電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)和車載應(yīng)用詳解

針對城軌車輛電壓電流功率等監(jiān)測的應(yīng)用需求，吉隆坡中車維保有限公司的研究人員宋杰，在2020年第11期《電氣技術(shù)》雜志上撰文，設(shè)計了一種由嵌入式電能質(zhì)量檢測設(shè)備和數(shù)據(jù)處理模塊組成的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)。

檢測設(shè)備集成了變壓整流模塊和霍爾電流傳感器，實現(xiàn)交流電壓和電流的實時檢測；檢測設(shè)備可采用液晶顯示屏模塊實時顯示電壓、電流、功率等參數(shù)；檢測設(shè)備通過通用異步收發(fā)傳輸器和安全數(shù)字存儲卡分別實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的實時輸出和實時記錄。

本文給出了基于離散傅里葉變換算法的諧波分析理論推導(dǎo)。結(jié)合對檢測設(shè)備輸出的三相電壓數(shù)據(jù)，以空調(diào)柜三相電壓監(jiān)控繼電器模塊測試為例，本文介紹了基于離散傅里葉變換算法的諧波檢測方法。

應(yīng)用案例表明，通過定制化設(shè)計，該電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)滿足了應(yīng)用需求，可在電壓不高于三相400V的交流檢測環(huán)境中應(yīng)用。

在工業(yè)現(xiàn)場和實驗應(yīng)用中，需要對電源或線路電能質(zhì)量、電源穩(wěn)定性進行監(jiān)測和記錄，對故障線路進行故障分析、排查和處理等。萬用表、電流表、示波器等可在一定程度滿足應(yīng)用需求，但均有其使用限制，例如萬用表和電流表只能實現(xiàn)部分電氣參數(shù)的實時測量，無法進行記錄；示波器由于輸入端為共地接口，難以滿足同時測試多路交流電壓的要求。專業(yè)廠商的專業(yè)電能質(zhì)量記錄儀可滿足電能質(zhì)量檢測需求，但價格高昂，難以滿足特定應(yīng)用要求或定制化需求，例如車載運行記錄等。

在車載應(yīng)用時，需要長時間記錄部件的用電或供電情況，例如，連續(xù)記錄城軌車輛上電后車載空調(diào)運行的用電數(shù)據(jù)，以確定空調(diào)斷路器故障；實時連續(xù)記錄車載電機的用電情況，以預(yù)防車輛運行過程中可能的軸承固死等故障。

車載系統(tǒng)異?；蚬收显蛑饕婕胺蔷€性負載、電容器投切、大功率負載運行和起停、設(shè)備因素等。對于電能質(zhì)量的測量，主要涉及表征電能及其特征的主要參數(shù)，包括電壓、電流、頻率、功率、諧波、電壓波動、三相不平衡等。

1系統(tǒng)設(shè)計

結(jié)合實際應(yīng)用需求，設(shè)計了一種由嵌入式電能質(zhì)量檢測設(shè)備和數(shù)據(jù)處理模塊組成的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)。檢測設(shè)備實現(xiàn)電能參數(shù)的實時檢測、記錄和輸出、處理和顯示，以及進行異常檢測。數(shù)據(jù)處理模塊對記錄和輸出的檢測數(shù)據(jù)進行進一步的數(shù)學處理，運用一定的算法，實現(xiàn)電能相關(guān)表征參數(shù)數(shù)據(jù)的計算和輸出，以及進行異常分析。

1.1檢測設(shè)備設(shè)計

檢測設(shè)備的核心采用集成了多種通用接口的嵌入式處理器。檢測設(shè)備通過高速模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊實現(xiàn)電壓電流數(shù)據(jù)的實時采集；采用集成顯示存儲的液晶顯示屏（liquidcrystaldisplay，LCD）模塊顯示系統(tǒng)信息和參數(shù)信息；采用安全數(shù)字存儲卡（securedigitalmemorycard，SD）存儲測試數(shù)據(jù)；采用通用異步收發(fā)傳輸器（universalasynchronousreceiverandtransmitter，UART）實時輸出檢測數(shù)據(jù)。

該處理器通過串行外設(shè)接口（serialperipheralinterface，SPI）與LCD顯示模塊的通信，通過SD主控制器采用1位模式（1-bitmode）實現(xiàn)SD存儲模塊訪問，采用輸入輸出接口（input/output，IO）實現(xiàn)按鍵輸入功能和有機發(fā)光二極管（organiclightemittingdiode，OLED）狀態(tài)顯示功能。檢測設(shè)備功能框圖如圖1所示。

