0 引　言

随着舰船不断向大型化方向发展，使得船上的电力系统用电负荷发生一定程度的变化，负荷种类随之增多，容量也进一步增大。舰船上的自动化设备、电子系统越来越多，为确保它们的正常运转，必须保证电能质量^[1-3]。因此，对舰船电力系统进行电能质量监测显得尤为必要。在监测装置的研发中，可对DSP和ARM合理应用。

1 舰船综合电力系统电能质量关键指标 1.1 电压偏差

在电压偏差的检测中，可以采用TRMS，即真有效值法，通过该方法的运用能够使有效值检测的实时性得到大幅度提升。真有效值定义如下：

$ {X_{TRMS}} = \sqrt {\frac{1}{N}\sum\limits_{k = 1}^N {x(k)} } \text{。} $

式中：N为一个周期内的采样次数；x(k)为采样序列中第k个采样值。从理论的角度上讲，任意波形的真有效值均能通过相应的计算加以求取。真有效值检测中，为确保在不失真的情况下，获取到原信号的采样样本，要求一个周期内的采样次数足够大，即N越大越好。当正弦波发生畸变之后，通过A/D转换器对样本数据进行采集，设定采集频率为f_s，且满足：

$ {f_s} \geqslant 2{f_{\max }} \text{。} $

式中：f_max为信号最高次谐波的频率。采样定理虽然对A/D转换的频率下限做出具体的规定，但仅仅凭借采样定理，却无法达到精度要求。研究结果表明，精度与N成正比关系，即N越多，精度越高，但随着N的增大，测量系统的随机误差会有所减少^[4-6]。在实际中，N并不能无限制的增大，这是因为要确保可以满足不同A/D转换装置的操作耗时需要，因此可以设置采样点的数量为256个点，采样率设为12.8 kHz，这样能够使采样精度得到保证。

针对第 $ {n_s} $ 个采样的slot，对序列组号定义如下：

$ u = \left( {{f_{gh}}\left( {{n_s}} \right) + {f_{ss}}\left( {{n_s}} \right)} \right)\boldsymbolod 30 \text{，} $

式中， $ {f_{gh}}\left( {{n_s}} \right) $ 符合如下函数定义：

$ {f_{gh}}\left( {{n_s}} \right) = \left( {\sum\limits_{i = 0}^4 {c\left( {3100 + 5{n_s} + i} \right) \cdot {2^i}} } \right)\boldsymbolod 30 \text{。} $

通过采用伪随机序列生成器，可以对函数进行初始化，定义 $ {c_{init}} = \left\lfloor {\dfrac{{N_{ID}^{cell}}}{{30}}} \right\rfloor $ 为采样中每一帧的起始点。通过对数据预采样，可以获得足够多的数据，进而优化随机化性能。

1.2 电压波动与闪变

通过对目前能够调节信号的方法全面分析后发现，采用平衡解调的是IEC闪变仪，不同算法下的闪变检测电压变化率如图1所示。

在IEC闪变仪闪变检测原理中，采用平方解调检测法，调幅波可以通过带通滤波器检出。经过滤波处理后，能够将直流分量和工频以上的频率分量全部滤除。解调滤波器与加权滤波器的幅值响应示意图如图2所示。

通过采用非线性特征的差额估计，由业内专家对闪变的研究结果显示，时间常数为300 ms的低通滤波器，能够模拟出人脑的存储效应。为获得瞬时的视感度S(t)，可在系统输出前，增加计算环节。采用CPF表示累计概率，通过计算得出它的函数之后，可以选取其中的某个点，对P_st值加以计算。而n个具有连续性特征的P_st值，代入相应的公式后，便可获得长期闪变值。若是灯光出现闪烁的现象，则说明超过闪变值，大概P_st>1.3时，会呈现出比较严重的闪变。IEC对调幅波的频率范围给出较为明确的规定，为对此加以验证，取f=5 Hz，由此不同频率下产生的电压波形如图3所示。

微机技术的快速发展，使数字化方式在闪变原理检测中得到越来越广泛的应用，这种检测方式不但稳定性高、灵活性强，而且还能保证精确度。数字滤波器的出现替代了模拟滤波器，通过有理变换，可以实现低通数字滤波器向其他类型滤波器的转换。借助Matlab自带函数，能够在相对较短的时间内求出滤波器的参数，具体的幅值响应情况如图4所示。

通过上述环节后，便可获得瞬时闪变视感度S(t)，变化曲线如图5所示。

可知，信号在相对较短的时间内便达到了稳定的状态，但在稳定时，出现细微的纹波，导致这一现象的主要原因是，前端采用一阶低通滤波器。按照从最大值到最小值的顺序分解S(t)，共计64级，利用累计概率求取P_st。由仿真运算结果可知，当f=5 Hz时，波动为正弦波。可见，IEC给出的检测方法有效，可以作为后续软件设计与实现的依据。

