電能質(zhì)量監(jiān)測儀的設計與實現(xiàn)

陳蓉，劉雙劼

（蘇州大學軌道交通學院，江蘇，蘇州 215131）

隨著用電需求的不斷增加，大量電力電子設備接入電網(wǎng)，使得電網(wǎng)中產(chǎn)生諧波、電壓波動和電壓閃變等問題，嚴重影響了電力系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定，用戶側(cè)的電子設備也會受到電力系統(tǒng)電能質(zhì)量的影響[1-3]。此外，資源、環(huán)境問題的日趨嚴重，為電力產(chǎn)業(yè)改革帶來契機，分布式發(fā)電成為新的研究熱點，但該技術也會影響電力系統(tǒng)的供電質(zhì)量，如分布式發(fā)電功率隨機變化會引起電壓波動、電壓閃變等電能質(zhì)量問題，給電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行帶來新的挑戰(zhàn)[4-6]。因此，電網(wǎng)電能質(zhì)量的監(jiān)測尤為重要，研制滿足電力工業(yè)需求的電能質(zhì)量監(jiān)測裝置對研究電能質(zhì)量問題具有重要意義[7-9]。

傳統(tǒng)電能質(zhì)量測量儀一般多基于8 或16 位單片機來設計實現(xiàn)，存在處理速度慢、硬件結(jié)構(gòu)不夠完善等缺點。運用DSP 處理器的監(jiān)測儀處理速度快、精度好，但成本高、功耗大[10]。該研究基于高性能單片機STM32F405，設計一種簡易的電能質(zhì)量分析儀，可實現(xiàn)對電信號基波電壓、基波電流、功率因數(shù)、基波功率、諧波電壓和諧波電流的有效測量。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)的硬件電路主要由信號前端采集電路、信號調(diào)理電路、基于STM32F405 的CPU 電路以及LCD人機交互電路組成。信號前端采集電路采用電壓、電流互感器和電阻電路變換電壓、電流信號，信號經(jīng)處理后送入以運算放大器TLV2371 為主的信號調(diào)理電路中，轉(zhuǎn)換得到幅值大小合適的電壓、電流信號，再送入以STM32F405 為核心的CPU 電路進行計算和顯示，采用LM240120BCW 液晶顯示模塊顯示當前測量的基波電流和電壓、諧波電流和電壓、基波功率值等。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件電路設計

系統(tǒng)硬件處理電路部分主要包括信號前端采集電路和信號調(diào)理電路。交流電壓、電流信號分別通過兩路處理電路，轉(zhuǎn)換成可供STM32F405 測量的電壓信號，便于后續(xù)測量和顯示。

2.1 信號前端采集電路

信號前端采集電路分為電壓前端采集電路和電流前端采集電路。為方便STM32F405 單片機對交流信號的電壓、電流幅值進行測量，待測信號首先需分別通過由電壓、電流互感器和采樣電阻組成的信號前端采集電路，得到幅值較小的交流信號。

2.1.1 電壓前端采集電路

電壓前端采集電路采用2 mA/2 mA 的電流型電壓互感器DL-PT202H1，飽和電壓為4 V?；ジ衅髟吙缃右粋€100 kΩ 的限流電阻，可將電壓信號轉(zhuǎn)換成2 mA 左右的電流信號送入互感器，互感器副邊按1∶1 等比輸出2 mA 左右的電流信號?；ジ衅鞲边吷峡缃右粋€200 Ω 的采樣電阻，采樣電壓小于互感器飽和電壓，可采用直接電阻采樣法，電壓前端采集電路如圖2 所示。高電壓信號通過該電路轉(zhuǎn)換成低電壓信號，后續(xù)送入信號調(diào)理電路。電壓信號轉(zhuǎn)換前精度為千分之五，轉(zhuǎn)換后精度提升為千分之一。根據(jù)圖2 所示電路設計，信號前端采集電路的輸入輸出信號計算公式如式（1）所示：

圖2 電壓前端采集電路

式中，Vi為待測信號，V1為U1 點電位，即信號前端采集電路的輸出電壓。

2.1.2 電流前端采集電路

電流前端采集電路采用10 A/5 mA 的穿心式電流互感器DL-CT1005AP，該電流互感器精度高，一致性好，主要用于電流精密測量與保護。原電流信號輸入電流互感器，互感器副邊按2 000∶1 的變比輸出電流小信號，副邊上跨接一個200 Ω 的采樣電阻，采樣電壓小于互感器飽和電壓2.8 V，可采用直接電阻采樣法，電流前端采集電路如圖3 所示。原電流信號通過該電路轉(zhuǎn)換成低電壓信號，后續(xù)送入信號調(diào)理電路。