圖1檢測設(shè)備功能框圖

1.2電壓檢測和電流傳感器

電壓檢測部分采用變壓整流的方式將中高壓交流電變換為易于安全測量的低壓電。系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境為AC400V及以下，故采用變壓器實現(xiàn)從AC400V至交流低壓（例如AC24V）的電壓變換。

本設(shè)計中，變壓器的電壓測試數(shù)據(jù)如下：①數(shù)據(jù)1，一次側(cè)AC242.22V，二次側(cè)14.22V；②數(shù)據(jù)2，一次側(cè)AC415.8V，二次側(cè)24.48V。因此，可確定變壓系數(shù)約為17.0。變壓器的測試參數(shù)一次側(cè)電阻276.0Ω，二次側(cè)電阻1.1Ω。

考慮到盡量保障測試數(shù)據(jù)的完整性和不失真，并且便于后續(xù)算法處理，因此，采用橋式整流電路對變換后的AC24V電壓進行整流，并采用分壓電路使被測信號符合嵌入式處理器模擬量輸入接口的要求。交流電壓轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。對于三相電壓的同時檢測，需同時采用3個圖2所示的電路，可以采用相電壓檢測或線電壓檢測的方式連接，前者需要采用共地連接。

圖2交流電壓轉(zhuǎn)換電路

基于圖2的分壓參數(shù)和變壓器的測試參數(shù)，考慮到嵌入式處理器模擬量輸入接口的電壓范圍［0V，VREF］，其中VREF［1.0V，3.3～0.6V］，在忽略整流電路誤差影響情況下，可計算出檢測設(shè)備的電壓測量范圍［0V，657.33V］，該最大測量電壓大于三相系統(tǒng)標稱電壓（AC220V/380V）的最大線電壓值537.32V。該設(shè)備電壓檢測范圍符合本系統(tǒng)的應(yīng)用要求。對于更大范圍電壓的檢測，可通過調(diào)整分壓電阻和更換變壓器實現(xiàn)。

檢測設(shè)備電流檢測采用開合式懸掛安裝、非接觸式的霍爾開合電流傳感器。該電流傳感器通過測量磁通量的方式確定被測對象的電流，并以模擬電壓輸出的形式表征被測電流的大小。對于模擬電壓輸入不符合嵌入式處理器模擬量輸入接口電壓范圍時，可采用圖2所示的分壓電路，參照驅(qū)動電流大小，確定合適的分壓電阻值，實現(xiàn)電平的轉(zhuǎn)換。

電流傳感器的量程需符合被測系統(tǒng)或設(shè)備的電流等級。檢測設(shè)備采用的霍爾電流傳感器參數(shù)如下：供電電壓+5V，額定模擬量輸出為2.5±0.625V，電流消耗小于40mA，精度1%，線性度1%，響應(yīng)時間小于3?s；輸入電流測量范圍可選，從±20A到±500A。

1.3數(shù)據(jù)處理模塊

系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理模塊可分為兩部分，分別是檢測設(shè)備數(shù)據(jù)處理部分和電腦及軟件（上位機）數(shù)據(jù)處理部分。檢測設(shè)備實時測量被測對象的電壓和/或電流，并對所測量的數(shù)據(jù)進行實時處理分析，例如計算線路的線/相功率；檢測設(shè)備采用LCD顯示模塊實時動態(tài)顯示被測對象的電壓、電流和功率等。檢測設(shè)備通過UART接口實時輸出測量數(shù)據(jù)至上位機或采用SD存儲卡記錄測量數(shù)據(jù)。

檢測設(shè)備輸出或SD存儲卡記錄的測量數(shù)據(jù)在導(dǎo)入電腦（上位機）后，可對測試數(shù)據(jù)進行進一步的處理分析，例如功率計算、諧波分析、故障檢測等。采用離線方式對檢測設(shè)備輸出或SD存儲卡記錄的測量數(shù)據(jù)進行處理，實現(xiàn)系統(tǒng)功率計算，判斷電壓波動、三相不平衡等異常狀況，并采用離散傅里葉變換（discreteFouriertransform，DFT）等算法實現(xiàn)諧波分析等，進而從整體上實現(xiàn)全面的被測線路電能質(zhì)量分析。

