一种负载电特征参数监测与识别装置

刘 迪，毕 涛，谭春亮，葛宝川

（1.海军航空大学航空基础学院，山东烟台 264001；2.山东工业技师学院，山东潍坊 261000）

电能是生产和生活的重要能源，如果没有电能，世界将变成一片黑暗，生产和生活将难以继续，在现如今的高科技时代中，电能所起的作用更加突出，电特征参数的测量从电产生的时候就是人们研究的热点问题。随着电能在当今社会的作用越来越大，供配电系统也变得越来越复杂，用电负载和设备急速增加，对电特征参数测量的精确度就显得尤为重要，电特征参数主要包括：电流、电压、电能、电功率、功率因数等，要保障电力系统的正常运行就必须用电测仪表对其进行监测[1-3]。电测仪表经历了模拟化、数字化、智能化三代的发展过程。第一代仪表是模拟式仪表，亦称指针式仪表，例如：指针式电压表、指针式电流表等。按工作原理可以分为磁电系、电磁系、感应系和电动系四类仪表。随着人们发现通电导线周围有磁场并对小磁针有力的作用，制造出了检流计、惠斯登电桥等最早的电测仪表。随后由于新材料的出现，电测仪表在准确度上有了显著的提高。我国在1956 年开始建设生产电测仪表的工厂，到了70 年代，我国所生产的电测仪表基本上能够满足国家内部生产建设的需求。模拟式电测仪表结构比较复杂，精度不高，因此使用的场合具有一定的局限。随着科技的发展，第二代数字式电测仪表出现了。数字式电测仪表能够将模拟信号转化为数字信号，通过显示屏进行数字化显示，因此数字式仪表的响应速度快，准确度和可靠性比较高，与模拟式电测仪表相比，数字式仪表能够直接读取测量结果，使用方便。例如：数字式万用表等。数字式测量仪表现在已经被广泛地使用[4-6]。数字式电测仪表的缺点是不能适应测量环境的变化，针对这个缺点，科学家们发明了智能式电测仪表，智能式电测仪表内部配置有微处理器，能够自动检测、自动校正、自动转换量程和测量量，还可以自动诊断故障等，它通过内部的微处理器，利用软件对数据进行采集和处理，大大简化了电测仪表的整体结构，可以取代人们的部分脑力计算，具备了人工智能的特点。随着科学技术的飞速发展，数据采集测量装置越来越深入到各种应用领域。在工程领域中，数据的处理、分析和测试的信息量比较大，系统的控制芯片与各个测量单元的数据交换量比较大。为了提高测量的准确度和工作效率,数据采集系统的精度和可靠性越来越被人们所重视，需要研发出测量精度高、测量参数多的多功能仪表来满足电力系统电参数的测量要求。在民用领域中，发电厂需要实时监测各条线路的工作状态和负载的电参数。在军事领域中，经常需要控制人员对雷达、声纳等军事设备电参数进行实时监测与控制，例如：电流、电压、功率、电能等[7-10]。

1 系统结构

负载电特征参数监测与识别装置的系统结构如图1 所示，该系统以STM32 单片机为控制核心，充分利用其丰富的外设接口，通过外围扩展电路，实现参数输入、处理和测量结果显示。该系统的硬件电路主要包括电流和电压输入电路、信号采集电路、电流和电压互感器、过零检测电路、A/D 转换电路、显示电路、键盘控制电路等。该装置能够实时显示负载两端的电压、流过负载的电流、负载消耗的功率、电路的功率因数、负载的电能等，同时能够识别运行中的负载种类[11-13]

图1 系统结构图

2 系统具体实施方案

负载电特征参数监测与识别装置具体实施方案如图2 所示。

图2 系统实现方案

2.1 主控模块

采用STM32 单片机为控制核心，技术成熟，设计简单。通过对该系统的合理分析，科学规划I/O 端口，完全可以实现系统控制。STM32 系列单片机是目前比较常用的微处理器，在工程项目中，为了满足和适应工程应用需求，STM32 系列单片机的芯片设计遵循了配置合理丰富、提供选项灵活多样的原则，例如齐全的闪存容量配置，提供16～1 024 kB 的宽范围选择；每一个外设都拥有多种配置选项，使用者可以按照具体需要做出合适的选择，例如USART 模块可以实现普通的异步UART 通信以及进行简单的多机通信等。STM32 系列单片机提供了一个32 位微处理器，保证了外设配置和所有引脚的兼容性，性能较强，功率损耗较低，芯片的集成度较高，开发应用比较容易[14-15]。

