摘要：  针对电能质量监测系统对谐波检测装置数据处理实时性的要求，在原有工控机和数据采集卡构成常规检测系统的基础上，提出了基于数字信号处理器的嵌入式系统硬件平台和软件平台实时优化性方案；该优化方案基于嵌入式数字控制芯片TMS320F2812，深入分析了数据采集与实时性、软件算法与实时性、慢速设备与实时性等的实现，大大提高了数据处理的实时性。由此研制了一台嵌入式谐波检测装置，并进行了实验，结果验证了该系统实时数据处理优化方案的可行性和可靠性。

关键字：  电能质量，谐波检测，数字信号处理，嵌入式系统，实时优化

1 引言
电能质量问题目前引起了人们的普遍关注，现有电力系统中，大量非线性设备的应用，产生了大量的谐波，使得电流或者电压发生畸变，电能质量严重下降，给电网中其它设备的安全可靠运行带来了极大的危害；同时也给传统测量方法及常用工频仪表的使用带来了一系列的影响。为满足电力系统故障诊断和保护的要求，谐波的监测不仅表现在电压、频率和电流等稳态指标，还应该包括其他实时信息，如瞬时扰动和暂态谐波等，且要求系统能够实现现场实时监测，具备对电网问题的快速捕捉能力。
现在谐波检测设备大多采用的是工业计算机配备数据采集卡来实现电能质量的数据采集和分析，主要针对稳态指标进行检测，系统的实时性难以保证，智能化和网络水平也不高，且成本很高。由于当前检测方法理论和技术水平的限制，现有谐波检测设备存在着很多不足：①由于采用了工业计算机进行计算分析，设备成本变高，体积庞大，不易进行野外作业；②远程通信能力有限，不容易实现远程监控、存储和访问；③检测手段缺乏，尤其针对间谐波，检测的精度降低；④动态实时件差，不具备对瞬时电压或者电流畸变进行检测的能力。正是由于上述谐波检测设备本身的不足，影响了整个系统功能的实现。因此，高速采集数据的情况下，保证数据处理的实时性和精确性，一直是该领域研发人员的努力方向[1-10]。
本文在对目前谐波检测设备研究的基础上，从谐波采样处理、检测计算方法、实时分析处理优化的角度，提出了基于数字信号处理器的嵌入式系统硬件平台实时优化性方案，同时应用广义dk-qk坐标变换谐波检测算法[11，12]研制了一台嵌入式系统的样机，实验结果验证了该系统实时处理优化方案的可行性和可靠性。
2 嵌入式谐波检测系统
常规的谐波检测系统往往集中在一些电压、电流等静态指标的检测，无法完成其他关键参量的全部检测；而根据电能质量对谐波检测设备的要求，谐波检测设备必须具备实时性，并且能够实现数据处理的智能化，降低对数据存储量的要求；具备强大的数据通信能力，能够将实时检测的数据发放到数据共享模块，比如信息管理系统或者互联网，可以实现远程数据查询，具备对突发事件的预警与应急处理能力。为满足上述检测设备的要求，提出基于DSP的嵌入式谐波检测系统，如图1示。
从图中可见，该嵌入式系统具有以下特点：
(1)哈佛总线结构，地址数据线独立；流水线作业，实时处理数据的能力比较强；
(2)兼用C语言和汇编语言的特殊指令系统，为精确实现各种控制和检测算法提供了保证；其中C28X系列为世界上代码执行效率最高的DSP[17]；
(3)DSP实时处理内核(real-time processing kernel)具备多任务处理性能，可同时实现数据收集，分析与通信[20]；
(4)体积小，功能强大；能够实现单机特定环境运行，适合野外作业；同时也可以与上位机结合可以实现数据的共享与远程通信。
3 嵌入式系统性能优化分析和设计
3.1 数据采集与实时性
影响系统实时性的关键模块是数据的高速采集。常规检测系统都是依靠专门的数据采集卡连接工控机，比如基于PCI总线的高精度数据采集系统、基于VXI标准总线的虚拟仪器技术及基于PXI标准总线的数据处理技术等等，这些系统可以保证谐波检测系统的高精度采样，但是采样频率受到了软件实时处理能力的影响，使得对工频周期内的点数的采集受到限制。采样点数越少，时间间隔Ts变大，就容易出现频混现象。
图2是采用锁相环技术高精度的采样电路，它与高性能嵌入式芯片(TMS320F2812)结合可以实现对电网数据的高速同步采样。该设计使用采用锁相环频率倍增技术来控制采样的定时和速率，从根本上消除因采样不同步而造成的误差，其中分频器的分频系数也可以设计为程控可调，可以根据不同频率的被测信号及MCU、A-D转换器的速度，动态改变，以达到最好的采样效果。
表1是TMS320F2812数据采集与通用数据采集卡(ISAHGl6AD)性能比较情况。
表1  与通用数据采集卡性能比较
项目 F2812 ISA-HGl6AD
分辨率 0.61mV 0.61mV
转换通道 8 or 16 8 or 16
转换时间 0.08μs（可调） 8μs
输入范围 0-3V ±10V（可凋）
A-D时钟 25MHz（可调） 2MHz
触发模式 S/W，EVA EVB，外部引脚 程序控制DMA，中断
转换速率 100kHz(max) 100kHz(max)
工作温度 -40℃～+85℃ 0℃～60℃
采样频率 12.5MHz(max) 0.5MHz

