基于STM32的電力諧波測試儀的設(shè)計

任麗棉

（唐山學(xué)院 信息工程系，河北 唐山063000）

0 引言

電能已經(jīng)成為現(xiàn)代社會中不可缺少的重要能源，但是，隨著科技的發(fā)展，大量的非線性電力電子設(shè)備被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，使電網(wǎng)中的電壓電流波形產(chǎn)生畸變并伴隨著各種干擾。因此電網(wǎng)諧波對電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行構(gòu)成了潛在威脅，給周圍電氣環(huán)境也帶來了極大的影響［1］。電網(wǎng)諧波的抑制以諧波檢測和分析為前提。準確、快速地檢測系統(tǒng)中的諧波成分，可以鑒定電力系統(tǒng)及諧波源用戶的實際諧波水平是否符合標準的規(guī)定。在電力設(shè)備調(diào)試、投運時進行諧波測量，可以確保設(shè)備投運后電力系統(tǒng)和設(shè)備的安全及經(jīng)濟運行，因此諧波檢測的意義重大。本文基于FFT和相位差校正法設(shè)計一種較高精度的電力諧波測試儀，硬件設(shè)計采用目前在電力系統(tǒng)中比較流行的基于Cortex－M3內(nèi)核的STM32芯片為主要處理器，結(jié)合電流互感器、A／D采樣電路、液晶顯示屏等構(gòu)成。

1 電力諧波測試儀的硬件結(jié)構(gòu)

本文中電力諧波測試儀的硬件設(shè)計由以下幾部分構(gòu)成：STM32處理器、電流互感器、A／D采樣電路、LCD液晶顯示屏等，其中STM32處理器內(nèi)部包含電源、儲存器、復(fù)位和時鐘電路。系統(tǒng)的總體設(shè)計思路是首先將高電壓的電力信號經(jīng)電流互感器轉(zhuǎn)換成低電壓信號，然后經(jīng)A／D采樣電路，將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊TM32上進行數(shù)據(jù)處理，經(jīng)諧波參數(shù)測試得到的各次諧波的幅值和頻率顯示在液晶顯示屏上。硬件設(shè)計總體框圖如圖1所示。

圖1 硬件設(shè)計總體框圖

1.1 互感器處理電路

本設(shè)計最終要測量的是電網(wǎng)中的電信號，而電網(wǎng)中的電信號是電壓有效值為220V的高電壓信號，該信號在進入采樣電路之前，需經(jīng)過互感器處理電路轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗妷盒盘枺也ㄐ伪３植蛔儭１驹O(shè)計采用的是1∶1的電流互感器，它的一端串聯(lián)一個330kΩ電阻，產(chǎn)生一個小電流，然后另一側(cè)感應(yīng)出一個小電流，并且并聯(lián)一個500Ω的電阻，產(chǎn)生一個小電壓，這就實現(xiàn)了高電壓向低電壓的轉(zhuǎn)換，但是這時的信號仍不能接在采樣電路上，它還需要與一直流小信號相加，將整個波形都上移到x軸的上側(cè)，使電壓值在0～3.3V之內(nèi)。電網(wǎng)電信號轉(zhuǎn)換為低電壓信號框圖結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 電網(wǎng)電信號轉(zhuǎn)換為低電壓信號框圖

1.2 數(shù)據(jù)采樣處理部分

經(jīng)電流互感器處理后的低電壓信號為模擬信號，需經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換電路變換成數(shù)字信號后，方能進入控制器進行相應(yīng)的運算。對輸入信號采樣時，采樣頻率應(yīng)滿足奈奎斯特采樣定理，一般來說，采樣頻率越高，得到的離散信號就越好，然后把得到的離散信號量化，將十進制的信號轉(zhuǎn)換成二進制的信號。STM32F103ZET6處理器中的ADC為12位，內(nèi)部參考電壓為3.3V。

核心控制處理芯片STM32F103ZET6是一款基于Cortex－M3內(nèi) 核 的 處 理 芯 片，封 裝 為 LQFP－144。 速 度 為90MIPS，運行速度快，能快速地處理數(shù)據(jù)，閃存為512K，SRAM為64K，容量大、方便儲存大量數(shù)據(jù)，有2個12位的ADC，能夠更好地采集數(shù)據(jù)，具有體積小、功能強大和性能穩(wěn)定等優(yōu)點。其包含CAN，12C，SPI和USB等通信外圍接口，也便于以后系統(tǒng)的擴展。

