摘要：针对目前电能计量存在的问题，在研究畸变信号条件下电能计量新方法的基础上，设计了基于DM3730的畸变信号条件下电能计量实验仪，验证了畸变信号条件下电能计量新方法的正确性.采用片上双CPU架构与片内共享内存数据的设计方法，搭建了硬件系统结构，阐述了其工作原理.设计了实验仪的软件系统，使用C编程实现小波分频带测量功率算法.最后在实验仪上对电网典型畸变信号进行功率测量实验，实验结果表明畸变信号条件下电能计量实验仪的准确度高及小波分频带测量算法的实时性好，为深入研究畸变信号条件下电能计量装置提供了一定的参考价值.
　　关键词：电能计量；DM3730；小波变换；畸变信号
　　0 引言
　　随着电网中非线性负载的迅速增加，电能质量日趋恶化，这不仅严重影响电网安全高效的运行，而且对经典的电能计量理论、方法和仪表的设计都提出了新的挑战.在当前电网信号严重畸变的现状下，如何准确合理地计量功率和电能已经成为电气测量技术及仪器仪表研究领域急需解决的问题，解决这个问题，既需要研究能真实反映非线性负载电能消耗及合理计量的新方法又需要研究工程上切实可行的硬件电路和软件算法.
　　目前，谐波信号条件下电能计量方法研究及电能准确合理计量仪器研发都取得了很多成果，如湖北电力试验研究所研制开发的FEE3型基波电能表利用低通滤波器实时衰减畸变信号中的谐波成分而只计其中的基波功率，从而使电能计量更趋合理.清华大学与河南新乡电业局联合研制的微机化采样式电能表能够同时测量基波电能与总电能，据此判断用户是线性还是非线性以及谐波水平，其准确度为0.2级.威胜公司最新开发的0.2级谐波表DTSD341/DSSD331-9采用实时积分算法计算电能，同时通过FFT算法提供基波电能及谐波电能，并通过谐波电能的方向区分用户是谐波源用户还是非谐波源用户，该表可为电力管理部门对用户用电管理提供依据.但是基波表、谐波表并不能解决冲击信号等畸变信号条件下电能合理计量的问题，因为谐波模型并不能真实反映电网信号的实际情况，尤其是冲击性负载等非线性负载产生的电压、电流信号根本无法用谐波信号的数学模型来描述.
　　本文针对目前电能计量存在的问题，在研究畸变信号条件下电能计量新方法的基础上，设计了畸变信号条件下电能计量实验仪，验证了畸变信号条件下电能计量新方法的正确性.同时，本实验仪的设计为研发适用范围更广、计量更合理的畸变信号条件下电能计量仪表提供了基础的数据和技术先导.
　　1 实验仪的硬件系统设计
　　本文设计了基于达芬奇平台的畸变信号条件下电能计量实验仪，并采用小波分频带功率测量算法在实验仪上实现了电网典型畸变信号条件下电能的合理计量.
　　1.1 实验仪总体结构
　　实验仪系统结构如图1所示，选用TI的DM3730作为核心处理器，它内部集成了1CHz的Cortex-A8 ARM弹性内核以及800MHz的TMS320C64x+DSP内核，这样提高了实验仪的实时响应能力与控制能力，实验仪内设有模拟信号发生器，它采用数模混合原理设计，可以输出各种典型电网信号，主控单元建立了ARM+DSP片上双核的最小系统，同时根据实际需要进行了外设扩展，包括数据采集模块、通信接口、存储模块以及人机交互界面模块.
　　整个系统由ARM负责模拟电网信号的采集以及整个系统的控制管理.DSP负责对采集的数据进行电压、电流有效值运算及小波分解重构等运算.DSP与ARM之间通过DSPLINK和驱动程序实现通信.在外设模块中，数据采集模块主要采用AD7656实现电网畸变信号的A/D转换.通信接口采用UART与USB、RJ45以太网接口实现与外界的通信以及嵌入式系统的移植下载.存储模块用来存储系统应用程序及各项数据等.人机交互界面模块采用带有触摸功能的LCD，可实现人机直接交互功能，无需设置功能按键.利用QT设计实验仪显示界面，可以显示电网畸变信号经小波分解重构得到的基波信号和畸变信号的波形以及测量后的各项功率值.
　　1.2 模拟电网信号发生器
　　由于电网中存在太多的未知因素，不可能确知电网信号的具体成分，目前国家尚无畸变信号条件下电能计量的标准，更没有畸变信号条件下电能计量的标准装置可供校验和比对.为了验证理论的正确性，本文设计了能够模拟实际电网信号且理论上精确已知的畸变电网信号源.
　　该信号源能够模拟典型的电网信号，通过它可确定待处理电网信号的具体成分，模拟电网信号发生器结构如图2所示.其中，i1（t）、u1（t）分别为标准信号源产生的标准正弦电流、电压信号；ia（t）、ua（t）为模拟电网电流、电压信号.EEPROM中已存有数字正余弦、方波、三角波等函数表a（t），信号a（t）与u'1（t）在数模混合乘法器中相乘再与信号u'1（t）在加法器中相加得到了信号u'2（t），若取样电阻R=1Ω，则u'2（t）为
　　当a（t）取不同的信号时，ia（t）、ua（t）代表着不同的电网电流及电压信号.所以，此信号源可以模拟各种典型电网信号.
　　2 实验仪的软件系统设计
　　软件设计分为ARM子系统软件设计和DSP子系统软件设计.实验仪系统的软件结构层次如图3所示.ARM子系统实现人机界面，应用控制程序和系统的管理.DSP子系统通过DSPLINK接收来自ARM的数据信息，根据控制指令进行电压、电流的分解重构运算及功率值计算.

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