从表中看出，DSP嵌入式芯片数据采集性能跟数据采集卡相比具有明显的优势。例如根据国家对谐波测量仪器的要求，A级测量仪器要分析到50次谐波，采样定理要求采样频率必须大于被采样的模拟信号频谱中最高频率的两倍，如果工频周期采样的点数为256，那么所要求的采样频率为：
256×50×50=640kHz
如果是“三相同步采样”采集三相电压信号，采样频率至少是1.92MHz，通用数据采集卡无法作到。因为通用数据采集卡需要在数据被转换完成后，先送到工控机的系统内存，无形中加长了数据转换传送的时间，相对缩短了数据处理时间，由此与数据处理的实时性要求相悖。而嵌入式系统采用中断方式，首先发出启动A-D转换的命令，然后继续执行主程序，当A-D转换结束时，则通过接口向CPU发出中断请求，请求CPU暂时停止工作来取转换结果，同时进入主中断子程序执行滤波、检测算法等相关程序，等相关中断程序完毕后，进而执行原来被中断的程序，这样就大大提高了数据处理的效率，从而提高了实时性。
此外，在A-D转换器的位数已经确定的情况下，为保证采样精度必须增加采样点数，基于DSP的高速采样模块在满足实时性的前提下可以增加单个工频周期内采样的点数，采样频率较高；通过锁相环倍频进行严格的等间隔同步采样，精确度较高，可以实现数字高速精确采集与数据处理的实时协调优化。[#page#]
3.2 软件算法与实时性
系统软件算法是实时数据处理的核心，它包括谐波检测算法、滤波程序算法、检测参数显示以及各种外部中断等处理算法。实时数据处理的时间就是这些软件算法在系统的中的执行时间；合理分配这些程序执行的时间，优化各种算法程序成为系统数据实时性处理的关键。
高速数据采集与软件实时处理时间之间的关系如图3所示，图中t1代表数据系统高速采样的时间间隔，t2和t3分别为数据分析处理时间和系统执行其他相关子程序的预留时间，t3的作用是为系统软件的人机操作和电网瞬时扰动带来的各种中断预留时间。
为满足系统实时同步的要求，t2和t3的时间总和应该得到合理的设计，以使得采样中断所得到的实时数据得到及时的处理，避免t2+t3t1。根据实际的实验设备设计程序，一般的软件执行程序应该有以下关系：
t2+t3=ttr+tfilter+tmath+tvis+tdis
其中，tttr、tfilter、tmath、tvis和tdis分别代表采样数据转换传送时间、滤波算法执行时间、检测算法执行时间，检测参数显示更新时间及其各种扰动中断相应子程序相应执行时间。为满足实时性，这些事件的算法应该尽量得到优化，而这些事件执行的时间又与系统的处理效率有着密切的联系。
工业控制计算机主要是依靠软件开发工具如VC++、Labview、Matlab等软件平台来处理相关数据，而DSP嵌入式系统则是依靠CCS等系统开发工具，其中C28X系列的内核运算精度达到32位，系统处理能力达到了150MSPS，同时还支持IQ变换库函数，且可以实现在一个周期内完成对任何内存地址的读取、修改、写入操作，使得效率及其程序代码达到最佳，此外还提供了多种自动指令提高了程序的执行效率，简化了程序的开发，因此CPU执行效率相对较高。嵌入式系统中Q格式的应用更是为系统的快速运行、实现系统数据处理的实时性提供了保证。
系统实时处理数据的能力表现在6种运算的处理时间上，表2为工控机VC++6.0与DSP(TMS320F2812)嵌入式系统执行不同的单步运算的时间。
表2  VC++与DSP(C/C++)执行单步赋值运算比较(μs)
开发工具 处理时间/μs
 sin cos 加法 减法 乘法 除法
VC++ 2.730 3.138 0.456 0.460 0.456 0.468
DSP 1.094 0.514 0.020 0.020 0.027 0.050