圖3 電流前端采集電路

2.2 信號調(diào)理電路

該設計中采用的單片機STM32F405 的ADC 采樣范圍為0～3.3 V，而經(jīng)信號前端采集電路處理輸出的信號幅值范圍是-1.5～1.5 V 左右，不能直接送入單片機進行計算。因此，信號經(jīng)過前端采集電路后，需要送入信號調(diào)理電路進行處理，得到0～3.3 V 的電壓信號。電壓、電流處理電路中的信號調(diào)理電路相同，以電壓信號為例，圖4 所示為信號調(diào)理電路設計圖，低電壓信號送入信號調(diào)理電路，經(jīng)過放大器電路和一個電阻I/V轉(zhuǎn)換，得到可供單片機STM32F405 測量的電壓信號。運算放大器U4 選用TLV2371，TLV2371 具有滿電源幅度輸出功能，同時具有高阻抗傳感器接口的CMOS 輸入特性以及低壓運行功能，電源電壓范圍為2.7～16 V，供電電壓范圍廣。設計中增加C25用于對互感器產(chǎn)生的相位變化進行補償，R23和C26可濾除5 kHz 以上的信號。

圖4 信號調(diào)理電路

由MC1403D芯片組成的基準電源模塊為TLV2371芯片供電。MC1403D 芯片的輸出電壓與溫度無關，可用作參考電壓源。該電路是高精度、低溫度漂移的基準電壓電路，輸出電壓+2.5 V，輸出電流10 mA。

根據(jù)圖4 所示信號調(diào)理電路設計，電壓轉(zhuǎn)換的計算公式如（2）所示：

由運算放大器的虛斷可得：

由式（2）、（3）、（4）和Vr=2.5 V 可得電壓轉(zhuǎn)換的計算公式為：

式中，Vo為輸出電壓信號，V1為輸入信號調(diào)理電路的電壓信號，Vi為待測信號。V1的范圍是-1.5～1.5 V 左右，經(jīng)過信號調(diào)理電路，將其抬高至0～3.3 V 范圍內(nèi)，輸出信號Vo的幅值變化范圍滿足單片機STM32F405 內(nèi)部集成ADC 的采樣范圍。

2.3 基于STM32F405的單片機最小系統(tǒng)

該設計選用的主處理器是ST 公司開發(fā)的STM32F405，它是STM32 系列中的高性能產(chǎn)品。與前代STM32 系列單片機相比，其具有功耗低、速度快、性能強的優(yōu)勢[11-13]。STM32F405 是基于ARM Cortex-M4 內(nèi)核的32 位閃存微控制器，處理速度為168 MHz/210DMIPS，集成1 MB 的Flash 和多達192+4 kB 的RAM，具有高性能的信號處理和浮點運算能力。同時，STM32F405 帶有多重AHB 總線矩陣，DMA 控制器和3 路I2C 接口，集成了單周期的DSP 指令和FPU 并行計算功能，支持程序執(zhí)行和數(shù)據(jù)傳輸并行處理。數(shù)據(jù)可以通過DMA 直接傳輸，在I2C 總線讀取數(shù)據(jù)到緩沖區(qū)，提高數(shù)據(jù)的采樣和處理速度，使程序的執(zhí)行效率顯著提高[14]。

3 系統(tǒng)軟件設計

該設計中主程序主要完成系統(tǒng)時鐘、定時器、A/D 和LCD 顯示的初始化設置，然后根據(jù)接口輸入信號執(zhí)行各個模塊的子函數(shù)，進行計算和顯示。待測信號通過信號前端采集電路和信號調(diào)理電路的轉(zhuǎn)換后送至STM32F405，由單片機內(nèi)部A/D 采樣和基4FFT 計算出輸入信號的有效值和各頻率分量，根據(jù)電壓、電流的有效值和相位差計算出基波功率、基波功率因數(shù)，在液晶屏上將測量結(jié)果顯示出來。系統(tǒng)主程序流程圖如圖5 所示。

圖5 系統(tǒng)主程序流程圖

3.1 AD采樣子程序

該設計中，A/D 采樣采用DMA 雙緩沖結(jié)構(gòu)，主要程序設計為：配置ADC 定時器，配置兩相ADC 通道的GPIO 為模擬輸入，兩個ADC 同步采樣，采用注入式模式；配置DMA 模式和DMA 通道，定義DMA 的中斷優(yōu)先級、中斷入口函數(shù)和數(shù)據(jù)的使用。DMA 雙緩沖結(jié)構(gòu)的主要原理為：分配兩塊同樣大小的內(nèi)存作為DMA 目標地址，分別稱為緩存1、緩存2；配置DMA 模式，緩存1 或緩存2 作為目標地址接收數(shù)據(jù)；接收到DMA 中斷，則轉(zhuǎn)換DMA 配置模式。如此不斷循環(huán)，緩存1、緩存2 輪流作為目標地址接收數(shù)據(jù)，同時處理、應用另一緩存區(qū)內(nèi)已接收到的數(shù)據(jù)。

