針對城軌車輛電壓電流功率等監測的應用需求，吉隆坡中車維保有限公司的研究人員宋傑，在2020年第11期《電氣技術》雜誌上撰文，設計了一種由嵌入式電能質量檢測設備和數據處理模塊組成的電能質量監測系統。
檢測設備集成了變壓整流模塊和霍爾電流傳感器，實現交流電壓和電流的實時檢測；檢測設備可採用液晶顯示屏模塊實時顯示電壓、電流、功率等參數；檢測設備通過通用異步收發傳輸器和安全數字存儲卡分別實現測量數據的實時輸出和實時記錄。
本文給出了基於離散傅立葉變換算法的諧波分析理論推導。結合對檢測設備輸出的三相電壓數據，以空調櫃三相電壓監控繼電器模塊測試為例，本文介紹了基於離散傅立葉變換算法的諧波檢測方法。
應用案例表明，通過定製化設計，該電能質量監測系統滿足了應用需求，可在電壓不高於三相400V的交流檢測環境中應用。
在工業現場和實驗應用中，需要對電源或線路電能質量、電源穩定性進行監測和記錄，對故障線路進行故障分析、排查和處理等。萬用表、電流表、示波器等可在一定程度滿足應用需求，但均有其使用限制，例如萬用表和電流表只能實現部分電氣參數的實時測量，無法進行記錄；示波器由於輸入端為共地接口，難以滿足同時測試多路交流電壓的要求。專業廠商的專業電能質量記錄儀可滿足電能質量檢測需求，但價格高昂，難以滿足特定應用要求或定製化需求，例如車載運行記錄等。
在車載應用時，需要長時間記錄部件的用電或供電情況，例如，連續記錄城軌車輛上電後車載空調運行的用電數據，以確定空調斷路器故障；實時連續記錄車載電機的用電情況，以預防車輛運行過程中可能的軸承固死等故障。
車載系統異常或故障原因主要涉及非線性負載、電容器投切、大功率負載運行和起停、設備因素等。對於電能質量的測量，主要涉及表徵電能及其特徵的主要參數，包括電壓、電流、頻率、功率、諧波、電壓波動、三相不平衡等。
1 系統設計
結合實際應用需求，設計了一種由嵌入式電能質量檢測設備和數據處理模塊組成的電能質量監測系統。檢測設備實現電能參數的實時檢測、記錄和輸出、處理和顯示，以及進行異常檢測。數據處理模塊對記錄和輸出的檢測數據進行進一步的數學處理，運用一定的算法，實現電能相關表徵參數數據的計算和輸出，以及進行異常分析。
1.1 檢測設備設計
檢測設備的核心採用集成了多種通用接口的嵌入式處理器。檢測設備通過高速模數轉換模塊實現電壓電流數據的實時採集；採用集成顯示存儲的液晶顯示屏（liquid crystal display, LCD）模塊顯示系統信息和參數信息；採用安全數字存儲卡（secure digital memory card, SD）存儲測試數據；採用通用異步收發傳輸器（universal asynchronous receiver and transmitter, UART）實時輸出檢測數據。
該處理器通過串行外設接口（serial peripheral interface,SPI）與LCD顯示模塊的通信，通過SD主控制器採用1位模式（1-bit mode）實現SD存儲模塊訪問，採用輸入輸出接口（input/output, IO）實現按鍵輸入功能和有機發光二極體（organic light emitting diode, OLED）狀態顯示功能。檢測設備功能框圖如圖1所示。
1.2 電壓檢測和電流傳感器
電壓檢測部分採用變壓整流的方式將中高壓交流電變換為易於安全測量的低壓電。系統應用環境為AC 400V及以下，故採用變壓器實現從AC 400V至交流低壓（例如AC 24V）的電壓變換。
本設計中，變壓器的電壓測試數據如下：①數據1，一次側AC 242.22V，二次側14.22V；②數據2，一次側AC 415.8V，二次側24.48V。因此，可確定變壓係數約為17.0。變壓器的測試參數一次側電阻276.0Ω，二次側電阻1.1Ω。