注：工控机配置：Pentium(4) CPU 2.00GHz，512M内存，浮点型，150MSPS，flash128K*16内存，处理器长度32位。定点型，CCS2.2编译工具。
另一方面，使用嵌入式系统进行软件优化时的目标跟使用工控机是相似的，优化的方法是尽量减少数据转换的时间，缩短上层转换程序和底层驱动的通信时间，同时优化对慢速设备的访问时间。在保证了高速采样和数据处理程序快速响应后，电能质量检测算法的选择直接关系到系统的实时性，本文所采用的是基于三相广义dk-qk旋转坐标变换谐波检测算法而研发的单相谐波检测算法，它可以实时动态的检测出各种次数的谐波，包括间谐波；检测原理如文献[16，17]介绍；很多离散傅里叶变换(DFT)算法或者FFT算法必须在所采集的N个数据点全部准备完毕后方可进行计算；而该检测方法可以对实时采样点进行单个计算，汁算量相对较少，这样就会减少CPU对实时数据采集的等待时间，提高了CPU的效率。广义旋转坐标与其他检测方法及滤波算法执行时间如图4所示：
根据各种数字滤波程序执行时间的比较结果，嵌入式系统用的是四阶贝塞尔数字滤波器，它与上述谐波检测算法配合执行时间比较短，有利于实时性的实现。
系统软件的存储配置也是嵌入式芯片实现软件优化运行的一个重要方面。根据器件型号和系统配置的不同，DSP对不同存储单元的访问速度是有所区别的；其中对片内寄存器的访问速度是最快的，片外RAM的访问相对较慢。因此合理的配置和使用存储空间对系统整体效率的影响很大。通过对DSP模块CMD文件的配置，一般应该将访问比较频繁的常数表和代码段装入片内RAM，不常用的转移到片外RAM。
3.3 慢速设备与实时性
基于谐波检测装置的基本要求，对于各次谐波的特征参数应该可以用适当的方式进行显示和设定，具备良好的人机互动界面；具备对未来电力故障预警的能力；同时要具备强大的数据通信能力，能方便继承到企业信息管理系统和互联网上，可以进行远程网络查询，以便于为电能质量进行更深入的分析；存储实时检测数据为长期评估和预测电能质量提供可靠支持。上述功能的实现需要用很多的慢速设备，如键盘、液晶显示器、串口通信设备等。
根据实时性的要求，这些慢速设备由于运行时序的限制不能将其放入到采样中断服务子程序中，最典型的慢速设备是液晶显示器的连接。根据以往嵌入式系统的设计，文献[1]采用的是DSP和MCU组成主从式结构，用MCU与液晶屏连接，因为MCU的时序间隔时间与液晶屏相似，所以解决时序问题相对比较简单；这种结构可以有效的发挥DSP的功效和MCU的特长，可以保证系统资源有一定程度的冗余，便于今后系统功能的升级，但是系统复杂，相对单机系统成本较高，并且网络化和智能化水平有待进一步的提高。文献[17]采用的是在DSP外部采用CPLD芯片来扩展硬件自动延时等待电路以满足液晶显示屏的要求，它充分考虑到了F2812芯片的执行速度快的特点，通过延长XREADY信号来延长读写周期，使之与液晶屏幕的使能的高电平信号相匹配的。但是这种电路使得系统硬件结构变得相对复杂，系统的稳定性也受到一定的影响，同时外部自动延时电路对高速芯片的流水线运行周期有所影响，使得CPU的执行效率相对降低。 
本文考虑TMS320F2812芯片其CPU核心频率为150M，如果工频周期采样的点数为256，那么对于本设计系统的硬件来讲，两个相邻的采样间隔的时间为78μs，那么在此时间内DSP最快可以执行11718条指令，这为系统实时性的实现提供了保证；且该类型嵌入式芯片IO口资源丰富；因此可以利用IO口模仿液晶屏幕的读写时序来实现DSP与液晶的并口连接，连接如图3所示。
这种连接方式可以优化嵌入式芯片的流水线操作，减少流水线的等待时间，避免流水线在执行程序指令时发生冲突；值得特别指出的是由于转换芯片的方向使能端在硬件连接时是固定的，因此液晶屏在此用法下只能进行写操作。同时为了保证这些程序不影响实时性，将其放入到主程序循环中来实现且要求使用的液晶的读写使能时间应该尽量的缩短，以满足实时性的需求。[#page#]
4 工程应用
将上述的优化方案应用到实际的检测装置中，优化后的硬件框图如图6，软件执行框图如图示7。
为最大限度节约硬件成本，充分优化软件算法，缩短程序执行时间，将上述优化方案应用到实际谐波检测系统中，硬件系统配置如下表所示：
    表3  硬件优化配置
硬件 优化配置
嵌入式芯片 TMS320F2812
采样模块 锁相环同步采样电路
键盘 行列式扫描键盘
液晶显示屏 (TRULY)MCG12864lA8
扩展RAM 39VF400

