基于STM32光伏发电电能质量监测系统的设计

陈 林, 张 春, 何慧云, 徐星星, 顾 龙

(1.安徽工程大学电气工程学院, 安徽 芜湖 241000;2.安徽省检测技术与自动化装置重点实验室, 安徽 芜湖 241000)



基于STM32光伏发电电能质量监测系统的设计

陈 林1,2, 张 春1,2, 何慧云1,2, 徐星星1,2, 顾 龙1,2

(1.安徽工程大学电气工程学院, 安徽 芜湖 241000;2.安徽省检测技术与自动化装置重点实验室, 安徽 芜湖 241000)

设计了一种基于STM32的低功耗、高性能的光伏发电电能质量监测系统，利用STM32丰富的外设资源与现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)灵活的操控性实现了对电力数据的多通道实时采集。其中，FPGA实现数据的采集与存储控制，STM32实现数据的处理和通用分组无线服务技术(General Packet Radio Service，GPRS)通信控制。该系统能克服传统电能质量监测系统接口单一、数据存储空间有限、实时性差等问题。实验表明该系统能可靠地实现光伏电站运行情况的实时监测。

光伏电站；STM32；数据采集；GPRS

引 言

随着化石能源的不断消耗，能源危机和环境污染等问题日益加剧，“绿色”、“低碳”成为电力系统发展的迫切需求[1]。光伏发电作为一种新的发电模式逐渐得到关注与重视。截至2014年，全国光伏发电累计并网装机容量2805万千瓦，同比增长60%，其中，光伏电站2338万千瓦，光伏年发电量约250亿千瓦时，同比增长200%[2]。

我国光伏电站主要分布在西部地区。由于西部地区特殊的地理环境，工程技术人员难以长期驻守电站，因此需要利用电能质量实时监测系统监测电站运行情况。文献[3-5]提出一种了基于数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)的电能质量监测系统，但由于DSP本身受串行指令的限制，仅能完成简单的数据运算，程序编写过程又比较繁琐，成本相对较高。为此，本文提出一种基于STM32的实时电能质量监测系统，STM32有丰富的外设资源，成本相对较低，能适应现场的工作环境，同时，利用FPGA实现数据的采集与存储控制。因此，所设计系统能克服传统电能质量监测系统存在的精度不高、实时性差、通信接口单一等缺点。

1 系统组成

本系统主要由数据采集模块、数据处理模块、数据传输模块和上位机数据监测显示模块等四部分组成，如图1所示。首先，调理电路把采集到的模拟信号调理成芯片AD7606可识别的输入电压值，由AD7606把模拟信号转换成数字信号。FPGA控制AD7606进行信号采集与数据存储。控制模块ARM控制器STM32F103ZE对采集的数据进行处理，通过RS232与GPRS模块连接，控制GPRS模块与上位机通信。上位机利用Lab VIEW进行开发。

图1 系统框图

2 系统功能实现

2.1 控制模块

本系统选用的控制模块是意法半导体公司一款基于Cortex-M3内核的32位增强型闪存控制器STM32F103ZE。Cortex-M3内核是专门设计用于满足集高性能、低功耗、实时应用、具有竞争性价格特点于一体要求的嵌入式系统[6]。STM32F103ZE的时钟频率为72 MHz，中断方式为中断嵌套方式，Flash闪存最高为128 KB，有两个12位的ADC(转换时间为1 μs)[7]。STM32芯片上丰富的资源大大简化了系统设计对硬件的要求，同时也降低了系统功能损耗。