2檢測設(shè)備實現(xiàn)

2.1電壓和電流檢測接口

檢測設(shè)備將電壓傳感器（變壓器）集成于檢測設(shè)備控制盒內(nèi)，采用1500V絕緣電壓等級的表筆線纜或線卡線纜，表筆或線卡連接被測設(shè)備，線纜通過線纜插孔連接變壓器。電壓測量時，被測量信號經(jīng)過從表筆或線卡到變壓器再到整流分壓電路的測量線路進入嵌入式處理器的模數(shù)轉(zhuǎn)換接口。電壓測量線路如圖3所示。

圖3電壓測量線路

為了保障測試準確度和方便數(shù)據(jù)處理，檢測設(shè)備采集頻率較高，以保障檢測的數(shù)據(jù)為同一時刻的電壓和電流信息。

電能質(zhì)量檢測設(shè)備接口板如圖4所示，接口板提供電流傳感器接口和變壓器接口，并集成了整流及分壓模塊；接口板提供SD存儲接口，并具有功能配置接口。

圖4電能質(zhì)量檢測設(shè)備接口板

2.2SD存儲模塊

檢測設(shè)備采用SD存儲卡存儲數(shù)據(jù)。嵌入式處理器通過SD主控制器接口連接SD存儲卡，采用1位模式實現(xiàn)SD存儲卡數(shù)據(jù)的讀取和寫入，實現(xiàn)測試數(shù)據(jù)及參數(shù)的實時存儲。SD存儲卡與處理器連接的物理信號由VCC、GND、CLK、CMD和DATA組成。

檢測設(shè)備采用FatFS文件系統(tǒng)對SD存儲卡進行塊讀寫，提高操作效率。由于軟件實現(xiàn)中未采用實時嵌入式操作系統(tǒng)，檢測設(shè)備采用循環(huán)方式輪詢采樣四個模擬輸入接口的數(shù)據(jù)，在一個采樣周期內(nèi)全部四個接口采樣完成后再統(tǒng)一將數(shù)據(jù)及其時間戳存儲在SD存儲卡或通過UART打印輸出。當某個模擬輸入接口無輸入信號時，檢測設(shè)備也進行采樣。通過應(yīng)用以上多種策略，保障了每個數(shù)據(jù)間隔時間的一致性。

為了避免大文件處理，檢測設(shè)備采用多個文件順序存儲采樣數(shù)據(jù)，具體如下：

1）文件分為數(shù)據(jù)文件和索引文件，數(shù)據(jù)文件用于存儲數(shù)據(jù)，索引文件用于指示設(shè)備目前已操作的文件；最簡單的索引文件內(nèi)容為存儲當前操作的數(shù)據(jù)文件名或序號。

2）順序命名每個數(shù)據(jù)文件名稱，例如：TD000001，TD000002。

3）每個數(shù)據(jù)文件存儲確定數(shù)目的數(shù)據(jù)，例如，2048行數(shù)據(jù)，每行4個采樣數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)之間采用“；”分割，行末換行。

4）當數(shù)據(jù)文件中數(shù)據(jù)存儲滿后，按命名順序新建另一文件，并在該文件中存儲數(shù)據(jù)；同時，更新索引文件內(nèi)容。對于設(shè)備重新起動后開始的數(shù)據(jù)采集，先讀取索引文件內(nèi)容，按命名順序確定新文件名并新建新文件；之后，采用新建的文件存儲數(shù)據(jù)。

參照平臺軟件開發(fā)包中的SD存儲卡操作程序，檢測設(shè)備可實現(xiàn)16GB容量SD存儲卡讀寫，但不支持64GB容量。以C中描述內(nèi)容為例，每個數(shù)據(jù)文件大小為36KB，索引文件大小可忽略，則16GB容量SD存儲卡可存儲約466033個數(shù)據(jù)文件。若以周期1ms采集并存儲四個模擬輸入接口的數(shù)據(jù)，則16GB容量SD存儲卡可連續(xù)存儲265h的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

2.3檢測設(shè)備實現(xiàn)

檢測設(shè)備采用集成CC3200處理器的CC3200-LAUNCHXL平臺作為主控模塊；采用LCD模塊實現(xiàn)LCD顯示功能；采用BoosterPackTM標準擴展頭接口實現(xiàn)電能質(zhì)量檢測接口板、LCD模塊與平臺的連接。

