引言

電能質量是保證電網內設備正常運行的基礎[1]-[4]，傳統電能質量錄波器工作方式大多為獨立工作的閾值觸發式錄波器，在著一系列的問題[5] ，且大多基于工控機平臺集中布置[6]存在體積大成本高記錄不準確等問題，也不利于分散監控電網各節點狀態。而在當前我國建設堅強智能電網[7]-[8]要求隨時掌握電網分布各節點的運行狀態，并在電能質量發生時準確定位和記錄，并且錄波器平臺具有高可靠性，可通過互聯網絡與服務器通信，交換數據。

本文討論了在線型電能質量錄波器的設計，以TI 公司高性能TMS320C6416 DSP 與XILINX 公司XC4VSX25 FPGA 器件為核心設計主控板，配合通信、存儲、采集、人機接口等板卡，組成了小型化低成本可長期在線監測，升級維護經濟方便的電能質量錄波器系統。本系統可分布配置與電網輸配電節點，通過以太網與中心服務器監交換數據，監控電網運行參數[13][15]。

1 長時在線式數字錄波器系統結構

1.1 系統總體功能

目前電網電能質量錄波檢測技術向可靠性高，抗干擾能力強，長時在線記錄，具備大容量存儲空間，高壓縮比數據壓縮功能，多功能網絡化智能化等方向發展。本文設計的電能質量數字錄波器系統，具備電能質量數據采集、壓縮、存儲、導出、多功能網絡化通信、長時在線分布式監測等功能。

為本系統的功能示意圖，整個系統分為下位機、上位機、網絡應用數據庫三部分，本文闡述下位機相關方案與技術。下位機負責數據采集、處理存儲與導出，電網電能質量信號[11] [12]（三路電壓，三路電流）通過TV63-400V/5V 型電壓互感器與TA25E41-40A/3.5V 電流互感器變換為0~5V 以內的交流電壓信號，經調理電路隔離驅動之后進行數據采集和處理。處理后的數據存儲在非易失存儲器內，可以選配點陣液晶模塊同步顯示。電能質量數據亦可由以太網、USB 等通訊接口傳輸至上位計算機，或由SD 卡和U 盤現場導出，供用戶分析。由于采用數據壓縮算法，大幅壓縮數據，實現長時在線錄波功能，并且通過以太網連接構成分布式錄波器監測網絡，滿足智能電網對于配電網整體運行狀態監控的要求。

1.2 系統硬件結構

根據本系統應用環境和整體性能要求設備整體電壓電流精度0.2%，采樣率為每周波1024 點。根據精度和數據壓縮算法的計算量，本項目選定高性能DSP TMS320C6416TGLZ和FPGA XC4VSX25 器件作為系統的核心器件進行數據采集和處理，其整體硬件結構如所示。為了便于樣機調試與產品升級，本系統按照功能[13]主要分為六部分：信號調理與模數轉換模塊、數據處理模塊、數據存儲模塊、人機接口模塊、通信接口模塊、電源模塊，每一個功能模塊亦為獨立的硬件板卡。采用這種功能模塊化設計思想，將系統硬件設計為可方便拆卸升級的功能模塊提高了產品開發和日后升級的便利性和經濟性。

模數轉換器選用ADI 公司生產的AD7656。該器件內置六路16 位逐次逼近(SAR)型同步ADC 單元，最高采樣速度每秒250K，擁有串并兩用數據口，并可通過讀寫內部寄存器，對其采樣方式進行編程。AD7656 精度、速度、通道數均滿足要求，設置其數據傳輸方式為16 位并行數據接口，由FPGA 控制AD7656 采樣數據，六路數據依次讀出并存儲于FPGA內部乒乓RAM 中，供DSP 調用處理，處理結果存儲于板載FLASH 芯片組內，芯片組選用四片單片4G Bytes 容量的HY27UK08BGFM 型FLASH 完成數據存儲功能。

2 基于電能質量信號特征的數據壓縮算法

2.1 數據壓縮算法設計

電能質量信號在大部分時間為正常非故障波形，其理想電壓波形為規律的50HZ 正弦波。即便發生電能質量事件，暫態電能質量事件持續時間比較短，數據量不大，而穩態電能質量事件在信號形式上也都是相對穩定的周期信號。電能質量信號的周期性特征，使得可以用處于穩態的周期信號的一個波形數據來替代描述其他的周波，這樣就為數據壓縮提供了可能。

