基于STM32的同步测量装置研制

蒋淦华

摘要：随着智能电网的快速布局，电力部门经常需要在户外对电网信号参数进行实时检测，而完成电网信号检测功能主要依靠便携式同步测量装置，便携式同步测量装置能够分布式检测多地电网信号，然后将多地电网信号参数进行对比，判断相位属性、线压降等功能。本文提出利用GPS同步信号，采集多地电网信号参数，将采集到电网数据赋予时间信息，利用GPRS通信完成多地数据交互功能。

关键词：便携式;分布式;GPS同步信號;GPRS通信技术

中图分类号：TM761 文献标识码：A 文章编号：1672-9129（2020）08-0067-01

1 系统硬件设计

系统设计框，系统装置为便携式测量仪器，系统供电电源取自于交流电网信号，作用在开关电源上，转换成直流电压作用在各部分电路。

三相交流电压通过电压互感器取小电压，通过钳形电流互感器取小电流，然后经过信号放大、滤波、A/D转换电路输出数字量给控制器ARM处理，换算出电网参数：电压有效值、电流有效值、相位差等参数，系统会根据测量环境保存有一套调标系数，进行校准，系统开机自动读取调标系数。

系统在GPS同步信号作用下实现数据采集，利用GPRS通信技术实现分布式数据交互。系统配有触摸屏，实时显示多点电网信号参数。

1.1嵌入式控制器。系统控制器系统采用ST公司生产的32位处理器芯片STM32F407ZGT6，其支持浮点运算，片上外设资源丰富，处理器最高运行主频为168MHz，时钟系统架构使得控制器具有低功耗功能，非常适合于电力仪器研发装置。

1.2交流取样电路。三相交流信号通过钳形互感器获取到小信号之后，需要经过I/V电路将转换成电压信号。

为了提高测量精度，IV电路中采用运放为低温漂OPA227，电阻R3、R2采用精密电阻，运放输出电压为输入电流I与R3乘积，R2是否起作用取决于三相电流大小。

1.3信号滤波电路系统取样三相交流信号数据时，也会将干扰和噪声信号一并取样进入系统。为了提高系统的测量精度，因此需要通过滤波电路将干扰和噪声信号进行滤除。系统采用滤波电路为三阶低通巴特沃斯低通滤波器，其特点：通频带最为平缓。

巴特沃斯低通滤波器截止频率通过multisim仿真软件对电路中电阻、电容参数进行选择。电网信号的工频为50Hz，系统需要分析30次高次谐波信号，第30次谐波信号频率为1.5KHz，因此系统截止频率设置在5KHz左右。

1.4交流A/D采样电路三相交流信号经过信号取样、滤波之后需要进入高精度A/D转换器，输出数字量提供给主控器进行处理、分析、换算出对应的电网参数。

系统采用TI公司生产的高精度16位ADS8556，理论上能够实现量化误差为1/65536≈0.0015%，该款A/D转换器采样速率高达630kSPS，拥6路通道，能够实现通过对三相电压、三相电流依次采集。

1.5 GPS授时模块。同步测量装置能够实现分布式电网信息采集，主要依靠GPS提供时间信号，系统采用GPS模块提供高精度秒信号作为同步信号，采集到数据也赋予了时间信息。

同步测量装置通过远程通信传输数据时，将时间信息一致的数据信息进行处理、计算、分析，能够很好分析出同一属性线压降、电压电流相位差等功能。

1.6 GPRS通信。同步测量装置数据传输方式有很多种，可以分为有线传输和无线传输，因为系统涉及到户外测量，系统采用无线传输。

无线传输的方式采用GPRS通信技术，GPRS网络覆盖全国，数据传输稳定，采集点分布广泛，只需要接入一张数据流量卡即可，组网成功后，不受地域距离限制，能够极大减轻电力人员工作负担。

2 信号参数算法设计

系统主控器通过A/D转换器采集三相电网数据，如果采用同步采样法，需要在硬件电路上增加同步信号产生电路，三相交流测频电路，考虑硬件设计成本和体积，且同步采样时，电网信号频率处于一个波动范围，采样频率和信号频率很难处于同步关系，尤其是谐波干扰严重时，因此本次系统采用算法为非同步采样法。

非同步采样采样数据抗干扰能力强，但是需要特别注意非同步采样方法带来栅栏效应和频谱泄露现象。本次系统采用高精度GPS秒脉冲作为同步信号，采集三相交流数字量通过4项5阶Nuttal加窗插值算法会极大提高数据精度。

为了减小非同步采样法的频谱泄露带来的影响，再对采集到数字量数据处理时，需要选择合适窗函数，然后再利用过插值算法对FFT结果进行补偿。

基于4项5阶Nuttal窗旁瓣峰值为-61dB，衰减速度为42dB，对抑制频谱泄露作用非常明显，加窗处理后的数字量进行FFT运算，通过选择插值算法减小栅栏效应带来影响。

加4项5阶Nuttall窗系数处理后数字量，需要对FFT数据结果进行插值运算，减小栅栏效应带来影响。

通过对FFT运算后得到一组数据X[N]，从中找出最大值、次大值以及它们所在的序号。

假设k1为最大值序号，k2为次大值序号，设β=|X[k2]|/ |X[k1]|，代入4项5阶Nuttal窗函数中，得到，进而得到信号的幅度、频率、相位。

参考文献：

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