基于STM32的电能质量监测仪的设计与系统测试

卫明学

(西山煤电(集团)有限责任公司 电力分公司, 山西 太原 030021)

随着现代工业智能化的高速发展，电网设备和负荷呈复杂化、多样性特点，电网电压偏差、频率偏差、三相电压不平衡、电压波动和闪变等电能质量问题日趋严重。全矿井有大量非线性、冲击性负载投入使用，严重影响了矿井电网电能质量。矿井电网电能质量的优劣与煤机装备的运行效率、故障发生率以及安全生产息息相关。因此，结合当前先进控制器技术，设计满足矿井电网需求的电能质量监测仪成为提升矿井电网电能质量的重要目标。由于传统电能质量监测仪以单片机为核心，存在数据处理速度慢、成本高、功耗大的问题。改进后的电能质量监测仪以DSP为主控芯片，采用单线程方式实现，存在实时性差、噪声干扰大的问题[1-2]. 基于高性能的STM32控制器，设计一种简易且实时性好、抗干扰能力强的电能质量监测仪，以方便实现电网电压/电流信号、谐波电压/电流信号、电压/电流相位角信号以及频率信号的监测。本文基于STM32控制器技术提出的电能质量监测仪设计及系统测试方案，重点对电源电路、输入信号采样及调理电路、STM32最小电路以及STM32软件系统、上位机系统方案进行阐述，通过系统测试验证上述方案的正确性和可靠性，达到对全矿井电网电能质量实时、精确监测的目的，提升矿井设备作业用电安全系数和作业效率。

1 总体方案设计

电能质量监测仪总体设计方案见图1，由信号输入及调理系统、A/D数据转换系统、STM32控制系统3部分组成。信号输入及调理系统的采样方式为交流采样，以电压信号为例，对高压电网的电压经高压电压互感器调节转换为0～100 V电压有效值，再经低压电压互感器调节输出为0～3.53 V电压有效值，最后经相位校正、信号滤波后输出为0～3.53 V交流电压。交流采样相比于直流采样的优点是能够真实反应采样信号的波形、频率，实时性好、相位失真小。A/D数据转换系统是保证电能质量监测精准度的关键，根据标准要求，需选择采样精度高、实时性好、通道数满足输入信号要求的A/D采集芯片。STM32控制系统主要完成对采集到的信号的计算、逻辑处理、存储以及与上位机系统通信。上述为电能质量监测仪的采集部分，上位机系统为监测仪的显示部分，与STM32控制系统以CAN总线通信模式完成数据交互。

图1 总体方案设计框图

2 硬件设计

2.1 电源电路

电能质量监测仪所需的电压等级为DC12 V、DC5 V以及DC3.3V. 设计的电源电路的输入为交流12 V电源信号，通过二极管电路将其整流为DC12 V电源信号，经LM2596 S-12稳压芯片处理后输出稳定的DC12 V电源信号[3-4]. DC5 V电源信号电路原理图见图2，输入为DC12 V信号，经LM2596 S-5稳压芯片处理后输出DC5 V信号；DC3.3 V电源信号电路原理图见图3，输入为DC5 V信号，经AMS1117-3.3芯片处理后输出DC3.3V信号。需DC12 V供电的元器件有控制器、驱动电路；需DC5 V供电的元器件有CAN通信电路；需DC3.3V供电的元器件有STM32最小系统、A/D采集电路、JTAG电路等。

图2 12 V转5 V电路图

图3 5 V转3.3 V电路图

2.2 控制板电路

控制板电路即STM32最小系统，包括SD卡存储单元电路、实时时钟电路、JTAG接口电路、按键接口电路以及CAN总线通讯电路等。选用STM32F107VCT6微控制器，主频为72 MHz，内置256K FLASH和64K SRAM，支持RS485、CAN等多种通讯模式，满足电能质量监测仪系统设计要求。

2.3 信号调理电路

信号调理电路分为电压单元、电流信号调理电路两种，见图4，图5. 电压互感器选用的型号为LXYA-1，精度和线性度为1%，采样频率可选50 Hz或者60 Hz[5-6]. 图4中C1与R3为电压互感器相移补偿电路，D1、D2为运放输入信号限幅保护电路。电流互感器选用的型号为LXLA，线性度误差小于0.1%，采样频率可选50 Hz或60 Hz. 可将电流进行隔离变换，抑制电快速瞬变脉冲信号干扰，可将采集到的电流信号转换为0～3.53 V电压信号。图5中的C2、R6组成电流互感器相移补偿电路，D3、D4组成运放输入信号限幅保护电路。

