基于ARM的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與研制

鄭則誠 張軍達 朱欣

摘 要：針對沖擊性負荷對電能計量的影響，本文提出了一種基于ARM的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方案，包括系統(tǒng)硬件電路設(shè)計和軟件設(shè)計。利用標(biāo)準表對所研制設(shè)備的檢測誤差進行測量，并應(yīng)用于京滬高速鐵路華苑變電所完成實測。測試結(jié)果表明，該方案相較于傳統(tǒng)電能質(zhì)量監(jiān)測具有精度高和實時性強等優(yōu)點，并且對提高電能計量設(shè)備的便攜性，以及降低設(shè)備能耗方面，具有一定的參考意義。

關(guān)鍵詞：電能質(zhì)量 ARM 遠程通信

中圖分類號：TM933 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）12（b）-0001-03

Abstract：Considering the influence of impact load on the electric network， a design solution for the power quality monitoring system based on ARM which has the low power consumption and high performance is introduced in this paper. This system design mainly includes hardware and software. The measuring error of the developed equipment is tested with a standard instrument， and also is applied in Huayuan substation of Beijing-Shanghai high speed railway. Experimental results show that the design solution proposed has the advantages of the high precision and real-time performance compared with traditional monitoring methods. Also the portability of the electric energy measuring equipment is enhanced and the energy consumption is reduced， which have certain reference value.

Key Words：Power quality； ARM； Telecommunication

近年來高速鐵路以其節(jié)能、環(huán)保、高效、安全、舒適、快捷、準時等特點已成為世界鐵路的新潮流。電力機車作為大功率單相整流負荷，對于三相對稱的電力系統(tǒng)供電將產(chǎn)生三相不平衡的諧波電流和基波負序電流注入系統(tǒng)，引起公共連接點母線的諧波電流、諧波電壓、三相電壓不平衡度等多項電能質(zhì)量指標(biāo)超標(biāo)，嚴重影響電力系統(tǒng)安全、經(jīng)濟、穩(wěn)定運行[1-2]。然而，傳統(tǒng)電能表以及回路狀態(tài)檢測設(shè)備缺乏實時性，再加之高速鐵路的間歇性負荷特點，使傳統(tǒng)電能計量方法無法實現(xiàn)[3-4]。

本文介紹了基于STM32F103的電能計量與遠程通訊功能的監(jiān)測設(shè)備設(shè)計方案，充分利用STM32豐富的片上資源，在提高測量精度的同時也增強了系統(tǒng)的實時性和可靠性。最后，對該監(jiān)測設(shè)備的檢測誤差進行測試，并應(yīng)用于京滬高速鐵路華苑變電所實測。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

整個系統(tǒng)的構(gòu)成（如圖1所示），被測量的三相交流電壓和電流由傳感器輸出后經(jīng)信號處理后進入微控制單元，實現(xiàn)電壓、電流、功率和頻率等電能指標(biāo)的計算[5]，并通過485和GPRS的通訊方式與上位機進行數(shù)據(jù)交換。

1.1 測量電路

傳統(tǒng)測試設(shè)備大多采用基于磁耦合方式的電流互感器采集二次回路電流，而由電流互感器感應(yīng)得到的電流信號需轉(zhuǎn)換成電壓信號才能進行測量或者模數(shù)轉(zhuǎn)換。本文選用儀表放大器AD623（如圖2所示）對電阻兩端電壓進行放大，即將電流轉(zhuǎn)換信號為電壓信號后，由放大器將電壓信號進行放大。具有較好的隨增益增大而增大的交流共模抑制比，進而保持較小的誤差。

1.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換

采集到的信號需經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，再進入微處理器進行數(shù)據(jù)處理。由于涉及三相電壓與電流，故選用亞德諾公司的AD7609 A/D轉(zhuǎn)換芯片，具有8路同步采樣差分輸入，18位電荷再分配逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，較為靈活的數(shù)字濾波方式，以及高速串行和并行接口。

1.3 CPU

選用ST公司的STM32F103VET6作為數(shù)字信號處理器，具有運算速度快、處理能力強、接口豐富、功耗低等優(yōu)點，適用于該便攜式監(jiān)測設(shè)備。其內(nèi)核為ARM的Cortex-M3 32位RISC，工作頻率72MHz。采用哈佛結(jié)構(gòu)，可同時進行數(shù)據(jù)訪問和指令操作，且集成乘法器，運算效率高。

