基于无线传感网络的电网谐波监测系统设计
宿楼
（山东理工大学电气与电子工程学院，山东淄博255049）
波在线监测新方法.系统采用高性能DSP芯片TMS320F2812实现信号的采集与处理，利用 摘要：针对目前电网谱波监测存在的缺陷，提出了以无线传感网络技术为基础的电网谐ARM芯片S3C2440完成数据管理、人机交互和系统控制，由无线传感网络ZigBec芯片CC2530实现DSP与ARM间的无线数据传输.系统的无线通信方式、高速数据处理及实时控制功能，使其具有很好的实用和推广价值.
关键词：诸波；监测；ZigBee；DSP;ARM
中图分类号：TP277文献标志码：A文章编号：1009-3230（2013）10-0048-03
DesignofHarmonicWaveMonitoringSystemBased on WirelessSensorNetwork
SU Xiso( College of Electrical and Electronic Engineering Shandong University ofTechnology Zibo 255049 China)
of wireles sensor etwork iming at the fult of the present power system hamonic wave mnitoring Abstract: The paper proposes a new means of harmonic on line monitoring based on the technologyThe system adopts the high - performance DSP chip TMS320F2812 realizing the acquisition andprocessing the data management human machine interaction and the system control are pletedby the ARM chip S3C2440 Wireless sensor networks ZigBee chip CC2530 pletes the wireless data transmission between DSP and ARM. The system possesses a great practical and popularizingvalue because it has the function which is the wireless munication high - speed data -procesing and the real time control.
Key words: Harmonic wave; Monitoring; ZigBee; DSP; ARM
也越来越高.因此，实时有效地对电网谐波进行监测，对确保电力系统安全、稳定运行具有十分重要的意义-.现有的电网谐波监测系统大多采 用有线方式传输监测数据，使得在特殊环境条件下布线困难，不易维护.针对以上问题，设计了基于无线传感网络的电网谐波监测系统，实现对电网谐波的智能在线监测.
阜150
随着国家工农业生产规模的持续扩大和科学技术的快速发展，电网负荷结构发生了很大的变化，各种非线性、非对称性、冲击性和不平衡用电设备被大量使用，使电网中产生大量的谐波干扰， 严重影响电网电能的质量.同时，随着信息技术的发展，越来越多以微处理器为核心的智能化电子设备、精密仪器等新兴负荷对电能质量的要求
1系统架构
示意图如图1所示. 基于无线传感网络的电网谐波监测系统架构
由电压、电流传感器和低通滤波器组成的信号检测调理电路，将被测的高电压、大电流信号变
作，16×16位的双乘法累加器，可完成64位的数据处理，实现高精度处理任务.拥有丰富的硬件资源，片上Flash、ROM、RAM、定时器、多用途通用输人输出接口GPIO和仿真接口JTAC等.支持 TI的eX-pressDSPTM实时开发技术，TMS320DSP算法标准，CCS集成开发环境，为软件开发提供了较为便利的条件.利用其强大的数利用外设接口资源有效降低了电路的复杂程度. 据处理能力，通过算法上的优化可提高测量精度，
图1基于无线传感河络的电网谱波监测系统架构示意图
ADS8364的数据口Do-1s、转换结束信号端口EOC分别与DSP的数据口De-s、外部中断INT相连，ADS8364的时钟信号由DSP提供.DSP响应ARM控制模块的指令控制ADS8364完成A/D 转换，读取转换数据，进行快速傅里叶变换（FFT）及相关参数计算，实现对电压、电流信号的采集处理.
换为A/D转换器所需的小信号，经低通滤波器滤 除信号中的高频干扰后，送人A/D转换器进行模数转换.DSP数字信号处理器读取A/D转换结果并进行相关谐波参数的分析、运算和处理，处理结果通过ZigBee无线传感网络传送至ARM控制 模块，进行数据处理、存储和显示，实现电网谐波参数的实时在线监测.
2.2ZigBee无线收发器模块
ZigBee无线传感网络技术是一种近距离、低复杂度、低数据速率、低功耗、低成本的双向无线通信技术，是采用IEEE802.15.4无线标准的新 一代无线传感器网络系统.ZigBee网络具有自动组网、自动路由和自愈功能，可工作在2.4GHx的免执照频段，采用调频及扩频技术具有时延短、节场、高电压环境中的传播性能较好，数据传输能力 点容量大的优点.同时2.4GHz无线信号在强磁强，可靠性高，是实现电网谐波无线组网监测的理想解决方案.
