能、高性价比的32位定点DSP芯片，最高可在150 MHz主频下工作。F2812片内集成众多资源，本系统主要利用其快速处理和不同于其他CPU的增强型eCAN总线接口和事件管理器(EV)功能，选择双CPU主要是根据工作需要，主CPU完成数据采集、处理和发送，而辅CPU完成数据压缩和存储。A／D芯片选用TI公司的高性能A／D转换芯片ADS8364。该芯片是一款高速、低能耗、6通道同步采样，单+5 V供电的16位高速并行接口的高性能A／D转换芯片，其不论在精度、速率还是采集方式上都符合本系统设计要求。
2．2 数据采集模块
数据采集模块主要完成系统对三相电压、三相电流的实时而精确的数据采集，为以后各项指标的计算分析提供可靠的数据资源。
2．2．1 电压、电流互感器
为尽可能使采样到DSP的信号逼近于原始信号，还应选择合适的电流、电压变换器进行测量和转换，使信号调整为适合A／D转换的要求。设计采用上海和华电子科技有限公司生产的电流型电压互感器SPT204A和电流互感器SCT254FK。