基于ARM9的电网谐波监测系统设计

1 引言

　　随着我国经济的迅速发展，电力负荷急剧增大，对电力系统的污染越来越严重，而谐波含量则是目前电网中影响最为重要的一项指标。这也对监测电力系统运行状况的仪器设备提出了更高的要求。在我国传统的电网运行参数测量和监控系统中，大多使用8位单片机来实现。由于其运算速度和处理数据能力的限制，越来越难以满足目前电网监测的需要。本文设计了一种基于arm9的三相电网电压谐波监测仪，它通过对三路电压电流信号的测量，利用快速傅立叶变换算出谐波含量等电网参数，同时还具有监测数据统计分析，与上位机通信、显示及报警等功能。

2 谐波监测系统原理

　　由于电网中非线性器件的存在，电力传输线中的电流和电压波形都会呈现非正弦性，出现波形的畸变。但在绝大多数情况下，畸变并不是任意的，多数畸变是周期性的，属于谐波的范畴。也就是说从整个过程来看，其波形变化缓慢并且几乎每个周期都是一样的。因此，可以认为畸变的电压、电流波形是非正弦的周期信号。

　　频域分析中，利用傅立叶级数将畸变的电压、电流信号分解成基波和一系列谐波的叠加

　　式中W―――基波的角频率，rad/s;

　　n―――谐波次数;

　　Un In―――分别为第n次谐波的电压和电流的均方根值;

　　αnβn―――分别为第n次谐波电压和电流的初相角;

　　N―――所考虑的谐波的最高次数，由波形的畸变程度和分析的准确性要求来决定。

　　但对于电网这种不规则的畸变波形无法表示成函数解析式后用傅里叶技术进行计算。一般对该种波形的时间连续信号用采样装置进行等间隔采样，并把采样值依次转换成数字序列传输至处理器进行快速谐波分析，离散傅里叶变换（DFT）的提出为傅里叶技术在计算机领域的应用铺平了道路，但对于谐波监测系统而言直接进行DFT计算量较大，难以保证监测系统的实时性，所以监测系统采用了一种基于滑窗迭代思想的DFT快速检测算法。

　　式中：Ncur表示最新的采样数据点，x（iτ）表示i个采样周期前的采样数据，最新的实时采样数据参与负载电流监测分析，而相应地淘汰最老的采样数据，加快了采样数据的更新速度，提高了监测系统的实时性。

3 硬件结构

　　谐波检测系统硬件主要由电压电流采集电路，信号调理电路，模数转换电路，显示及按键电路等组成。系统的处理器采用S3C2410，是一款基于ARM920T内核的RISC嵌入式微处理器。ARM920T核由ARM9TDMI、存储管理单元MMU和高速缓存三部分组成。其中，MMU可以管理虚拟内存，高速缓存由独立的16KB地址和16KB数据高速Cache组成。ARM920T有两个内部协处理器：CP14和CP15。CP14用于调试控制，CP15用于存储系统控制以及测试控制。根据国家对谐波测量仪器的要求，A级测量仪器应分析到50次谐波，根据采样定理的要求，采样频率与被采样信号频谱中最高频率的比值应大于2，因此工频周期采样点数为256时，采样频率为640kHz。S3C2410的主频能达到203MHz完全能够满足采集要求。而且能有一定的时间可以处理显示和按键扫描等。硬件系统框图如图1：

图1 谐波检测系统硬件框图