控制器主要完成以下任务：

(1)对系统进行初始化，开启采样电路以及GPRS通信模块。

(2)控制通用转入/转出转换速率，接收数模采样电路的采样数据，启动A/D中断。

(3)调用中断响应函数，实现数据的同步采集与处理。

(4)通过GPRS模块把处理过的数据发送到PC端，由上位机调用相应的检测算法，对电能质量进行分析。

控制接口如图2所示。

2.2 数据采集模块

根据应用需要，模拟信号采集采用Analog Devices公司的16位AD转换芯片AD7606，该芯片有8个同步采样通道，可处理真双极性、单端输入电压[8]。AD7606读取数据之前首先需要STM32发送一个convst信号给AD7606，AD7606转换完毕后，发送一个busy信号给STM32，此时启动SPI去读取采样之后的值，在配置SPI之前需要注意的是，最高有效位DB15是在CS的下降沿输出的，而DB14到DB0是在SCLK的上升沿输出的。AD7606的模拟输入端VX(X表示数字1至8，分别代表八个编号)处的电阻和电容组成ADC前端的抗混叠滤波器，其衰减频率f=1/(2*pi*R*C)。VxGND(x表示数字1至8，分别代表八个编号)端的电阻需与VX端处的电阻相一致，主要用来消除偏置误差。通常电阻的大小约为10 kΩ。图3为AD7606外围接口电路图。

图2 控制接口图

2.3 GPRS模块设计

GPRS/GSM通信模块主要是为了实现集中器与供电监控部门之间的通信，并可与先进的 GIS地理信息系统共同进行定位[9]。本系统通信模块选用的是SIMCom公司的SIM900A芯片。SIM900A是一个专为中国大陆和印度市场设计的2频GSM/GPRS模块，工作的频段为：EGSM 900 MHz和DCS 1800 MHz，以及GPRS编码格式CS-1、CS-2、CS-3和CS-4。选择SIM900A是因为其内嵌了TCP/IP协议，其扩展的TCP/IP AT命令能够很方便地使用TCP/IP协议，使得本系统在数据传输时非常方便。GPRS模块通过RS232与STM32连接。

图3 AD7606外围接口电路图

3 电源模块设计

STM32F103ZE控制器的工作电压为2.0～3.6 V，FPGA模块供电要求为3.3 V，所以STM32工作电压采用3.3 V。另外GPRS模块单独供电，与系统供电分开。

本系统外接电源为24 V，由开关控制上电/断电。为了提高3.3 V芯片输入输出电压的可靠性，采用二级电压转换策略，增加5 V电源电压设计环节。一级电压转换采用LM2576ADJ芯片作为24 V转5 V电压稳压芯片，其电路图如图4所示。

图4 24 V转5 V电路图

ARM控制器工作电压为3.3 V，因此，二级电压转换采用LM1117-3.3 V低压差线性调压器供电。

LM1117是一个低压差电压调节器。其线性调整率为0.2%(Max)，负载调整率为0.4%(Max)，3.3 V为其固定输出。图5为5 V转3.3 V电源转换电路图。

图5 电源转换电路图

4 监测终端设计

上位机监控终端采用Lab VIEW 进行开发。Lab VIEW是面向最终用户的工具，采用易于编程的图形化语言——G 语言来代替传统的文本式编程语言，简化了科学计算、过程监控和测试软件的开发过程[3]。Lab VIEW系统软件主要由数据采集、数据分析、数据显示与保存四个模块构成。

监测终端设计主要完成以下功能：

(1)管理功能：主要实现用户管理与权限管理。

(2)监测功能：对电能质量进行实时监测，能够显示稳态和暂态电能质量指标信息。

(3)数据分析与处理功能：能够对监测点的电能质量信息进行记录和存储，并能对数据进行进一步处理，能够为电网运行和事故分析提供准确的数据，支持以图形和波形的数据报表导出。

(4)数据库功能：主要实现对数据的分类查询，如按时间节点查询、按时间节点与电流值查询、按时间节点与电压值查询等。

5 实验与分析

为验证系统的可行性与有效性，实验中采用多组电压数据对三个通道进行了测试，图6为TCP协议测试结果。测试结果表明TCP协议接收/发送数据工作正常，服务器端与客户端功能实现正常。三个通道电压测试曲线如图7所示，数据见表1。从表1可知，每个通道电压幅值测量结果相对误差都在0.5%以内，能满足电力监测技术指标中电压测量精度0.5级以内的要求。

