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基于嵌入式技术的电能质量在线监测系统初探

摘要:嵌入式技术是指在适应系统需求中通过计算机基础进行软硬件剪裁,从

而获得严格要求的成本、功耗、体积等要求的计算机技术。本文结合“后PC”时期

应用层面对于嵌入式技术的需求,对电能质量在线监测系统进行了详尽的设计。

在设计当中,从微处理器选型开始,通过系统方案、系统硬件、实时操作等具体

设计,使嵌入式技术在电能质量在线检测中得到充分应用。

关键词:嵌入式技术;微处理器选型;实时操作;系统总体方案

前言

电力系统最为理想的供电形式应当是恒定频率与正弦波性相结合,从而保证

三相交流电力系统的各相电压电流幅值相等,相位对称互差120°。然而在实际的

电能输送过程之中,由于电气设备存在负荷,导致各元件参数并不能完美符合设

计要求,这使得性质各异的元件会出现随机变化,导致用户电能偏离正弦波形,

造成电能质量问题,引发畸变。因此为了保障电能安全,需要利用技术手段对电

能变化进行实时监控。

一、微处理器分析

(一)微处理器应用领域分析

微处理器是实现嵌入式技术的核心,在进行嵌入式技术的系统设计时,设计

者应当首先对微处理器进行分析。在现代技术发展当中,微处理器的应用十分广

泛,除了在工程控制领域外,在无线通讯、网络应用、成像产品等领域也有着突

出的贡献。同时,由于不同领域的要求不同,所选用的微处理器特点也不同,在

设计之初,需要着重分析。

(二)微处理器选型

关于微处理器的选型,在电能质量在线监测系统的设计当中,设计者应当首

先考虑处理器内核以及系统工作频率两个方面。其中,内核结构不同,其所适用

的领域就不同,而系统工作频率则决定了微处理器的处理能力,从而直接作用于

在线监测在面对大数据量时的处理效率。除了以上两个方面,在微处理器选型中,

存储容量、片内外围电路、生产厂家等也都是选型的重点。

二、系统总体方案设计

(一)功能需求

以往的技术领域,为了应对电能质量问题,一般会采用电能质量监测装置,

这种装置所采用的数字信号处理器DSP能够利用运算分析,完成对电压偏差、电

压谐波、三相电压不平衡度的计算,功能十分强劲。但随着电能传输发展,电网

中电能质量除了上述三个方向之外,又多了瞬时电压跌落以及电压波动等暂态指

标,对于传统的数字信号处理器来说,处理速度不足导致在暂态指标检测中,无

法发挥作用。因此在现代在线监测系统设计中,既要满足传统数字信号处理的工

作内容,同时还需要具备暂态指标的获取的评价。

(二)系统结构

通过上文电能质量在线监测系统的功能需求分析可以看出,现代在线监测需

要满足的内容是多方面的。在本文的系统总体方案设计当中,在线监测系统的建

立包含了用电信息采集系统、供电电压自动采集系统、调度技术支持以及生产管

理系统四个方面。其中用电信息采集系统面向的用电用户层面,实现对电能传输

情况的分析,而供电电压采集系统则满足电压偏差、电压谐波、三相电压不平衡

度等内容的分析。调度技术则是在暂态指标当中为管理人员提供技术参考、生产

管理则主要面向数据业务。

三、系统硬件设计

(一)可编程逻辑电路

为了满足系统CPU的多种外设功能模块的控制需求,本文采用了复杂的逻辑

电路来实现系统的逻辑控制,并深刻地考虑到投入使用后的拓展需求,因此在电

路当中加入了CPLD电路单元。为了实现逻辑控制,本文所采取的宏单元达到了

256个,通过每16个宏单元组成逻辑阵列块的方式形成逻辑阵列。由于每一个宏

单元都能够对扩展乘积项、高速并联扩展乘积项进行共享,因此可以为每个单元

提供数百计的乘积项,实现复杂逻辑函数。为了实现在线编程,还可以运用JTAG

结构的方式,将JTAGBST电路内置到系统当中,同时满足逻辑密度可用门电路的

要求,进而降低引脚到引脚的逻辑延迟,提升计数器工作频率。

(二)硬件调试

在印制电路板完成之后,不能直接开始元件焊接,而是应当由设计人员对照

原理图进行印制电路板连线的检查,并且需要以各个单元电路为基本单位,进行

焊接调试。在完成了电源网络的检查后可以将印制电路板接通电源,从而发现在

电路工作中是否有异常情况出现。以芯片为例,在正常工作中,芯片由于工艺结

构和通电工作,会存在一定程度的发热现象,但是当超过一定技术指标之后,芯

片发烫严重,这说明在电路板当中存在一定的故障,需要重新检测。

四、实时操作

在完成硬件设计和检查之后,需要将操作系统移植到硬件当中来

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