软件系统算法的优化配置如表4所示。
由于定点DSP在执行浮点运算时的局限性，该系统精度有待于更进一步的提高，且同时由于实验时，电网频率波动和实际实验设备的影响，当波形发生畸变时，检测的精度有所降低。基于DSP的嵌入式系统的工程检测数据如表5示。
表5 工程实际测量数据
测量项 数值 精度/％
电压有效值/V 99.0～100.5 1
电流有效值/A 4.6～5.3 1
频率/Hz 48.6～52.0 1
特征次电流谐波含量/％ 20～25 4.0
功率因数 0.88 1
有功功率/W 430.6 2.0
无功功率/Va 87.6 2.0

5 结语
(1)基于谐波检测设备要求实现系统实时性的基础上，本文提出了一种利用数字信号处理的嵌入式系统来代替工控机和数据采集卡的优化方案。
(2)提出了系统软硬件优化方案，进行了实时性能优化比较，研制了一台基于该优化方案的谐波检测系统，并进行了试验。实验结果证实了该优化方案的可行性和可靠性。
(3)在最大节约成本的基础上，整个系统基于模块化思想，实现了实时性能与精度之间的协调优化，从而使得对系统主要性能指标的检测得以实现，可靠性增强。
(4)该实时优化方案的可行性和可靠性证明嵌入式平台在谐波检测系统研发中具有良好的推广价值。

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作者简介
陈良刚，男，1982年生，硕士研究生，研究方向为电力电子系统与装置。
张波，男，1962年生，博士，教授，博士生导师，从事电力电子装置和系统的研究工作。