由此可見，使用DMA 雙緩沖結(jié)構(gòu)不僅可以實現(xiàn)同時接收和處理數(shù)據(jù)，從時域上保證采樣的連續(xù)性，而且具有循環(huán)特性，使占用的存儲區(qū)空間容量大大降低，能有效減少CPU 的負荷。

3.2 基4FFT測量子程序

FFT 的基本思想是對非正弦周期信號的時間連續(xù)信號用采樣裝置等間隔采樣，并把采樣值依次轉(zhuǎn)換成數(shù)字序列，然后借助計算機進行諧波分析。基2FFT 算法是把序列每次一分為二，最后分割成兩點DFT。若每次把序列一分為四，就得到了基4FFT 算法?；?FFT 算法的處理結(jié)構(gòu)由蝶形運算單元組成，通過將運算過程中的復數(shù)操作數(shù)和旋轉(zhuǎn)因子重新排列，將流水線方式與并行結(jié)構(gòu)思想相結(jié)合，可以用循環(huán)序列表示基4FFT 計算結(jié)構(gòu)的遞推關系，大量減少計算過程中的加法和乘法次數(shù)[15-16]。由此可見，基4FFT 算法具有運算量少、運算效率高等優(yōu)點。

程序設計中，輸入信號經(jīng)A/D 采樣后，采樣數(shù)據(jù)被放入FFT 輸入緩沖區(qū)，進行基4FFT 運算?；?FFT子程序找到輸入信號的極大值點數(shù)，將其對應的下標存在數(shù)組中，通過尋找極大值得到各頻率分量，根據(jù)數(shù)組中存放的傅里葉變換的實部和虛部求出信號的有效值及相角等數(shù)據(jù)，在LCD 屏上顯示測量結(jié)果。

3.3 LCD子程序設計

LCD 顯示界面主要包括基本電參數(shù)、電壓諧波分析和電流諧波分析3 個界面。主要程序設計為：設計顯示界面的文字和布局，設置按鍵功能；初始化LCD，設置LCD 的顯示模式；設置LCD 屏上打印數(shù)據(jù)的起始位置；自定義符號，便于參數(shù)的表達；LCD 接收數(shù)據(jù)，同時接收到數(shù)據(jù)的位置信息，根據(jù)字模庫將點陣信息打印在LCD 屏上。按下按鍵可以切換顯示電壓諧波分析、電流諧波分析界面。

4 測試結(jié)果與分析

電路設計及制作完成后，進行硬件及軟件調(diào)試。硬件調(diào)試方法如下：依次測試信號前端采集電路和信號調(diào)理電路的輸入、輸出信號波形，以檢驗電路功能是否都達到預期效果；待每一級電路測試結(jié)果正常后，再將經(jīng)電路處理后的信號輸入單片機STM32F405 完成計算和顯示工作，進行系統(tǒng)的整體性能測試。

測試中，可在系統(tǒng)中加入額定功率不同的用電器。按下不同的功能按鈕，LCD 顯示屏可顯示基波電壓、基波電流、功率因數(shù)、基波功率等數(shù)據(jù)，并且可以查看對諧波電壓、諧波電流的分析結(jié)果。將處理電路的輸出信號接入示波器，可以觀察到電壓信號和電流信號都被近似還原成幅值在0～3.3 V 范圍內(nèi)的正弦信號，達到預期設計效果。LCD 屏顯示測量參數(shù)，該儀器不僅能測量出基波電壓、基波電流、功率因數(shù)和基波功率，而且能測出待測信號中諧波的電壓幅值和電流幅值。改變用電器的額定功率大小，系統(tǒng)測試結(jié)果如表1 所示。

表1 系統(tǒng)測試結(jié)果

表1 中基波電壓、基波電流、基波功率、功率因數(shù)為該文設計的電能質(zhì)量監(jiān)測儀的測量結(jié)果，標準電壓和標準電流為三相電能質(zhì)量分析儀CA8336 的測量結(jié)果。將基波電壓、基波電流、基波功率、功率因數(shù)、諧波電壓、諧波電流等測量結(jié)果與三相電能質(zhì)量分析儀CA8336 的測試數(shù)據(jù)進行比對，該電能質(zhì)量監(jiān)測儀的各測量參數(shù)均較為準確，誤差較小。由表1測量結(jié)果可知，額定功率為500～2 000 W 的用電器測得的功率因數(shù)都為1，由于測試中采用的用電器都屬于阻性負載，阻性負載的功率因數(shù)為1，與測試結(jié)果相符。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，具有較強的實用性。

5 結(jié)論

該文基于STM32F405 設計了一款簡易的電能質(zhì)量監(jiān)測儀，經(jīng)測試，該監(jiān)測儀可實現(xiàn)對電信號基波電壓、基波電流、功率因數(shù)、諧波電壓、諧波電流和基波功率的有效測量，由LCD 屏顯示測量結(jié)果。該電能質(zhì)量分析儀結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，操作便捷，測量準確，測量速度快，具有較強的實用價值。