电能质量监测仪的设计与实现

2022-01-08陈蓉刘双劼

电子设计工程 2022年1期

陈蓉，刘双劼

（苏州大学轨道交通学院，江苏，苏州 215131）

随着用电需求的不断增加，大量电力电子设备接入电网，使得电网中产生谐波、电压波动和电压闪变等问题，严重影响了电力系统的安全与稳定，用户侧的电子设备也会受到电力系统电能质量的影响[1-3]。此外，资源、环境问题的日趋严重，为电力产业改革带来契机，分布式发电成为新的研究热点，但该技术也会影响电力系统的供电质量，如分布式发电功率随机变化会引起电压波动、电压闪变等电能质量问题，给电力系统的稳定运行带来新的挑战[4-6]。因此，电网电能质量的监测尤为重要，研制满足电力工业需求的电能质量监测装置对研究电能质量问题具有重要意义[7-9]。

传统电能质量测量仪一般多基于8 或16 位单片机来设计实现，存在处理速度慢、硬件结构不够完善等缺点。运用DSP 处理器的监测仪处理速度快、精度好，但成本高、功耗大[10]。该研究基于高性能单片机STM32F405，设计一种简易的电能质量分析仪，可实现对电信号基波电压、基波电流、功率因数、基波功率、谐波电压和谐波电流的有效测量。

1 系统架构

系统的硬件电路主要由信号前端采集电路、信号调理电路、基于STM32F405 的CPU 电路以及LCD人机交互电路组成。信号前端采集电路采用电压、电流互感器和电阻电路变换电压、电流信号，信号经处理后送入以运算放大器TLV2371 为主的信号调理电路中，转换得到幅值大小合适的电压、电流信号，再送入以STM32F405 为核心的CPU 电路进行计算和显示，采用LM240120BCW 液晶显示模块显示当前测量的基波电流和电压、谐波电流和电压、基波功率值等。系统结构框图如图1 所示。

图1 系统结构框图

2 硬件电路设计

系统硬件处理电路部分主要包括信号前端采集电路和信号调理电路。交流电压、电流信号分别通过两路处理电路，转换成可供STM32F405 测量的电压信号，便于后续测量和显示。

2.1 信号前端采集电路

信号前端采集电路分为电压前端采集电路和电流前端采集电路。为方便STM32F405 单片机对交流信号的电压、电流幅值进行测量，待测信号首先需分别通过由电压、电流互感器和采样电阻组成的信号前端采集电路，得到幅值较小的交流信号。

2.1.1 电压前端采集电路

电压前端采集电路采用2 mA/2 mA 的电流型电压互感器DL-PT202H1，饱和电压为4 V。互感器原边跨接一个100 kΩ 的限流电阻，可将电压信号转换成2 mA 左右的电流信号送入互感器，互感器副边按1∶1 等比输出2 mA 左右的电流信号。互感器副边上跨接一个200 Ω 的采样电阻，采样电压小于互感器饱和电压，可采用直接电阻采样法，电压前端采集电路如图2 所示。高电压信号通过该电路转换成低电压信号，后续送入信号调理电路。电压信号转换前精度为千分之五，转换后精度提升为千分之一。根据图2 所示电路设计，信号前端采集电路的输入输出信号计算公式如式（1）所示：

图2 电压前端采集电路

式中，Vi为待测信号，V1为U1 点电位，即信号前端采集电路的输出电压。

2.1.2 电流前端采集电路

电流前端采集电路采用10 A/5 mA 的穿心式电流互感器DL-CT1005AP，该电流互感器精度高，一致性好，主要用于电流精密测量与保护。原电流信号输入电流互感器，互感器副边按2 000∶1 的变比输出电流小信号，副边上跨接一个200 Ω 的采样电阻，采样电压小于互感器饱和电压2.8 V，可采用直接电阻采样法，电流前端采集电路如图3 所示。原电流信号通过该电路转换成低电压信号，后续送入信号调理电路。

图3 电流前端采集电路

2.2 信号调理电路

该设计中采用的单片机STM32F405 的ADC 采样范围为0～3.3 V，而经信号前端采集电路处理输出的信号幅值范围是-1.5～1.5 V 左右，不能直接送入单片机进行计算。因此，信号经过前端采集电路后，需要送入信号调理电路进行处理，得到0～3.3 V 的电压信号。电压、电流处理电路中的信号调理电路相同，以电压信号为例，图4 所示为信号调理电路设计图，低电压信号送入信号调理电路，经过放大器电路和一个电阻I/V转换，得到可供单片机STM32F405 测量的电压信号。运算放大器U4 选用TLV2371，TLV2371 具有满电源幅度输出功能，同时具有高阻抗传感器接口的CMOS 输入特性以及低压运行功能，电源电压范围为2.7～16 V，供电电压范围广。设计中增加C25用于对互感器产生的相位变化进行补偿，R23和C26可滤除5 kHz 以上的信号。

图4 信号调理电路

由MC1403D芯片组成的基准电源模块为TLV2371芯片供电。MC1403D 芯片的输出电压与温度无关，可用作参考电压源。该电路是高精度、低温度漂移的基准电压电路，输出电压+2.5 V，输出电流10 mA。

根据图4 所示信号调理电路设计，电压转换的计算公式如（2）所示：

由运算放大器的虚断可得：

由式（2）、（3）、（4）和Vr=2.5 V 可得电压转换的计算公式为：

式中，Vo为输出电压信号，V1为输入信号调理电路的电压信号，Vi为待测信号。V1的范围是-1.5～1.5 V 左右，经过信号调理电路，将其抬高至0～3.3 V 范围内，输出信号Vo的幅值变化范围满足单片机STM32F405 内部集成ADC 的采样范围。