考慮到儘量保障測試數據的完整性和不失真，並且便於後續算法處理，因此，採用橋式整流電路對變換後的AC 24V電壓進行整流，並採用分壓電路使被測信號符合嵌入式處理器模擬量輸入接口的要求。交流電壓轉換電路如圖2所示。對於三相電壓的同時檢測，需同時採用3個圖2所示的電路，可以採用相電壓檢測或線電壓檢測的方式連接，前者需要採用共地連接。
基於圖2的分壓參數和變壓器的測試參數，考慮到嵌入式處理器模擬量輸入接口的電壓範圍[0V, VREF]，其中VREF [1.0V, 3.3～0.6V]，在忽略整流電路誤差影響情況下，可計算出檢測設備的電壓測量範圍[0V, 657.33V]，該最大測量電壓大於三相系統標稱電壓（AC 220V/380V）的最大線電壓值537.32V。該設備電壓檢測範圍符合本系統的應用要求。對於更大範圍電壓的檢測，可通過調整分壓電阻和更換變壓器實現。
檢測設備電流檢測採用開合式懸掛安裝、非接觸式的霍爾開合電流傳感器。該電流傳感器通過測量磁通量的方式確定被測對象的電流，並以模擬電壓輸出的形式表徵被測電流的大小。對於模擬電壓輸入不符合嵌入式處理器模擬量輸入接口電壓範圍時，可採用圖2所示的分壓電路，參照驅動電流大小，確定合適的分壓電阻值，實現電平的轉換。
電流傳感器的量程需符合被測系統或設備的電流等級。檢測設備採用的霍爾電流傳感器參數如下：供電電壓+5V，額定模擬量輸出為2.5±0.625V，電流消耗小於40mA，精度1%，線性度1%，響應時間小於3s；輸入電流測量範圍可選，從±20A到±500A。
1.3 數據處理模塊
系統數據處理模塊可分為兩部分，分別是檢測設備數據處理部分和電腦及軟體（上位機）數據處理部分。檢測設備實時測量被測對象的電壓和/或電流，並對所測量的數據進行實時處理分析，例如計算線路的線/相功率；檢測設備採用LCD顯示模塊實時動態顯示被測對象的電壓、電流和功率等。檢測設備通過UART接口實時輸出測量數據至上位機或採用SD存儲卡記錄測量數據。
檢測設備輸出或SD存儲卡記錄的測量數據在導入電腦（上位機）後，可對測試數據進行進一步的處理分析，例如功率計算、諧波分析、故障檢測等。採用離線方式對檢測設備輸出或SD存儲卡記錄的測量數據進行處理，實現系統功率計算，判斷電壓波動、三相不平衡等異常狀況，並採用離散傅立葉變換（discrete Fourier transform, DFT）等算法實現諧波分析等，進而從整體上實現全面的被測線路電能質量分析。
2 檢測設備實現
2.1 電壓和電流檢測接口
檢測設備將電壓傳感器（變壓器）集成於檢測設備控制盒內，採用1500V絕緣電壓等級的表筆線纜或線卡線纜，表筆或線卡連接被測設備，線纜通過線纜插孔連接變壓器。電壓測量時，被測量信號經過從表筆或線卡到變壓器再到整流分壓電路的測量線路進入嵌入式處理器的模數轉換接口。電壓測量線路如圖3所示。
為了保障測試準確度和方便數據處理，檢測設備採集頻率較高，以保障檢測的數據為同一時刻的電壓和電流信息。
電能質量檢測設備接口板如圖4所示，接口板提供電流傳感器接口和變壓器接口，併集成了整流及分壓模塊；接口板提供SD存儲接口，並具有功能配置接口。
2.2 SD存儲模塊
檢測設備採用SD存儲卡存儲數據。嵌入式處理器通過SD主控制器接口連接SD存儲卡，採用1位模式實現SD存儲卡數據的讀取和寫入，實現測試數據及參數的實時存儲。SD存儲卡與處理器連接的物理信號由VCC、GND、CLK、CMD和DATA組成。