2 電力諧波測試儀的軟件實現(xiàn)

軟件系統(tǒng)主要有五大模塊。分別為系統(tǒng)初始化模塊，ADC（包括AD采樣和數(shù)據(jù)處理）模塊，F(xiàn)FT和相位差校正模塊，結(jié)果計算模塊以及液晶顯示模塊。軟件設(shè)計的整體程序框圖如圖3所示。

圖3 軟件程序框圖

軟件處理中，利用FFT進行信號頻譜分析，并利用相位差校正法對所測參數(shù)作進一步的校正。相位差校正法一般有三種［2，3］：第一種做法是采連續(xù)兩段長為N的樣本并分別進行FFT，利用對應(yīng)譜線的相位差值校正出譜峰處的準確頻率和相位；第二種做法是只采樣一段時域信號，對這段序列分別進行N點和N／2點的FFT，利用其相位差校正出峰值譜的準確頻率和相位；第三種做法是先將原時域序列前N／2點平移N／4點，再將前、后的N／4點置零形成一新序列，分別對原序列和新序列進行FFT分析，利用對應(yīng)峰值譜線的相位差進行頻譜校正，這些相位差校正方法各有特點，可應(yīng)用在不同的工程實際中。經(jīng)實驗發(fā)現(xiàn)，后兩種相位差法的頻率校正精度遠不如第一種方法［4］，而且第一種方法的實時性并不比其他兩種差，因此本設(shè)計采用傳統(tǒng)的第一種校正法。其校正流程如圖4所示。

圖4 第一類相位差法的頻率校正流程

3 仿真、實測驗證與結(jié)果分析

表1 實測結(jié)果與理論結(jié)果對比表

從表1可以看出，前10次諧波（包括直流成分）的誤差均在1%左右，表明此系統(tǒng)誤差非常小。系統(tǒng)的準確性驗證后，就要測電網(wǎng)中的電信號。電網(wǎng)電信號經(jīng)過互感器處理電路接入到設(shè)計所用開發(fā)板上，液晶顯示屏上能夠正常顯示出各次諧波的參數(shù)值。因為諧波產(chǎn)生的原因及其特點，決定了諧波并不是一成不變的，它是隨時隨地變化的，測試的地點不同，結(jié)果就不同，唯一大致不變的是基波成分，其電壓幅值為311 V，而測量的結(jié)果與這個值大致相等，并且諧波成分都非常地小，證明電網(wǎng)中的諧波成分含量很小，這也很符合實際，所以此系統(tǒng)測試電網(wǎng)中的電信號是比較準確的。

系統(tǒng)在測試的時候首先選用信號發(fā)生器產(chǎn)生的三角波信號去驗證系統(tǒng)的準確性和精度，同時與該實際值相比較的理論值是利用Matlab仿真測得的。由于電網(wǎng)中的電信號的基波頻率為50Hz，諧波頻率為50Hz的整數(shù)倍，而三角波的頻譜是由基波和很多次諧波組成，因此設(shè)計中用峰值3.3V，頻率50Hz的三角波信號來代替。信號發(fā)生器產(chǎn)生的三角波信號輸入到本測試儀所測結(jié)果與Matlab仿真結(jié)果按照對應(yīng)諧波進行對比，如表1所示。

4 結(jié)論

針對電網(wǎng)諧波的檢測和分析，設(shè)計了基于STM32的電力諧波測試系統(tǒng)，可以較高精度檢測諧波的頻率和幅值。系統(tǒng)利用多通道的并行AD進行信號采集，采用頻譜分析的方法提取信號的幅值和頻率信息，并采用相位差校正法對其作進一步校正以提高精度。相位差校正法在硬件平臺上易于實現(xiàn)，且實施硬件結(jié)構(gòu)簡單，所得結(jié)果準確性較高，有一定的參考實用價值。

［1］ 劉晨曦.電力系統(tǒng)諧波檢測全相位頻譜分析研究［D］.沈陽：東北大學(xué)，2012.

［2］ 丁康，羅江凱，謝明.離散頻譜時移相位差校正法［J］.應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué)，2002，23（7）：729－735.

［3］ 謝明，張曉飛，丁康.頻譜分析中用于相位和頻率校正的相位差校正法［J］.振動工程學(xué)報，1999，12（4）：454－459.

［4］ 王兆華，黃翔東.數(shù)字信號全相位譜分析與濾波技術(shù)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2009：52－53.