在線監(jiān)測應(yīng)用時，檢測設(shè)備可采用電腦USB接口供電。在該方式下，可通過USB接口直接獲取檢測設(shè)備打印的測試數(shù)據(jù)或計算結(jié)果。車載離線應(yīng)用情況下，一般采用開關(guān)電源將車載電源轉(zhuǎn)換為檢測設(shè)備需要的+5.0V或+3.3V電源。通過定制化設(shè)計，可實現(xiàn)多個電壓、多個電流、或電壓電流組合方式數(shù)據(jù)的同時實時檢測，檢測設(shè)備如圖5所示。

3諧波分析理論（略）

系統(tǒng)采用DFT實現(xiàn)信號從時域到頻域的變換，獲取信號的頻譜信息，進而在頻域上對信號進行進一步分析。理論計算中，以標準正弦波為例。檢測設(shè)備測量的數(shù)據(jù)為整流后的波形，如圖6所示。

圖5檢測設(shè)備

圖6標準正弦波

如圖6中所示波形，對一個周期內(nèi)的信號連續(xù)取樣N點。DFT的時間序列和頻率序列的周期都是N。經(jīng)公式計算，即在交流被測信號點對稱的情況下，對信號半個周期采樣，便可獲取全周期的頻域信號。進一步，可認為在該情形下采用半波整流的方式也可實現(xiàn)諧波分析。

4系統(tǒng)應(yīng)用

4.1測試及分析

在某城軌車輛運用過程中，出現(xiàn)空調(diào)三相電壓監(jiān)控繼電器模塊頻繁故障問題。基于供應(yīng)商溝通意見、故障調(diào)研分析、故障信息統(tǒng)計結(jié)果、空調(diào)柜供電線路分析，初步判斷故障可能是由于設(shè)備投切過程中較大瞬態(tài)電流或浪涌電壓沖擊引起，需要監(jiān)測車輛（空調(diào)）起動后連續(xù)時間（15min、30min等）內(nèi)故障空調(diào)柜內(nèi)空調(diào)三相電壓監(jiān)控繼電器的電壓?？照{(diào)柜空調(diào)三相電壓監(jiān)控繼電器模塊如圖7所示。

經(jīng)測試，空調(diào)電源頻率50Hz，線路相電壓有效值225V，線電壓有效值387V，在1.2節(jié)中所計算的電壓測量范圍內(nèi)。因此，理論和實際均表明，該檢測設(shè)備完全滿足本案例測試要求。針對不同的測試需求和計算要求，可通過設(shè)置檢測設(shè)備的采樣頻率，實現(xiàn)具體的實際應(yīng)用需求。

例如，采樣周期為1ms時，每周期約采集20個點；采樣周期為278?s時，每周期約采集72個點。后者，可以更好地保留被測信號的特征，易于提高測試準確度和計算精度。圖8所示為設(shè)備測試的空調(diào)柜空調(diào)三相電壓監(jiān)控繼電器模塊相電壓（1ms）和線電壓（278?s）的測試數(shù)據(jù)波形。

圖7空調(diào)三相電壓監(jiān)控繼電器模塊

圖8繼電器模塊的電壓測試數(shù)據(jù)波形

圖8給出了工頻信號在不同采樣周期（頻率）下的兩個周期的相電壓和線電壓。從圖8可看出，相比于1ms采集周期的數(shù)據(jù)波形，278?s采集周期的數(shù)據(jù)能更準確地反映實際信號。在278?s采樣周期下，使用筆記本電腦（LenovoP470）通過USB串口獲取檢測設(shè)備打印數(shù)據(jù)時，存在采集數(shù)據(jù)存儲過程中間斷性丟失約2個周期的采樣數(shù)據(jù)的情況；當采用高性能的臺式電腦（ThinkCentreM710t）獲取采集數(shù)據(jù)時，可以避免采集數(shù)據(jù)丟失情況。

所測試的電壓最大值與實際值誤差約為-15V（以Fluke萬用表為參考）。考慮到整流二極管所帶來的分壓誤差情況，優(yōu)化檢測設(shè)備參數(shù)和算法，可實現(xiàn)更為準確的測量。