具有64K和512K字節(jié)的SRAM和閃存程序存儲器；3個轉(zhuǎn)換時間為1μs的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器；21個輸入通道，112個快速I/O口；11個定時器，其中高級定時器2個，看門狗定時器2個，及系統(tǒng)時間定時器1個；2個I2C接口，3個SPI接口，CAN、USB 2.0和SDIO接口各1個，5個USART接口。

在調(diào)試方面，同時支持單線調(diào)試和JTAG接口調(diào)試，且內(nèi)嵌跟蹤模塊。

1.4 通訊電路

為直觀地監(jiān)控電力數(shù)據(jù)，需將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至客戶端后臺服務(wù)器進行分析，并根據(jù)現(xiàn)場運行情況隨時由后臺管理軟件下達指令更改設(shè)備參數(shù)。

以GPRS通訊模式將采集到的電網(wǎng)電壓、電流等電能信息，通過無線傳輸?shù)姆绞絺魉椭梁蠖朔?wù)器。采用結(jié)構(gòu)簡單、通信距離和數(shù)據(jù)傳輸速率適當(dāng)?shù)腞S-485通信方式，將后臺服務(wù)器下發(fā)指令傳送至微處理器。

選用具有故障保護功能的SN65HVD1781作為RS-485通訊芯片，最高傳輸速度達10Mbps，設(shè)計電路如圖3所示。微處理器輸出信號經(jīng)過四通道DC-25Mbps信號隔離器ADUM5402后，再與RS-485芯片相連。

2 系統(tǒng)電路設(shè)計

電能計量設(shè)備的遠程監(jiān)測與分析系統(tǒng)的軟件主要由測量主機軟件和客戶端軟件組成。測量主機的嵌入式軟件采用模塊化設(shè)計，包括主程序、數(shù)據(jù)處理程序和通信程序3個模塊。其中，主程序負責(zé)系統(tǒng)時鐘、GPIO口、嵌套中斷的配置，及定時器、ADC和通訊模塊的初始化等。

數(shù)據(jù)處理程序負責(zé)計算電壓、電流有效值以及頻率和功率等電力參數(shù)。由定時器每隔10ms觸發(fā)一次模數(shù)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換結(jié)束后進入中斷服務(wù)，再讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果并進行數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)電力參數(shù)的計算。

客戶端軟件主要實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的本地顯示、誤差判斷、超差報警、參數(shù)設(shè)置以及存儲管理等功能，并提供WEB SERVER、IEC103等通信規(guī)約接口。主要分為數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)輸出三大部分（如圖4所示）。

3 結(jié)果與分析

為驗證該電能質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備的準確性，以BD-ID交直流校表儀（0.02級）為標(biāo)準源，輸出交流電壓57.7V、電流0.5A/2.5A/5A、相位30°，供給標(biāo)準表LC2010-3E三相標(biāo)準功率電能表（0.05級），檢測的相對誤差小于0.045。

此外，將此監(jiān)測設(shè)備試用于京滬高速鐵路華苑變電所。圖5為某日22：10～00：40期間內(nèi)，該高鐵變電所三相線路的基頻視在功率變化趨勢；其中黃色實線為A相，綠色實線為B相，紅色實線為C相。

4 結(jié)語

準確和快速是在線電能監(jiān)測的基本要求。數(shù)字信號處理技術(shù)的迅速發(fā)展，為復(fù)雜的沖擊電荷電能計算提供了良好的條件。本文研制的便攜式電能監(jiān)測與計量裝置，不僅能將計量誤差控制在標(biāo)準規(guī)定范圍以內(nèi)，滿足電能準確計量的基本要求。并且，實現(xiàn)了現(xiàn)場監(jiān)測與遠程實時監(jiān)控之間的信息交互，提高了現(xiàn)場檢驗人員的工作效率。隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，這種基于數(shù)字信號處理技術(shù)的便攜式電能質(zhì)量監(jiān)測裝置，具有重要的現(xiàn)實意義以及應(yīng)用價值。

參考文獻

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