2.3 基于STM32F405的单片机最小系统

该设计选用的主处理器是ST 公司开发的STM32F405，它是STM32 系列中的高性能产品。与前代STM32 系列单片机相比，其具有功耗低、速度快、性能强的优势[11-13]。STM32F405 是基于ARM Cortex-M4 内核的32 位闪存微控制器，处理速度为168 MHz/210DMIPS，集成1 MB 的Flash 和多达192+4 kB 的RAM，具有高性能的信号处理和浮点运算能力。同时，STM32F405 带有多重AHB 总线矩阵，DMA 控制器和3 路I2C 接口，集成了单周期的DSP 指令和FPU 并行计算功能，支持程序执行和数据传输并行处理。数据可以通过DMA 直接传输，在I2C 总线读取数据到缓冲区，提高数据的采样和处理速度，使程序的执行效率显著提高[14]。

3 系统软件设计

该设计中主程序主要完成系统时钟、定时器、A/D 和LCD 显示的初始化设置，然后根据接口输入信号执行各个模块的子函数，进行计算和显示。待测信号通过信号前端采集电路和信号调理电路的转换后送至STM32F405，由单片机内部A/D 采样和基4FFT 计算出输入信号的有效值和各频率分量，根据电压、电流的有效值和相位差计算出基波功率、基波功率因数，在液晶屏上将测量结果显示出来。系统主程序流程图如图5 所示。

图5 系统主程序流程图

3.1 AD采样子程序

该设计中，A/D 采样采用DMA 双缓冲结构，主要程序设计为：配置ADC 定时器，配置两相ADC 通道的GPIO 为模拟输入，两个ADC 同步采样，采用注入式模式；配置DMA 模式和DMA 通道，定义DMA 的中断优先级、中断入口函数和数据的使用。DMA 双缓冲结构的主要原理为：分配两块同样大小的内存作为DMA 目标地址，分别称为缓存1、缓存2；配置DMA 模式，缓存1 或缓存2 作为目标地址接收数据；接收到DMA 中断，则转换DMA 配置模式。如此不断循环，缓存1、缓存2 轮流作为目标地址接收数据，同时处理、应用另一缓存区内已接收到的数据。

由此可见，使用DMA 双缓冲结构不仅可以实现同时接收和处理数据，从时域上保证采样的连续性，而且具有循环特性，使占用的存储区空间容量大大降低，能有效减少CPU 的负荷。

3.2 基4FFT测量子程序

FFT 的基本思想是对非正弦周期信号的时间连续信号用采样装置等间隔采样，并把采样值依次转换成数字序列，然后借助计算机进行谐波分析。基2FFT 算法是把序列每次一分为二，最后分割成两点DFT。若每次把序列一分为四，就得到了基4FFT 算法。基4FFT 算法的处理结构由蝶形运算单元组成，通过将运算过程中的复数操作数和旋转因子重新排列，将流水线方式与并行结构思想相结合，可以用循环序列表示基4FFT 计算结构的递推关系，大量减少计算过程中的加法和乘法次数[15-16]。由此可见，基4FFT 算法具有运算量少、运算效率高等优点。

程序设计中，输入信号经A/D 采样后，采样数据被放入FFT 输入缓冲区，进行基4FFT 运算。基4FFT子程序找到输入信号的极大值点数，将其对应的下标存在数组中，通过寻找极大值得到各频率分量，根据数组中存放的傅里叶变换的实部和虚部求出信号的有效值及相角等数据，在LCD 屏上显示测量结果。

3.3 LCD子程序设计

LCD 显示界面主要包括基本电参数、电压谐波分析和电流谐波分析3 个界面。主要程序设计为：设计显示界面的文字和布局，设置按键功能；初始化LCD，设置LCD 的显示模式；设置LCD 屏上打印数据的起始位置；自定义符号，便于参数的表达；LCD 接收数据，同时接收到数据的位置信息，根据字模库将点阵信息打印在LCD 屏上。按下按键可以切换显示电压谐波分析、电流谐波分析界面。

4 测试结果与分析

电路设计及制作完成后，进行硬件及软件调试。硬件调试方法如下：依次测试信号前端采集电路和信号调理电路的输入、输出信号波形，以检验电路功能是否都达到预期效果；待每一级电路测试结果正常后，再将经电路处理后的信号输入单片机STM32F405 完成计算和显示工作，进行系统的整体性能测试。

测试中，可在系统中加入额定功率不同的用电器。按下不同的功能按钮，LCD 显示屏可显示基波电压、基波电流、功率因数、基波功率等数据，并且可以查看对谐波电压、谐波电流的分析结果。将处理电路的输出信号接入示波器，可以观察到电压信号和电流信号都被近似还原成幅值在0～3.3 V 范围内的正弦信号，达到预期设计效果。LCD 屏显示测量参数，该仪器不仅能测量出基波电压、基波电流、功率因数和基波功率，而且能测出待测信号中谐波的电压幅值和电流幅值。改变用电器的额定功率大小，系统测试结果如表1 所示。

表1 系统测试结果

表1 中基波电压、基波电流、基波功率、功率因数为该文设计的电能质量监测仪的测量结果，标准电压和标准电流为三相电能质量分析仪CA8336 的测量结果。将基波电压、基波电流、基波功率、功率因数、谐波电压、谐波电流等测量结果与三相电能质量分析仪CA8336 的测试数据进行比对，该电能质量监测仪的各测量参数均较为准确，误差较小。由表1测量结果可知，额定功率为500～2 000 W 的用电器测得的功率因数都为1，由于测试中采用的用电器都属于阻性负载，阻性负载的功率因数为1，与测试结果相符。测试结果表明，该系统性能稳定，具有较强的实用性。