图6 TCP协议测试结果

图7 多通道信号测量曲线

表1 多通道信号测量结果

实验结果表明，所设计系统通信功能正常，每个通道测试结果都符合标准，系统采集精度满足要求。

6 结束语

本文以STM32F103ZE与Lab VIEW虚拟仪器技术为核心实现了光伏发电电能质量采集系统，该系统可以实时地对光伏电站运行情况进行监测，依据传输回来的电能质量信息，技术人员可以及时了解电站的运行情况，依据报表信息对电站运行情况进行准确的评估。系统界面简单，易于操作，成本比较低，具有很好的工程应用价值。

[1] 曾正,杨欢,赵荣祥,等.多功能并网逆变器研究综述[J].电力自动化设备,2012,32(8):5-15.

[2] 国家能源局.2014年光伏产业发展状况[EB/OL].(2015-02-15).http://www.nea.gov.cn/2015-02/15/c_133997454.htm.

[3] 邹正华,刘永强,王强.基于DSP和LabVIEW的分布式电能质量监测装置设计[J].电力自动化设备,2010,30(1):122-126.

[4] 周瑜,田会峰.基于DSP与ARM的低电压配电系统电能质量在线监测与分析[J].计算机与数字工程,2014,42(6):948-951.

[5] 韩向可,段立霞.基于DSP的风电场电能质量监测系统设计[J].工业仪表与自动化装置,2014(6):50-52.

[6] 张旭,亓学广,李世光,等.基于STM32电力数据采集系统的设计[J].电子测量技术,2010,33(11):90-93.

[7] STM32F101xx,STM32F102xx,STM32F103xx,STM32 F105xx, STM32F107xx,ARM kernel 32 bit high performance for control reference manual[S/OL].http://www.stmicroelectronics.com.cn/web/cn/catalog/mmc/FM141/SC1169/SS1031

[8] Analog Devices.8/6/4通道DAS,内置16位、双极性输入、同步采样ADC AD7606/AD7606-6/ AD7606-4[M/OL].2010,10.[2015-11-15].http://www.analog.com/cn/products/analog-to-digital-converters/precision-adc-10msps/simultaneous-sampling-ad-converters/ad7606-6.html#product-overview

[9] 肖振锋,袁荣湘,邓翔.基于Xbee与GPRS /GSM 的智能抄表系统[J].电气应用,2013,32(5):34-39.

Design of Photovoltaic Power Quality Monitoring System Based on STM32

CHENLin1,2,ZHANGChun1,2,HEHuiyun1,2,XUXingxing1,2,GULong1,2

(1.College of Electrical Engineering, Anhui Polytechnic University, Wuhu 241000, China; 2.Anhui Key Laboratory of Detection Technology and Automation Devices, Wuhu 241000, China)

A low power consumption and high performance photovoltaic power quality monitoring system based on STM32 is designed to realize multichannel power real-time data acquisition with the rich peripheral resources of STM32 and the flexible control of field programmable gate array (Field-Programmable Gate Array, FPGA), in which, FPGA controls data acquisition and storage ,STM32 controls data processing and general packet radio service (General Packet Radio Service, GPRS) communications. This system can overcome the problems of traditional power quality monitoring system such as single communication interfaces, limited data storage space, poor real-time capability and so on. Experiments show that the system can reliably realize the real-time monitoring on the running condition of the photovoltaic power station.

photovoltaic power station; STM32; data acquisition; GPRS

2015-11-10

安徽省高校自然科学研究重大项目(KJ2015ZD06)

陈 林(1989-),男,江苏仪征人,硕士生,主要从事电力系统及其自动化方面的研究,(E-mail)511396033@qq.com；

张 春(1972-),男,安徽安庆人,教授,硕士生导师,主要从事电力系统及其自动化方面的研究,(E-mail)511396033@qq.com

1673-1549(2016)01-0044-04

10.11863/j.suse.2016.01.10

TM93

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