2.2 多线程

　　界面软件的设计中使用多线程技术以增强界面的响应速度和操控性。这部分的整体设计结构如图3所示。多个Forms之间的转换是建立在主线程之上的,键盘数据读取、SPI通讯、DSP计算结果读取、图形的绘制和显示以及数据操作等均使用子线程。每个Form的后台线程均从数据缓冲区读取数据并完成数据显示前的格式准备等工作。读数据线程负责将DSP发送的数据写入缓冲区。

　　为了防止多个线程访问数据缓冲区的冲突，缓冲的数据进行队列管理。将DSP每一次发送来的数据置入队列，然后在调用数据时进行出队操作。

　　所以,定义:

　　public static Queue tasks = new Queue;

　　在入队和出队时加锁,判断同步

　　lock (tasks.SyncRoot),tasks.SyncRoot使用了队列的同步访问机制,避免了数据访问冲突。

　　3 分析算法

　　电能质量分析包括稳态分析和暂态分析。稳态分析包括有效值、频率、电压偏差、三相不平衡度等计算,比较简单。暂态分析包括电压暂降与短时中断、暂时过电压、瞬态过电压、波形畸变和浪涌电流等。暂态分析需要先检测暂态事件的发生,即事件的捕捉,然后对事件定位,最后通过分析结果对事件进行分类。

　　该仪器使用了加窗FFT插值算法进行谐波分析,使用了小波分析法对暂态事件进行捕捉。

　　3.1 谐波分析

　　一般电网信号主要含有整数次谐波，因而常采用基于余弦窗的组合窗。这类窗只要选取观测时间是信号周期的整数倍，其频谱在各次整数倍谐波频率处幅值为零。因此，谐波间不发生互相泄漏。IEC标准要求，电能质量谐波分析具备10个周波的数据。如果允许一次测量时间大于4个信号周期，应优先选用4项Blackman-Harris窗。窗函数如下:

　　W(t)=0.35875-0.48829cos(t)+0.14128cos(4t)

　　-0.01168cos(6t),0

　　4项Blackman-Harris窗FFT插值算法得到的插值公式为

　　该算法已经应用于电力系统谐波分析中,理论与算法实现也比较完备。相关算法仿真与精确度对比已经被验证。

　　3.2 暂态分析

　　小波变换被称作信号分析的“显微镜”,而具有适当消失矩N的小波变换具有检测信号突变点的能力。小波的消失矩为N,也等价于小波的Z变换在Z=-1时有N个零点,根据这一思想,Daubechies构造出了消失矩为N的紧支撑小波系,这种小波的傅里叶变换具有如下形式:

　　从上式的构造上看,第N个小波就具有N阶消失矩,如DB3就具有三阶消失矩。在标准正弦信号上叠加突变量来验证DB3小波检测突变的能力,MATLAB仿真结果如图4所示。

　　可以看出:含有幅值突变的正弦波被DB3小波滤波后的高频系数在突变发生点有一个很大的值,而其它点的值很小,接近0。该特性可以用于捕捉电能质量的暂态事件。

　　小波的分解过程可以用二通道滤波器组实现,通常使用FIR滤波器,如图5所示,数据序列分别经过高通滤波器和低通滤波器,进行1/2下抽样,得到高频系数和低频系数。对于检测突变有用的是高频系数,对于滤波来说用低频系数。此处仅选用高频系数,可以得到电能质量暂态事件检测的简化计算过程,如图6所示。

　　根据电能质量问题相关标准，暂态事件大多是数值和时间的函数。图6中，FIR高通滤波得到的高频系数与暂态事件阈值比较，当高于该设定值时，触发暂态事件分析，定位暂态事件位置，根据持续时间进行事件的分类，从而确定暂态事件的类型。

　　4 分析仪的特点

　　4.1 分析仪的实时性

　　仪器的实时性主要表现在采样环节和DSP的实时数据处理上。该仪器使用了ADI公司高性能浮点DSP处理器ADSP-21161N, 运算性能600 MFLOPS@100MHz。该DSP对FFT、FIR等运算做了优化,1024点基4复数FFT只需要92μs。前端的A/D转换器采样率可调,平时采样率20kSPS,最高可达200kSPS。同时,电能质量事件的捕捉和定位算法保证了仪器的实时性。

　　4.2 组网监测的扩展

　　该分析仪带有Ethernet接口,同时运行WinCE操作系统为仪器的网络化分布提供了硬件和软件支持。分布式组网结构如图7所示。仪器作为局部用电网的监测节点,通过Ethernet接入监控中心。通过这些监测节点的信息,监控中心很容易了解到整个局域用电网的电能质量情况。各个监测节点和监控中心可以通过IEEE1588协议进行时间上的同步。

　　5 结束语

　　文中设计了一款新型便携式电能质量分析仪。该分析仪采用DSP+ARM9构架,充分发挥了两个处理器的特点,对电能质量稳态和暂态问题进行了实时分析。仪器可以较为完备的检测各种电能质量问题,同时,仪器程序运行在Windows CE操作系统上,界面更美观、操控方便,便于分布式组网监测的扩展。（游米儿）