基于ARM的电能质量监测系统设计与研制

郑则诚 张军达 朱欣

摘 要：针对冲击性负荷对电能计量的影响，本文提出了一种基于ARM的电能质量监测系统设计方案，包括系统硬件电路设计和软件设计。利用标准表对所研制设备的检测误差进行测量，并应用于京沪高速铁路华苑变电所完成实测。测试结果表明，该方案相较于传统电能质量监测具有精度高和实时性强等优点，并且对提高电能计量设备的便携性，以及降低设备能耗方面，具有一定的参考意义。

关键词：电能质量 ARM 远程通信

中图分类号：TM933 文献标识码：A 文章编号：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

近年来高速铁路以其节能、环保、高效、安全、舒适、快捷、准时等特点已成为世界铁路的新潮流。电力机车作为大功率单相整流负荷，对于三相对称的电力系统供电将产生三相不平衡的谐波电流和基波负序电流注入系统，引起公共连接点母线的谐波电流、谐波电压、三相电压不平衡度等多项电能质量指标超标，严重影响电力系统安全、经济、稳定运行[1-2]。然而，传统电能表以及回路状态检测设备缺乏实时性，再加之高速铁路的间歇性负荷特点，使传统电能计量方法无法实现[3-4]。

本文介绍了基于STM32F103的电能计量与远程通讯功能的监测设备设计方案，充分利用STM32丰富的片上资源，在提高测量精度的同时也增强了系统的实时性和可靠性。最后，对该监测设备的检测误差进行测试，并应用于京滬高速铁路华苑变电所实测。

1 系统硬件设计

整个系统的构成（如图1所示），被测量的三相交流电压和电流由传感器输出后经信号处理后进入微控制单元，实现电压、电流、功率和频率等电能指标的计算[5]，并通过485和GPRS的通讯方式与上位机进行数据交换。

1.1 测量电路

传统测试设备大多采用基于磁耦合方式的电流互感器采集二次回路电流，而由电流互感器感应得到的电流信号需转换成电压信号才能进行测量或者模数转换。本文选用仪表放大器AD623（如图2所示）对电阻两端电压进行放大，即将电流转换信号为电压信号后，由放大器将电压信号进行放大。具有较好的随增益增大而增大的交流共模抑制比，进而保持较小的误差。

1.2 模数转换

采集到的信号需经过模数转换电路，再进入微处理器进行数据处理。由于涉及三相电压与电流，故选用亚德诺公司的AD7609 A/D转换芯片，具有8路同步采样差分输入，18位电荷再分配逐次逼近型模数转换器，较为灵活的数字滤波方式，以及高速串行和并行接口。

1.3 CPU

选用ST公司的STM32F103VET6作为数字信号处理器，具有运算速度快、处理能力强、接口丰富、功耗低等优点，适用于该便携式监测设备。其内核为ARM的Cortex-M3 32位RISC，工作频率72MHz。采用哈佛结构，可同时进行数据访问和指令操作，且集成乘法器，运算效率高。

具有64K和512K字节的SRAM和闪存程序存储器；3个转换时间为1μs的12位模数转换器；21个输入通道，112个快速I/O口；11个定时器，其中高级定时器2个，看门狗定时器2个，及系统时间定时器1个；2个I2C接口，3个SPI接口，CAN、USB 2.0和SDIO接口各1个，5个USART接口。

在调试方面，同时支持单线调试和JTAG接口调试，且内嵌跟踪模块。

1.4 通讯电路

为直观地监控电力数据，需将采集到的数据传输至客户端后台服务器进行分析，并根据现场运行情况随时由后台管理软件下达指令更改设备参数。

以GPRS通讯模式将采集到的电网电压、电流等电能信息，通过无线传输的方式传送至后端服务器。采用结构简单、通信距离和数据传输速率适当的RS-485通信方式，将后台服务器下发指令传送至微处理器。

选用具有故障保护功能的SN65HVD1781作为RS-485通讯芯片，最高传输速度达10Mbps，设计电路如图3所示。微处理器输出信号经过四通道DC-25Mbps信号隔离器ADUM5402后，再与RS-485芯片相连。

2 系统电路设计

电能计量设备的远程监测与分析系统的软件主要由测量主机软件和客户端软件组成。测量主机的嵌入式软件采用模块化设计，包括主程序、数据处理程序和通信程序3个模块。其中，主程序负责系统时钟、GPIO口、嵌套中断的配置，及定时器、ADC和通讯模块的初始化等。

数据处理程序负责计算电压、电流有效值以及频率和功率等电力参数。由定时器每隔10ms触发一次模数转换器，转换结束后进入中断服务，再读取转换结果并进行数据处理，实现电力参数的计算。

客户端软件主要实现测量数据的本地显示、误差判断、超差报警、参数设置以及存储管理等功能，并提供WEB SERVER、IEC103等通信规约接口。主要分为数据接收、数据显示和数据输出三大部分（如图4所示）。

3 结果与分析

为验证该电能质量监测设备的准确性，以BD-ID交直流校表仪（0.02级）为标准源，输出交流电压57.7V、电流0.5A/2.5A/5A、相位30°，供给标准表LC2010-3E三相标准功率电能表（0.05级），检测的相对误差小于0.045。

此外，将此监测设备试用于京沪高速铁路华苑变电所。图5为某日22：10～00：40期间内，该高铁变电所三相线路的基频视在功率变化趋势；其中黄色实线为A相，绿色实线为B相，红色实线为C相。

4 结语

准确和快速是在线电能监测的基本要求。数字信号处理技术的迅速发展，为复杂的冲击电荷电能计算提供了良好的条件。本文研制的便携式电能监测与计量装置，不仅能将计量误差控制在标准规定范围以内，满足电能准确计量的基本要求。并且，实现了现场监测与远程实时监控之间的信息交互，提高了现场检验人员的工作效率。随着电力系统的发展，这种基于数字信号处理技术的便携式电能质量监测装置，具有重要的现实意义以及应用价值。

参考文献

[1] 王铁街，甘依依，毕伟.冲击负荷下的智能电能表计量准确性分析及验证[J].电测与仪表，2016，53（15）：98-100.

[2] 彭卉，邹舒，付永生，等.冲击负荷接入电网的电能质量分析与治理方案研究[J].电力系统保护与控制，2014，42（1）：54-61.

[3] Sun T，Hadjsaid N，Xiao X，et al.Power quality & reliability assessment of distribution system considering voltage interruptions and sags[A].The 15th International Conference on Harmonics and Quality of Power （ICHQP）[C]. 2012：751-757.

[4] 刘水，黄洋界，李斌.數字化电能计量检测技术方案研究[J].电测与仪表，2011，48（544）：66-71.

[5] 赵霞，林天华.分布式电能质量信息系统设计与实现[J].科技导报，2013，31（19）：58-61.