一種負載電特征參數(shù)監(jiān)測與識別裝置

劉 迪，畢 濤，譚春亮，葛寶川

（1.海軍航空大學航空基礎學院，山東煙臺 264001；2.山東工業(yè)技師學院，山東濰坊 261000）

電能是生產和生活的重要能源，如果沒有電能，世界將變成一片黑暗，生產和生活將難以繼續(xù)，在現(xiàn)如今的高科技時代中，電能所起的作用更加突出，電特征參數(shù)的測量從電產生的時候就是人們研究的熱點問題。隨著電能在當今社會的作用越來越大，供配電系統(tǒng)也變得越來越復雜，用電負載和設備急速增加，對電特征參數(shù)測量的精確度就顯得尤為重要，電特征參數(shù)主要包括：電流、電壓、電能、電功率、功率因數(shù)等，要保障電力系統(tǒng)的正常運行就必須用電測儀表對其進行監(jiān)測[1-3]。電測儀表經歷了模擬化、數(shù)字化、智能化三代的發(fā)展過程。第一代儀表是模擬式儀表，亦稱指針式儀表，例如：指針式電壓表、指針式電流表等。按工作原理可以分為磁電系、電磁系、感應系和電動系四類儀表。隨著人們發(fā)現(xiàn)通電導線周圍有磁場并對小磁針有力的作用，制造出了檢流計、惠斯登電橋等最早的電測儀表。隨后由于新材料的出現(xiàn)，電測儀表在準確度上有了顯著的提高。我國在1956 年開始建設生產電測儀表的工廠，到了70 年代，我國所生產的電測儀表基本上能夠滿足國家內部生產建設的需求。模擬式電測儀表結構比較復雜，精度不高，因此使用的場合具有一定的局限。隨著科技的發(fā)展，第二代數(shù)字式電測儀表出現(xiàn)了。數(shù)字式電測儀表能夠將模擬信號轉化為數(shù)字信號，通過顯示屏進行數(shù)字化顯示，因此數(shù)字式儀表的響應速度快，準確度和可靠性比較高，與模擬式電測儀表相比，數(shù)字式儀表能夠直接讀取測量結果，使用方便。例如：數(shù)字式萬用表等。數(shù)字式測量儀表現(xiàn)在已經被廣泛地使用[4-6]。數(shù)字式電測儀表的缺點是不能適應測量環(huán)境的變化，針對這個缺點，科學家們發(fā)明了智能式電測儀表，智能式電測儀表內部配置有微處理器，能夠自動檢測、自動校正、自動轉換量程和測量量，還可以自動診斷故障等，它通過內部的微處理器，利用軟件對數(shù)據進行采集和處理，大大簡化了電測儀表的整體結構，可以取代人們的部分腦力計算，具備了人工智能的特點。隨著科學技術的飛速發(fā)展，數(shù)據采集測量裝置越來越深入到各種應用領域。在工程領域中，數(shù)據的處理、分析和測試的信息量比較大，系統(tǒng)的控制芯片與各個測量單元的數(shù)據交換量比較大。為了提高測量的準確度和工作效率,數(shù)據采集系統(tǒng)的精度和可靠性越來越被人們所重視，需要研發(fā)出測量精度高、測量參數(shù)多的多功能儀表來滿足電力系統(tǒng)電參數(shù)的測量要求。在民用領域中，發(fā)電廠需要實時監(jiān)測各條線路的工作狀態(tài)和負載的電參數(shù)。在軍事領域中，經常需要控制人員對雷達、聲納等軍事設備電參數(shù)進行實時監(jiān)測與控制，例如：電流、電壓、功率、電能等[7-10]。

1 系統(tǒng)結構

負載電特征參數(shù)監(jiān)測與識別裝置的系統(tǒng)結構如圖1 所示，該系統(tǒng)以STM32 單片機為控制核心，充分利用其豐富的外設接口，通過外圍擴展電路，實現(xiàn)參數(shù)輸入、處理和測量結果顯示。該系統(tǒng)的硬件電路主要包括電流和電壓輸入電路、信號采集電路、電流和電壓互感器、過零檢測電路、A/D 轉換電路、顯示電路、鍵盤控制電路等。該裝置能夠實時顯示負載兩端的電壓、流過負載的電流、負載消耗的功率、電路的功率因數(shù)、負載的電能等，同時能夠識別運行中的負載種類[11-13]

圖1 系統(tǒng)結構圖

2 系統(tǒng)具體實施方案

負載電特征參數(shù)監(jiān)測與識別裝置具體實施方案如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)實現(xiàn)方案

2.1 主控模塊

采用STM32 單片機為控制核心，技術成熟，設計簡單。通過對該系統(tǒng)的合理分析，科學規(guī)劃I/O 端口，完全可以實現(xiàn)系統(tǒng)控制。STM32 系列單片機是目前比較常用的微處理器，在工程項目中，為了滿足和適應工程應用需求，STM32 系列單片機的芯片設計遵循了配置合理豐富、提供選項靈活多樣的原則，例如齊全的閃存容量配置，提供16～1 024 kB 的寬范圍選擇；每一個外設都擁有多種配置選項，使用者可以按照具體需要做出合適的選擇，例如USART 模塊可以實現(xiàn)普通的異步UART 通信以及進行簡單的多機通信等。STM32 系列單片機提供了一個32 位微處理器，保證了外設配置和所有引腳的兼容性，性能較強，功率損耗較低，芯片的集成度較高，開發(fā)應用比較容易[14-15]。