2 舰船综合电力系统电能质量监测装置DSP和ARM的应用

舰船电力系统电能质量监测装置具有非常重要的作用，具体体现在：采集电能数据，并对这部分数据进行全面的处理、分析，当有特殊需要的情况时，可以将多个监测装置组合到一起，形成监测网络，对舰船综合电力系统的运行状况实时监测。监测装置能够处理多种不同类型的任务，如具有实时性特点的数据采集与计算任务，具有突发性特点的数据通信、人机交互等任务。为满足上述任务需要，监测装置要有强大的处理功能，这一目标可以通过硬件选择和软件设计予以实现。

2.1 监测装置硬件设计

本文设计的监测装置应当具备多种功能，如电能测量、数据分析、显示、控制以及通信等，不仅如此，装置还要有较高的精度和可靠性，能够对相关信息实时采集。基于上述情况，如果监测装置的内核采用单中央处理器结构，即一个CPU，那么在运行过程中，受到CPU的限制，数据采集的实时性可能会下降，并且还可能导致资源的分配出现不合理的情况。不仅如此，单CPU的资源相对有限，对日后的扩展造成不利影响，所以经过研究后，最终决定应用DSP+ARM的双核结构。在双核结构中，不但能够使DSP强大的数字处理能力得到全面发挥，还能发挥出ARM在多任务实时调度方面的作用。监测装置采用当前较为流行的模块化设计思路，包括：DSP处理模块、信号采集模块、ARM工程模块、电源模块等。具体架构如图6所示。

不同的模块具有不同的功能，如DSP模块的主要功能为计算与分析，为数据处理提供便利，可与上位机相连，为软件提供条件；ARM模块可以统计、存储和显示数据，并且还能进行远程通信；数据采集模块能够对舰船电力系统中的三相电压与电流的瞬时值进行实时采集；电源模块为其他模块运行提供所需的电能。各个模块的设计过程如下：

信号采集模块由互感器、调理与过零检测电路、A/D转换模块等组成。舰船上的电力系统因为使用环境比较特殊，所以采用的并不是三相四线制，而是三相三线制。基于这一前提，设计信号采集模块时，需要考虑的模拟信号仅为6路，即三相电压和三相三流。先对舰船电力系统中的电压电流信号进行转换，使其变为能够对A/D转换器顺利采集的低电压和小电流信号，由于转换过程中会出现失真的情况，为确保监测装置的精度，应当保证变换器的精度。设计时预留标准接口，并增强设备的抗干扰能力，装置预先设定好的精度指标为0.5%。基于此，电压互感器选用电流型产品，其特点是精度高。

在对DSP模块设计时，充分考虑舰船电力系统电能质量的监测需要，经过比选，最终选定TMS320系列芯片，该系列芯片最为突出的特点在于数字信号处理能力强，并且具备嵌入式控制功能，对大批量数据处理具有良好的适用性。芯片主频为150 MHz，具备MAC功能，片内集成有SARAM，ROM等，还有定时器、可编程接口等功能。整个芯片的功耗比较低，支持多种模式。

ARM模块选用S3C2410微处理器，该芯片的主频为266 MHz，具有造价低、功耗低等特点。为简化设计过程，采用核心板+外围电路的设计方法，以S3C2410作为核心板，在板上集成DRAM。DRAM为双口，DSP模块能够完成对DRAM的写操作，按照指定的顺序，将计算所得的结果，存储到DRAM中。ARM模块负责完成读操作，将存储于DRAM中的数据传给上位机。

监测装置能否稳定、可靠的运行，在很大程度上取决于电源，因此，电源模块的设计是较为重要的环节。为满足装置的运行需要，选用220 V交流电源供电，开关电源AC为165~265 V，输出电压为24 V和5 V直流电压。用转换芯片，将5 V的电压转换为3.3 V的电压。

2.2 软件程序设计

当监测装置的硬件设计完毕后，便可对软件进行设计，软件程序编辑选用的是C语言。

DSP的软件功能如下：获取三相电压和三相电流的A/D采样数据，对电参量数值加以计算，将计算所得的结果存储到闪存中，随后从中读取来自ARM的命令；ARM的软件功能如下：与闪存进行数据交互，与以太网、CAN总线、RS232通信等。在对DSP软件进行开发的过程中，需要使用到相关的工具，包括接口仿真器、CCS（DSP集成开发环境）等。本次研发的监测装置中，DSP模块需要完成以下任务：数据采集、运算、存储，通过对DSP的硬件电路加以分析后发现，涵盖3个中断，分别为A/D转换完成中断、过零点触发中断、通信中断（UART）。为提高装置的测量精度，可以从软件设计方面着手减少中断程序的运行时间。本次设计中，ARM采用的是嵌入式软件设计思路，嵌入式系统选用Linux，在PC机上安装相应的操作系统，选择服务器模式，依次配置Minicom（需要在root下完成）、TFTP、NFS服务等，最后进行FLASH分区。ARM的软件设计以Linux系统作为核心，需要编写的程序包括以太网、CAN总线和DSP的通信程序等。

3 结　语

舰船电力系统电能质量监测装置研发过程中，通过DSP和ARM的应用，使装置的测量精度得到显著提升。不仅如此，各方面功能也变得非常强大，能够满足电能质量实时监测的需要。