檢測設備採用FatFS文件系統對SD存儲卡進行塊讀寫，提高操作效率。由於軟體實現中未採用實時嵌入式作業系統，檢測設備採用循環方式輪詢採樣四個模擬輸入接口的數據，在一個採樣周期內全部四個接口採樣完成後再統一將數據及其時間戳存儲在SD存儲卡或通過UART列印輸出。當某個模擬輸入接口無輸入信號時，檢測設備也進行採樣。通過應用以上多種策略，保障了每個數據間隔時間的一致性。
為了避免大文件處理，檢測設備採用多個文件順序存儲採樣數據，具體如下：
1）文件分為數據文件和索引文件，數據文件用於存儲數據，索引文件用於指示設備目前已操作的文件；最簡單的索引文件內容為存儲當前操作的數據文件名或序號。
2）順序命名每個數據文件名稱，例如：TD000001，TD000002。
3）每個數據文件存儲確定數目的數據，例如，2048行數據，每行4個採樣數據；數據之間採用「；」分割，行末換行。
4）當數據文件中數據存儲滿後，按命名順序新建另一文件，並在該文件中存儲數據；同時，更新索引文件內容。對於設備重新起動後開始的數據採集，先讀取索引文件內容，按命名順序確定新文件名並新建新文件；之後，採用新建的文件存儲數據。
參照平臺軟體開發包中的SD存儲卡操作程序，檢測設備可實現16GB容量SD存儲卡讀寫，但不支持64GB容量。以C中描述內容為例，每個數據文件大小為36KB，索引文件大小可忽略，則16GB容量SD存儲卡可存儲約466033個數據文件。若以周期1ms採集並存儲四個模擬輸入接口的數據，則16GB容量SD存儲卡可連續存儲265h的監測數據。
2.3 檢測設備實現
檢測設備採用集成CC3200處理器的CC3200- LAUNCHXL平臺作為主控模塊；採用LCD模塊實現LCD顯示功能；採用BoosterPackTM標準擴展頭接口實現電能質量檢測接口板、LCD模塊與平臺的連接。
在線監測應用時，檢測設備可採用電腦USB接口供電。在該方式下，可通過USB接口直接獲取檢測設備列印的測試數據或計算結果。車載離線應用情況下，一般採用開關電源將車載電源轉換為檢測設備需要的+5.0V或+3.3V電源。通過定製化設計，可實現多個電壓、多個電流、或電壓電流組合方式數據的同時實時檢測，檢測設備如圖5所示。
3 諧波分析理論（略）
系統採用DFT實現信號從時域到頻域的變換，獲取信號的頻譜信息，進而在頻域上對信號進行進一步分析。理論計算中，以標準正弦波為例。檢測設備測量的數據為整流後的波形，如圖6所示。
如圖6中所示波形，對一個周期內的信號連續取樣N點。DFT的時間序列和頻率序列的周期都是N。經公式計算，即在交流被測信號點對稱的情況下，對信號半個周期採樣，便可獲取全周期的頻域信號。進一步，可認為在該情形下採用半波整流的方式也可實現諧波分析。
4 系統應用
4.1 測試及分析
在某城軌車輛運用過程中，出現空調三相電壓監控繼電器模塊頻繁故障問題。基於供應商溝通意見、故障調研分析、故障信息統計結果、空調櫃供電線路分析，初步判斷故障可能是由於設備投切過程中較大瞬態電流或浪湧電壓衝擊引起，需要監測車輛（空調）起動後連續時間（15min、30min等）內故障空調櫃內空調三相電壓監控繼電器的電壓。空調櫃空調三相電壓監控繼電器模塊如圖7所示。
經測試，空調電源頻率50Hz，線路相電壓有效值225V，線電壓有效值387V，在1.2節中所計算的電壓測量範圍內。因此，理論和實際均表明，該檢測設備完全滿足本案例測試要求。針對不同的測試需求和計算要求，可通過設置檢測設備的採樣頻率，實現具體的實際應用需求。
例如，採樣周期為1ms時，每周期約採集20個點；採樣周期為278s時，每周期約採集72個點。後者，可以更好地保留被測信號的特徵，易於提高測試準確度和計算精度。圖8所示為設備測試的空調櫃空調三相電壓監控繼電器模塊相電壓（1ms）和線電壓（278s）的測試數據波形。
