摘要：本研究的目的是設計一種嵌入式電能質量分析儀。采用了ARM+DSP+FPGA的新型技術，加入了RS485接口、以太網接口，實現了儀器的遠程通信。同時加入了USB接口和SD卡接口，可以實現歷史數據的導入導出、存儲分析。本研究采用大尺寸LCD顯示、人機界面友好、明了。在軟件上采用了Linux系統，使得儀器更加智能化，同時也降低了軟件設計的難度。

0 引言

如今開展電能質量監測、分析與控制己成為國家戰略發展的需要，在《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006—2020年)》中明確將“電能質量檢測與控制技術”列為能源重點領域的優先主題內容，要求有效開展大功率電力電子技術應用、實現電能質量控制等。

本研究將電能質量分析儀和電能質量管理系統配合，構成較完整的電能質量監測、分析、管理系統。本研究實時采集電能質量指標，對電能質量進行實時測量、記錄、監控以及分析，并可通過RS485或以太網，將數據傳送至電能質量管理系統，從而使電能質量管理系統對電能質量監控數據進行分析、顯示、存儲或者打印報表等。

1 電能質量分析儀及其關鍵技術

1.1 電能質量定義

電能質量通常是指電網供給用電設備的電能的電壓或電流的幅度、頻率、波形等主要參數與電網給出的標準值之間的偏差。我國目前給出了六個電能質量有關的單項參數標準，分別是：

電網電壓允許偏差標準(GB/T 12352—1990)：

電網頻率允許偏差標準(GB/T 15945—1995);

三相電壓不平衡度允許標準(GB/T 15543-1995 );

電網諧波允許標準(GB/T 14543-1993);

電壓波動和閃變允許標準(GB/T 12326-1990及GB/T 12326—2000);

暫時過電壓和瞬態過電壓允許標準(GB/T18481—2001)。

1.2 電能質量分析儀的軟件組成

電能質量分析儀的軟件設計主要是GUI(人機交互界面)部分和數據處理部分，軟件部分的框圖如圖1所示。

其中左側為ARM端軟件，右側為DSP端軟件，圖中陰影部分是本論文的主要工作，同時也是整個軟件設計部分的主要工作，包括ARM端的GUI設計和數據分析程序設計;DSP端的數據處理程序。

數據分析儀中的數據處理流程如圖2所示。

主要的數據路徑是從模擬信號輸入后進行放大、濾波等調理后進行AD轉換，然后傳送到DSP齲進行相應的處理后，送入ARM處理器進行數據分析，然后送入GUI顯示，提供給使用者。

DSP端的數據處理軟件結構如圖3所示。

1.3 硬件系統介紹

硬件部分的大概結構如圖4所示。

整個硬件系統的構成大概可以分為模擬信號處理、采樣系統、數據處理及用戶交互系統三部分，其中模擬信號處理部分主要是將需要采集的信號處理成AD芯片可以量化的電平范圍，模擬處理部分的最前端是互感器，通過采用不同的互感器，可以將高壓轉變為低壓交流電，也可以將電流信號轉變為低壓交變電壓，然后通過信號調理電路進行衰減或者放大處理后轉變為合適的電壓值，通常情況下模擬信號調理部分也加入了濾波電路，將高與奈奎斯特采樣頻率的信號濾除，避免AD采樣發生混疊。

采樣部分由FPGA、AD及觸發電路組成，因為一般情況下儀器的處理過程都是先采樣，然后進行處理，然后再采樣，這樣不斷重復，所以通常情況下都會設定一定的觸發條件，在滿足觸發條件的情況下啟動采樣。觸發電路也可以設定故障采樣模式，例如在電壓高于閥值的情況下及時采樣，避免漏掉故障信號。而且加入觸發鎖相功能可以實現不同相電壓、電壓與電流、不同采樣時間內的相位鎖定。該部分實現對三相電壓、三相電流共6路信號進行同步采樣并存入FPGA的內部緩沖區供處理器訪問。

2 主界面及數據處理設計

2.1 主界面設計

根據設計要求，本分析儀主要包含測量、監視、記錄、儲存這幾種功能，同時主界面還需要加入系統設定和相關信息，所以設計了如圖5的主界面。

在界面的最上端，建立了一個工具條作為標題欄，最左邊是一個文本框，里面顯示當前界面的功能名稱，在這里是“main menu”，文本框右側是2個標簽，左邊的標簽顯示的是日期，右邊的標簽顯示的是系統時間，當時間顯示錯誤時可以在系統設置里面可以對日期和時間進行調整。在界面的下端建立了一個工具條作為導航欄，用來放置功能按鈕，在主菜單里只需要一個退出按鈕用來關閉程序。上下界面之間是主要信息顯示區，在主界面里顯示的是系統具有的功能，通過點擊相應的圖標即可打開相應的功能界面。

2.2 數據處理設計

2.2.1 RMS測量數據

RMS測量功能包含三相電壓有效值Vrms、峰值Vpk、峰值系數Vcf的測量;三相電流與和電流有效值Arms、峰值Apk、峰值系數Acf的測量;三相與和功率有功功率P、無功功率Q、視在功率S、功率因數PF、位移功率因數DPF、頻率。

(1)電壓參數測量。電壓參數測量功能的輸入信號是3相線電壓AD采樣：vol_A，vol_B，vol_C，輸出是三路采樣的Vrms值，Vpk值，還有Vcf值。其中Vpk值是尋找所有采樣點中絕對值值最大的采樣點的絕對值。Vrms是通過公式

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