CC2530，CC2530是TI公司支持ZigBee协议的系 ZigBee无线收发器模块采用ZigBee芯片统芯片，集微处理器和无线收发器于一体，集成了业界标准的增强型8051微处理器以及符合IEEE802.15.4规范的2.4GHz无线收发器.内 含定时器、可选32/64/128/256KB的Flash存储单元，同时提供了申行通信接口、UART接口及21个可编程V0引脚，丰富的硬件资源简化了电路行数据传输.天线采用PCB天线5.ZigBee无 设计.CC2530与DSP、ARM通过各自的串口进线收发器模块结构框图如图2所示.
2硬件设计
2.1信号采集处理模块
信号采集处理模块由信号检测调理电路、A/D转换器、DSP数字信号处理器及外围电路组成.
信号检测调理电路采用南京奇公司生产的VSM025A电压传感器和CS040G电流传感器及二阶巴特沃兹有源低通滤波器组成，以实现电网 电压、电流检测及干扰滤除功能.A/D转换器选用TI公司的高性能模数转换器ADS8364，具有6通道同步采样的16位高速并行接口，自带2.5V6个通道对三相交流电压、电流进行同步采样，16 基准电压，功耗低采样速率高.利用ADS8364的位的数字量确保了采样精度.
图2无线收发器块结构框图
2.3ARM控制模块
芯片及外围电路组成.ARM控制模块实现的功 ARM控制模块由存储器、显示器、键盘、ARM能主要有：通过ZigBee无线传感网络向DSP发送控制指令，接收保存DSP传送的数据，分析处理接收到的请波参数以及参数的显示.
DSP数字信号处理器采用TI公司的TMS320F2812芯片，它是一款高性能、低功耗、32MHz，为实时控制和在较短的时间内完成复杂的 位定点数字信号处理器.最高工作频率可达150算法提供了充分的条件，高性能的32位中央处理器包含16×16位和32×32位的乘法累加器操
处理器芯片，S3C2440采用16/32位RISC处理 系统选用三星公司ARM9系列的S3C2440器，具有外部存储器控制器、USB控制器、LCD控
DMA、24个外部中断源和多达130个I0口，丰富的硬件资源，极大地简化了外围电路的设计.设置4个按键和4.3寸TFT液晶屏用以人机交互，采用2CSD卡存储谐波参数.
3软件设计
3.1谐波分析
含有基波频率整数倍的电压或电流称为谐波，用谐波含量、谐波含有率、谐波畸变率来表示诺的严重程度.可通过以下参数对谐波进行分析：
谐波电压、电流含量分别表示为：
式中：Un、n为n次谱波电压和电流；
第n次谐波电压、电流含有率分别表示为：
式中：U1为基波电压和电流
谐波电压、电流畸变率分别表示为：
系统对谐波的分析由DSP进行快速傅里叶变换（FFT）及相关参数的计算来完成.
3.2软件设计
系统软件采用模块化设计方法，主要包括信号采集处理程序和ARM控制程序.
信号采集处理程序运行在DSP上，系统上电，初始化DSP运行环境，然后进行数据采集，对 采集的数据进行FFT变换及参数计算并存储计算结果.判断是否收到数据发送请求，如果收到请求则将数据通过ZigBee网络发送出去.信号采集处理程序流程图如图3所示.
ARM控制程序负责整个系统的管理与控制，系统上电，首先对CC2530、显示器、键盘等初始化，通过CC2530向DSP发送数据传送指令.判断是否接收到数据，如果接收到数据则将其存序流程图如图4所示. 人SD卡中并通过显示器进行显示.ARM控制程
4结束语
设计基于无线传感网络的电网谐波监测系统，采用DSP芯片TMS320F2812作为运算处理核心，以
图3信号采集处理程序流程图
图4ARM控制程序流图
ARM9系列的S3C2440为控制中心，充分发挥各自的运算和控制优势，利用ZigBec无线传感网络技术，实现DSP与ARM之间数据的无线传输.该系统结构紧凌、易于实现、性能可靠，能够对电网谐波进行实时监测，具有较高的应用推广价值.
参考文献
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