設 A、B 為兩個相鄰的電壓波形，分別對A、B 兩個波在20ms 時長內采樣，采得兩幀數據，之后對兩組數據進行處理，設：

將 C 值與預設ΔU 值相比較，如果兩個波形均是正常波形，則其結果會很小甚至趨近于0，這種情況下只記錄第一幀數據，其他數據幀只計錄個數即可。

如果某時刻電能質量故障出現，那么在其前后相鄰時刻的信號波形發生變化，C 大于ΔU ，這樣啟動無損記錄程序，將電能質量故障波形完整采樣記錄至存儲器內。

如此往復工作，大部分正常的或者是穩態異常的無意義數據就不會占用大量寶貴的存儲器空間，雖然是有損壓縮但是可以解決壓縮比和計算量之間的矛盾。

2.2 數據存儲協議設計

故障錄波數據按照故障時間逐條存儲，每條故障記錄占用25KB 存儲空間，如所示，每條故障錄波記錄共包括5 部分，其中起始時刻為系統檢測到波形變化的時間，由經GPS校正的DS1307 芯片提供時間基準，故障起始時刻亦為檢索故障數據的標志。

由于我國三相四線制輸配電網電能質量監測需要三路相電壓與三路線電流，故系統配置六路模擬量采樣通道。單路波形個數A，B 均占用4Bytes 存儲空間，用于記錄電能質量信號波形變化前后穩定狀態的周波數。其4Bytes 容量共可記錄4294967296 個20ms 周波，如果電網信號為穩態不變，則其容量可連續記錄數百天周波數。單路波形數據A，B 為存儲電能質量事件發生時刻前后變化波形的數據空間，由于數據采樣精度為16bits，采樣率為1024點/周波，所以每個周波占用2K Bytes，共4K Bytes。上述皆為單路采樣通道存儲數據量，整個系統含6 路模擬采樣通道，故故障錄波記錄存儲空間需求為單路乘以系統采樣通道數6。

本系統共配置四片單片4G Byte 的FLASH 存儲器芯片，其內部采用FAT 文件系統管理存儲空間，格式化屏蔽掉存儲器芯片壞塊之后可用存儲空間約為15.6G Bytes，按照每條數據25K Bytes 的數據量計算，整個系統存儲空間可記錄60 余萬條故障數據。假設每天發生電能質量事件1000 件，錄波器可以準確捕捉全部波形變化數據，則理論上錄波器可連續在線記錄時長為300 天，接近一年。

3 系統軟件框架結構

TMS320C6416 上電之后初始化芯片及外設，之后啟動采集模塊進行數據采集，采集數據存入緩存，緩存采用乒乓RAM 形式工作，采集滿兩個周波40ms 的數據之后由DSP 讀取RAM中數據，將前后周波進行逐點比對，如果C值小于預設ΔU 則判斷前后一致則只存儲第一幀有效數據，其余周波數據不直接存儲，只記錄波形個數；如果波形對比判定前后幀波形不一致則判定為電能質量故障波形，對數據直接存儲。為DSP 工作整體流程圖。

采樣獲得的電能質量數據除作為錄波壓縮判決依據，還由其計算得到電能質量相關參數。數據由兵乓RAM 中讀取之后進行FFT 變換[19]，得出信號頻譜與波形數據計算諧波與頻偏，之后結果由液晶顯示。而電網三相線電壓、三相線電流、三相不平衡度、電壓閃變等等參數由文獻[21]- [31]推薦典型方法計算出結果，并亦由液晶模塊顯示。具體的電網參數計算及顯示流程見。

4 系統實驗

錄波實驗環境使用臺灣茂盛公司生產的CHR61705 型三相交流可編程電源定量產生典型電能質量故障信號。該電源可編程實現的電壓波動、電壓暫降、電壓暫升、電壓中斷、頻偏、三相不平衡、電壓沖擊等等電能質量綜合變化的數據。

為編程實現的電壓切痕的實測波形，為系統記錄的電壓切痕波形，對比兩圖波形表明系統可以準確捕獲記錄電能質量信號波形的變化。

對采樣數據采用2.1節闡述的壓縮算法處理，根據不同的ΔU 值的選取，可得約數十至一百比一的壓縮比。

5 結論

本文探索了基于電能質量信號特征的數據壓縮算法并將其應用于電能質量錄波器系統，證明其算法思路可行，但是其壓縮比并不固定，既非常依賴電網品質，又依賴ΔU 值的選取，在ΔU 值很小且電網品質較差的情況下，其壓縮比較低。