2.2 電壓測量模塊

使用變比1 000∶1 000 的電壓互感器，既可以降低電壓信號滿足電壓采樣要求，又可以隔開高電壓系統(tǒng)，以保證人身和設備的安全。模擬信號經過模數(shù)轉換器轉化為數(shù)字信號送入STM32 單片機，單片機對轉換的結果進行處理，并驅動LCD 顯示結果。該電路簡單，元器件容易獲取，安全性高。電壓測量電路如圖3 所示。

圖3 電壓測量電路圖

2.3 電流測量模塊

使用變比1 000∶1的電流互感器，將大電流信號轉化為小電流信號，再通過電流轉換電路，將電流信號轉化為電壓信號。電路簡單安全，電流可以通過互感線圈的匝數(shù)控制，功耗低。電流測量電路如圖4所示。

圖4 電流測量電路圖

2.4 功率因數(shù)測量模塊

功率因數(shù)是電力系統(tǒng)和用電設備的一個重要指標。在直流電路里，功率等于電流與電壓的乘積；但是在交流電路中，平均功率等于電壓與電流的有效值的乘積再乘以功率因數(shù)，其中功率因數(shù)角是電壓與電流的相位差角。當負載為純電阻時，電壓與電流的相位差角為零，功率因數(shù)為1。對于感性負載或者容性負載的功率因數(shù)介于0 到1 之間。提高用電設備的功率因數(shù)對國民經濟的發(fā)展有著重要的意義。提高功率因數(shù)可以充分利用發(fā)電設備的容量，也可以節(jié)約電能。利用電壓、電流過零檢測電路，檢測兩者方波信號的相位差，計算功率因數(shù)，軟件設計較為容易。

2.5 輸入模塊

鍵盤是一種最基本的輸入設備，它是由按鍵組合而成。通過鍵盤，可以將數(shù)據、地址和命令等輸入到計算機中。該裝置使用矩陣式鍵盤，在按鍵數(shù)量較多時，為了減少I/O 口的占用，按鍵按行和列來排列，形成矩陣形式。該裝置的鍵盤采用4*4 鍵盤，共包括16 個按鍵，其中，包括“0～9”10 個數(shù)字鍵，以及復位鍵、確認鍵、清除鍵、選擇鍵、存儲鍵和瀏覽鍵等。按鍵在閉合或者斷開的一瞬間會出現(xiàn)一連串抖動，這一連串抖動可能會被單片機錯誤讀取幾次，被單片機認為是多次操作。這時要采用去除抖動的方法，通常采用硬件去抖動方法，在按鍵的輸出端與計算機接口之間加一個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路來消除抖動[16-17]。

2.6 顯示模塊

LCD 分為點陣形式、段位形式和字符形式，點陣形式的LCD 顯示屏不僅能顯示數(shù)字和字符，還可以顯示漢字、曲線和圖形，用途十分廣泛。采用點陣型液晶，例如：12864 顯示，優(yōu)點是字庫空間大，能夠顯示漢字及簡單圖形。

2.7 低功耗設計

利用繼電器的輔助觸點控制，使得該裝置在長時間沒有按鍵時關閉顯示器以降低能耗，但要保留測量功能，一旦有按鍵再開啟顯示器。

2.8 抗干擾措施設計

為了防止程序“跑飛”后引起整個程序混亂，可以在軟件上采取抗干擾措施。當程序陷入到一個死循環(huán)后，冗余指令無法恢復程序，可以利用看門狗電路進行即時復位，讓程序重新開始運行[18-20]。

3 系統(tǒng)軟件設計和實驗結果

負載電特征參數(shù)監(jiān)測與識別裝置通過軟件程序來完成其所有功能。該裝置的工作效率由軟件程序的效率直接決定。軟件實施方案如圖5 所示。系統(tǒng)復位啟動以后，經過自檢和初始化后，讀取相關模擬信號，計算電壓和電流。超過門限值，繼電器動作保護電路；低于門限值，經過算法計算，在顯示器顯示出負載的種類。STM32 單片機具有豐富的中斷類型，包括過壓、過流、欠壓、欠流、過熱等。

圖5 軟件實施方案圖

該裝置調試完畢后，經過測量可以得到以下的測試結果，如表1 所示。針對不同用電負載，該裝置對電流、電壓、有功功率和電能的測量值與利用萬用表測量的結果非常接近，驗證了該裝置對負載電參數(shù)測量的準確性和可靠性。

表1 測試結果

誤差分析與補償：該單相負載電特征參數(shù)的監(jiān)測與識別裝置使用的是STM32 系列單片機的芯片，有可能會產生誤差。通常采用以下的補償方法來減小誤差。電壓互感器和電流互感器可能會引起測量誤差，該誤差可通過使用高精度的互感器來解決。

電流輸入通道和電壓輸入通道由于相位的差異會產生相位差，電路中的電流和電壓信號在經過互感器和調節(jié)電路之后會產生相波和無功電流，可以利用該信號進行電力補償，來進一步消除諧波分量。

4 結論

在當今的生活和工業(yè)生產中，電能的作用越來越大，供配電系統(tǒng)也變得越來越復雜，用電負載和設備急速增加，對電特征參數(shù)測量的精確度就顯得尤為重要。文中首先介紹了電測儀表的發(fā)展概況以及在軍事領域和民用領域的需求，隨后介紹了該裝置的組成結構，各功能模塊的工作原理以及程序算法的設計。該系統(tǒng)利用STM32 單片機設計了一種負載電特征參數(shù)監(jiān)測與識別裝置，能夠測量電流、電壓、有功功率、電能等電參數(shù)，并且能夠識別出負載的種類。通過相關實驗，證明了該裝置具有測量準確度高、可靠性好、性能穩(wěn)定、使用方便等優(yōu)點。