2.2 电压测量模块

使用变比1 000∶1 000 的电压互感器，既可以降低电压信号满足电压采样要求，又可以隔开高电压系统，以保证人身和设备的安全。模拟信号经过模数转换器转化为数字信号送入STM32 单片机，单片机对转换的结果进行处理，并驱动LCD 显示结果。该电路简单，元器件容易获取，安全性高。电压测量电路如图3 所示。

图3 电压测量电路图

2.3 电流测量模块

使用变比1 000∶1的电流互感器，将大电流信号转化为小电流信号，再通过电流转换电路，将电流信号转化为电压信号。电路简单安全，电流可以通过互感线圈的匝数控制，功耗低。电流测量电路如图4所示。

图4 电流测量电路图

2.4 功率因数测量模块

功率因数是电力系统和用电设备的一个重要指标。在直流电路里，功率等于电流与电压的乘积；但是在交流电路中，平均功率等于电压与电流的有效值的乘积再乘以功率因数，其中功率因数角是电压与电流的相位差角。当负载为纯电阻时，电压与电流的相位差角为零，功率因数为1。对于感性负载或者容性负载的功率因数介于0 到1 之间。提高用电设备的功率因数对国民经济的发展有着重要的意义。提高功率因数可以充分利用发电设备的容量，也可以节约电能。利用电压、电流过零检测电路，检测两者方波信号的相位差，计算功率因数，软件设计较为容易。

2.5 输入模块

键盘是一种最基本的输入设备，它是由按键组合而成。通过键盘，可以将数据、地址和命令等输入到计算机中。该装置使用矩阵式键盘，在按键数量较多时，为了减少I/O 口的占用，按键按行和列来排列，形成矩阵形式。该装置的键盘采用4*4 键盘，共包括16 个按键，其中，包括“0～9”10 个数字键，以及复位键、确认键、清除键、选择键、存储键和浏览键等。按键在闭合或者断开的一瞬间会出现一连串抖动，这一连串抖动可能会被单片机错误读取几次，被单片机认为是多次操作。这时要采用去除抖动的方法，通常采用硬件去抖动方法，在按键的输出端与计算机接口之间加一个单稳态触发器电路来消除抖动[16-17]。

2.6 显示模块

LCD 分为点阵形式、段位形式和字符形式，点阵形式的LCD 显示屏不仅能显示数字和字符，还可以显示汉字、曲线和图形，用途十分广泛。采用点阵型液晶，例如：12864 显示，优点是字库空间大，能够显示汉字及简单图形。

2.7 低功耗设计

利用继电器的辅助触点控制，使得该装置在长时间没有按键时关闭显示器以降低能耗，但要保留测量功能，一旦有按键再开启显示器。

2.8 抗干扰措施设计

为了防止程序“跑飞”后引起整个程序混乱，可以在软件上采取抗干扰措施。当程序陷入到一个死循环后，冗余指令无法恢复程序，可以利用看门狗电路进行即时复位，让程序重新开始运行[18-20]。

3 系统软件设计和实验结果

负载电特征参数监测与识别装置通过软件程序来完成其所有功能。该装置的工作效率由软件程序的效率直接决定。软件实施方案如图5 所示。系统复位启动以后，经过自检和初始化后，读取相关模拟信号，计算电压和电流。超过门限值，继电器动作保护电路；低于门限值，经过算法计算，在显示器显示出负载的种类。STM32 单片机具有丰富的中断类型，包括过压、过流、欠压、欠流、过热等。

图5 软件实施方案图

该装置调试完毕后，经过测量可以得到以下的测试结果，如表1 所示。针对不同用电负载，该装置对电流、电压、有功功率和电能的测量值与利用万用表测量的结果非常接近，验证了该装置对负载电参数测量的准确性和可靠性。

表1 测试结果

误差分析与补偿：该单相负载电特征参数的监测与识别装置使用的是STM32 系列单片机的芯片，有可能会产生误差。通常采用以下的补偿方法来减小误差。电压互感器和电流互感器可能会引起测量误差，该误差可通过使用高精度的互感器来解决。

电流输入通道和电压输入通道由于相位的差异会产生相位差，电路中的电流和电压信号在经过互感器和调节电路之后会产生相波和无功电流，可以利用该信号进行电力补偿，来进一步消除谐波分量。

4 结论

在当今的生活和工业生产中，电能的作用越来越大，供配电系统也变得越来越复杂，用电负载和设备急速增加，对电特征参数测量的精确度就显得尤为重要。文中首先介绍了电测仪表的发展概况以及在军事领域和民用领域的需求，随后介绍了该装置的组成结构，各功能模块的工作原理以及程序算法的设计。该系统利用STM32 单片机设计了一种负载电特征参数监测与识别装置，能够测量电流、电压、有功功率、电能等电参数，并且能够识别出负载的种类。通过相关实验，证明了该装置具有测量准确度高、可靠性好、性能稳定、使用方便等优点。