在測試過程中注意到，該空調(diào)柜為三相三線制，三相電壓監(jiān)控繼電器模塊未有地線接入。當采用本檢測設(shè)備測量單線電壓時（檢測設(shè)備地線接入屏柜地），立即引起空調(diào)三相電壓監(jiān)控繼電器模塊動作和空氣開關(guān)自動斷開現(xiàn)象；當采用萬用表測量單點時（萬用表地線接入屏柜地），未出現(xiàn)該現(xiàn)象。

在本例測試中，引入了實際地，由于虛擬地與實際地有電壓差，檢測設(shè)備接入后就引起較大的瞬態(tài)電流或浪涌電壓，漏電保護設(shè)備檢測到電流變化或浪涌電壓觸發(fā)供電電路斷開。

在本例測試中，由于本檢測設(shè)備引入地線時，引起較大的瞬態(tài)電流或浪涌電壓，與車載空調(diào)三相電壓監(jiān)控繼電器頻繁故障現(xiàn)象一致，更進一步明確了故障可能是由于空調(diào)設(shè)備運用過程中狀態(tài)變換、負載不均衡或設(shè)備投切過程中的較大瞬態(tài)電流或浪涌電壓沖擊引起。

4.2諧波分析

基于測量的交流電壓數(shù)據(jù)，采用DFT進行諧波分析。本例中數(shù)據(jù)采樣周期為1ms時，以整流后測量的電壓數(shù)據(jù)和基于整流后的數(shù)據(jù)恢復(fù)的全周期電壓數(shù)據(jù)為樣本，分別進行32個采樣點的DFT變換。圖9所示為全周期交流信號的DFT。

圖9全周期交流信號的DFT

從圖9可知，1～4倍基波頻率（2?fs/N，fs=1/1ms=1kHz，N=32）的諧波分量為諧波的主要組成，其他頻率諧波分量基本可忽略；考慮到實際應(yīng)用情況，對于所測的較為理想的交流信號，可認為50Hz處諧波分量最大，100Hz諧波分量次之，其他頻率諧波分量基本可忽略。

從圖9（a）和圖9（b）可知，基于整流后的數(shù)據(jù)進行DFT變換，直流分量幅度很大；從圖9（c）和圖9（d）可知，基于恢復(fù)的數(shù)據(jù)進行DFT變換，直流分量幅度相對變小。

圖10半周期交流信號及DFT

圖10為半周期交流信號的DFT。從圖中可看出，半周期交流信號與全周期交流信號的DFT結(jié)果高度相似。

以上分析的被測電壓具有較少的直流分量；對于理想的交流電壓，可認為無直流分量。實際應(yīng)用中，系統(tǒng)或多或少會受到直流分量影響。由于本檢測設(shè)備電壓傳感端應(yīng)用了變壓器，因此，直流電壓分量將被濾除。若需檢測系統(tǒng)的直流分量，需對電流傳感器采集的電流數(shù)據(jù)進行諧波分析。通過第3節(jié)中DFT公式，可知直流分量在頻域中體現(xiàn)在X（0）處。

基于以上理論推導(dǎo)和計算分析，在實際應(yīng)用中，對于檢測設(shè)備采用的全波整流分壓采樣電路，忽略整流環(huán)節(jié)電壓損失的情況下，在一定程度上，可采用對整流后的數(shù)據(jù)進行DFT變換的方式或采用半周期交流信號DFT變換的方式來進行被測交流電壓的諧波檢測。

5結(jié)論

本文設(shè)計實現(xiàn)的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了電壓、電流等參數(shù)的實時檢測、記錄和顯示，可在電壓不高于三相400V的交流檢測環(huán)境中應(yīng)用。本文以空調(diào)三相電壓測試數(shù)據(jù)為例，詳細描述了基于DFT的諧波檢測方法?；跈z測設(shè)備輸出或記錄的監(jiān)測數(shù)據(jù)，系統(tǒng)可以實現(xiàn)離線方式下的全面電能質(zhì)量分析。

在采用集成了更多路模擬輸入接口的嵌入式處理器時，可實現(xiàn)多路三相系統(tǒng)電壓、電流等參數(shù)的同時監(jiān)測。在采用更高性能處理器的情況下，可將離線的數(shù)據(jù)處理功能和系統(tǒng)算法集成到嵌入式處理模塊內(nèi)，實現(xiàn)電能質(zhì)量在終端的實時分析和顯示，這也為后續(xù)工作指明了方向。
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