图4 电压单元信号调理电路图

图5 电流单元信号调理电路图

3 软件设计

3.1 STM32软件设计

电能质量监测仪STM32软件设计基于Keil MDK开发环境，采用C语言编程实现。电能质量监测仪STM32软件设计框图见图6，接收A/D数据转换系统的电网电压/电流信号，进行计算、逻辑分析与整理，并通过通信模块发送将数据传送至上位机系统。

图6 STM32软件设计框图

按照电能质量监测仪总体方案设计，STM32软件系统分为A/D采集模块、数据计算分析模块以及LCD显示模块。

1) A/D采集模块。A/D采集模块AD7606与STM32之间以SPI模式传输电压、电流信号数据。程序设计实现时，时钟信号SCLK下降沿时触发AD7606开始接收数据，同时设置时钟极性CPOL=1、时钟相位CPHA=0，采样时间间隔为tCONV+t4+ton，其中tCONV为BUSY高电平持续时间，t4为片选信号CS的延时时间，ton为SPI读取时间。AD7606采集一次数据需连续循环读取16次，将高8位存储至内存高字节，低8位存储至内存低8位。

2) 数据计算分析模块。STM32控制器内对接收到的数据采用改进阈值函数的双树复小波变换[7-9](ITF-DTCWT, improved threshold function dual-tree complex wavelet transform)相融合的改进算法进行分析、计算，减少信号失真，保证信号的平移不变性。

3) LCD显示模块。外接3.2英寸TFT LCD显示屏观察电能质量监测仪的运行状态，包括系统时钟、系统自检以及A/D采集到的所有数据信息等。

3.2 上位机软件设计

电能质量监测仪的上位机软件设计基于visual studio 2017开发环境，采用C++语言编程实现。电能质量监测仪上位机软件设计有开机登录界面、波形/参数显示与存储界面、降噪显示界面以及故障界面等，其中图7所示为接收STM32控制系统的数据后进行波形/参数显示与存储界面的数据处理流程，可显示电网电能质量基本参数、稳态指标以及暂态指标，并完成数据记录功能。

图7 上位机软件设计框图

4 系统测试与分析

4.1 测试环境

在实验室完成电能质量监测仪的测试，验证方案的正确性以及各监测数据是否符合国家标准。选用继电保护测试仪输出三路电压、三路电流信号；选用Rigol-DS1102E示波器对输出信号进行监测；选用FUSS-4PQNA690-3000电能质量分析仪为参考标准，验证设计的电能质量监测仪的正确性。

4.2 硬件测试

验证设计的电能质量监测仪对三相电压、三相电流信号的采集以及调理功能。该电能质量监测仪可接收的输入三相电压信号为0～250 V，三相电流信号为0～5 A. 电能质量测试仪的信号输入源为继电保护测试仪，输出端与示波器连接，并查看电压、电流信号输出波形。经示波器显示并观察发现，三相电压、三相电流输入信号经电能质量监测仪后的输出信号为0～3.53 V的电压信号，满足设计要求。

4.3 软件测试

验证设计的电能质量监测仪对电压、电流有效值测试，谐波测试，相位测试的准确度和精度。以继电保护测试仪信号为模拟电网信号，以FUSS-4PQNA690-3000电能质量分析仪为标准，验证设计的电能质量监测仪软件的正确性和准确度。

1) 电压/电流有效值测试。

电压、电流有效值测试结果分析数据见表1，可以看出电压有效值测量相对误差小于0.2，电流有效值测量相对误差小于0.5.

表1 电压、电流有效值测试结果分析表

2) 电压谐波测试。

电压谐波测试结果分析数据见表2，可以看出当谐波分量幅值越小，相对误差越小；谐波分量幅值越大，相对误差越大。对于三相三线制、三相四线制系统，电压谐波主要为3、5、7次谐波，其他谐波含量较小。

表2 电压谐波测试结果分析表

3) 相位测试。

电压、电流相位角测试结构分析数据见表3，可以看出电压、电流相位角相对误差小于0.2%.

表3 相位角测试结果分析表

电能质量参数测试总体满足设计要求，但还存在测量误差，可能是由于信号输入及调理系统对电压、电流信号处理时引入误差,或信号经A/D数据转换系统时引入量化误差[10]. 下一步需对信号输入及调理系统、A/D数据转换系统精度控制进行优化，并增加信号采样点至1 024，提高监测精度。

5 结束语

以电能质量监测仪为研究对象，重点介绍了硬件、软件设计思路和方法，以STM32控制器为核心，基于Keil MDK、visual studio2017开发环境进行编程实现并完成系统测试：

1) 实现了三相三线制、三相四线制电压/电流信号的实时、精准采集、调理计算和分析，并可通过上位机显示电网电能的电压、电流有效值，各次电压谐波、相角以及频率等。

2) 在实验室完成电压/电流有效值测试、电压谐波测试以及相位测试。测试结果表明，该电能质量监测仪满足设计要求，性能稳定。