圖8給出了工頻信號在不同採樣周期（頻率）下的兩個周期的相電壓和線電壓。從圖8可看出，相比於1ms採集周期的數據波形，278s採集周期的數據能更準確地反映實際信號。在278s採樣周期下，使用筆記本電腦（Lenovo P470）通過USB串口獲取檢測設備列印數據時，存在採集數據存儲過程中間斷性丟失約2個周期的採樣數據的情況；當採用高性能的桌上型電腦（ThinkCentre M710t）獲取採集數據時，可以避免採集數據丟失情況。
所測試的電壓最大值與實際值誤差約為-15V（以Fluke萬用表為參考）。考慮到整流二極體所帶來的分壓誤差情況，優化檢測設備參數和算法，可實現更為準確的測量。
在測試過程中注意到，該空調櫃為三相三線制，三相電壓監控繼電器模塊未有地線接入。當採用本檢測設備測量單線電壓時（檢測設備地線接入屏櫃地），立即引起空調三相電壓監控繼電器模塊動作和空氣開關自動斷開現象；當採用萬用表測量單點時（萬用表地線接入屏櫃地），未出現該現象。
在本例測試中，引入了實際地，由於虛擬地與實際地有電壓差，檢測設備接入後就引起較大的瞬態電流或浪湧電壓，漏電保護設備檢測到電流變化或浪湧電壓觸發供電電路斷開。
在本例測試中，由於本檢測設備引入地線時，引起較大的瞬態電流或浪湧電壓，與車載空調三相電壓監控繼電器頻繁故障現象一致，更進一步明確了故障可能是由於空調設備運用過程中狀態變換、負載不均衡或設備投切過程中的較大瞬態電流或浪湧電壓衝擊引起。
4.2 諧波分析
基於測量的交流電壓數據，採用DFT進行諧波分析。本例中數據採樣周期為1ms時，以整流後測量的電壓數據和基於整流後的數據恢復的全周期電壓數據為樣本，分別進行32個採樣點的DFT變換。圖9所示為全周期交流信號的DFT。
從圖9可知，1～4倍基波頻率（2fs/N，fs=1/1ms= 1kHz，N=32）的諧波分量為諧波的主要組成，其他頻率諧波分量基本可忽略；考慮到實際應用情況，對於所測的較為理想的交流信號，可認為50Hz處諧波分量最大，100Hz諧波分量次之，其他頻率諧波分量基本可忽略。
從圖9（a）和圖9（b）可知，基於整流後的數據進行DFT變換，直流分量幅度很大；從圖9（c）和圖9（d）可知，基於恢復的數據進行DFT變換，直流分量幅度相對變小。
圖10為半周期交流信號的DFT。從圖中可看出，半周期交流信號與全周期交流信號的DFT結果高度相似。
以上分析的被測電壓具有較少的直流分量；對於理想的交流電壓，可認為無直流分量。實際應用中，系統或多或少會受到直流分量影響。由於本檢測設備電壓傳感端應用了變壓器，因此，直流電壓分量將被濾除。若需檢測系統的直流分量，需對電流傳感器採集的電流數據進行諧波分析。通過第3節中DFT公式，可知直流分量在頻域中體現在X（0）處。
基於以上理論推導和計算分析，在實際應用中，對於檢測設備採用的全波整流分壓採樣電路，忽略整流環節電壓損失的情況下，在一定程度上，可採用對整流後的數據進行DFT變換的方式或採用半周期交流信號DFT變換的方式來進行被測交流電壓的諧波檢測。
5 結論
本文設計實現的電能質量監測系統實現了電壓、電流等參數的實時檢測、記錄和顯示，可在電壓不高於三相400V的交流檢測環境中應用。本文以空調三相電壓測試數據為例，詳細描述了基於DFT的諧波檢測方法。基於檢測設備輸出或記錄的監測數據，系統可以實現離線方式下的全面電能質量分析。
在採用集成了更多路模擬輸入接口的嵌入式處理器時，可實現多路三相系統電壓、電流等參數的同時監測。在採用更高性能處理器的情況下，可將離線的數據處理功能和系統算法集成到嵌入式處理模塊內，實現電能質量在終端的實時分析和顯示，這也為後續工作指明了方向。