智能電能質量檢測儀設計

崔華 陳北辰 趙月蕾

摘要：本文介紹了一種基于STM32F407嵌入式處理器和RN7302智能傳感器的電能質量檢測儀設計方法。文中對儀器結構、硬件實現方法、三項不平衡度檢測原理進行了闡述，該檢測儀可以實現對電網電壓、電流、有功功率、無功功率、視在功率、電網頻率、三相不平衡度等電能參數精確測量，具有良好的工程應用價值。

關鍵詞：STM32F407;RN7302;電能質量檢測;三相不平衡度

中圖分類號：TM933 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）12-0184-01

結合對電能質量監測的需求，本文提出了一種基于STM32嵌入式處理器和電能質量計量芯片的智能電能質量檢測儀的設計方案;可以實現電網電壓、電流、功率、頻率以及三相不平衡度的精確測量，同時可以采用有線/無線方式將測量結果上傳至用戶終端;對比傳統基于ADC的同類儀器，該檢測儀具有測量精度高、低成本、低功耗、高可靠性、智能化等優點。

1 檢測儀結構設計

智能電能質量檢測儀主要由信號采集與調理模塊、計量模塊、主控模塊、觸摸屏模塊、通訊模塊組成，其總體結構設計如圖1所示。

檢測儀采用RN7302智能電能計量模塊，完成電網電壓、電流、頻率、功率因數的精確計量;選用嵌入式處理器STM32F407完成數據管理單元設計，主要完成電能計量數據的讀取與處理、人機接口和通信單元的控制等功能;儀器具備Bluetooth和GPRS通信接口，方便使用者完成對檢測數據的遠程/本地讀取。

2 檢測儀硬件方案設計

根據電能質量檢測的需求，完成了儀器硬件方案設計，主要包括信號采集與調理模塊、計量模塊和主控模塊。

2.1 主控模塊

檢測儀采用STM32F407處理器作為主控制器，以電阻式觸摸屏作為數據顯示與控制信號輸入設備。通過SPI總線，主控制器獲得RN7302中的電能計量數據，通過計算獲得相應的電能質量數據，根據用戶在觸摸屏中的操作指令，完成數據的存儲和顯示，并可通過有線/無線通信接口完成本地/遠程的數據傳輸。

2.2 計量模塊

計量模塊電路原理如圖2所示，該模塊共有7對差分信號輸入引腳，每對引腳差分量程為800mV，分別為IAP/IAN、IBP/IBN、ICP/ICN、INP/INN，VAP/VAN、VBP/VBN、VCP/VCN，可以完成三項電壓、電流及中位電流的監測功能。在電壓基準REFV引腳使用10μF、0.1μF電容并聯進行對地退耦。SCSN、SCLK、SDI、SDO引腳為SPI接口，主控模塊通過對該接口的讀寫完成系統配置和數據讀取。

2.3 信號采集與調理模塊

信號采集與調理模塊主要包括電流采樣和電壓采樣電路單元。電流采樣電路單元包括LCTA2DCC 5A/2.5mA電流互感器和抗混疊電路，電壓信號通過分壓電阻，經由采樣電路送入RN7302電流采樣通道，信號范圍如下式。

（1）

電壓采樣電路單元包括LCTV3PCE 2mA/2mA電壓互感器和抗混疊電路，電壓信號經過限流電阻，經由采樣電路送入RN7302電壓采樣通道，信號范圍如下式。

（2）

3 三相不平衡度檢測原理

三相不平衡度，指由負序分量所引起的三相不平衡的程度。εU和εI分別表示電壓和電流的不平衡度，其值為電壓或電流的負序分量與正序分量的方均根值商的百分比，如下式所示。

（3）

式中 U1為三相電壓的正序分量方均根值;U2為三相電壓的負序分量的方均根值，如果將式中的U1、U2分別換成I1、I2，即為三相電流的不平衡度。

為了計算三相不平衡度，需要引入正序、負序、零序分量;以便在電壓、電流出現不對稱現象時，將不對稱的三相分解成對稱的三序分量。本設計采用對稱分量法，將任何三相不平衡的電流、電壓或阻抗分解成為三個平衡的相量成分即正相序（、、）、負相序（、、）和零相序（、、），這樣獲得三個對稱相量與三組不對稱的相量中A相量的關系。

基于以上對A相的正序、負序、零序的分析方法，可以得出各相正序、負序、零序電壓和電流，使用RN7302獲得的數據，即可完成不平衡度檢測值的計算。

4 結語

基于文中提出方案，對檢測儀實體進行了測試。測試結果表明，電壓、電流、頻率及不平衡度等檢測結果誤差均可控制在1%以內。該檢測儀具有結構簡單、成本低、可靠性強、擴展能力好等特點，具有良好的工程應用價值，可以為公用配電網的能源監測、無功補償、諧波治理等場合的應用設計提供參考。

參考文獻

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Design of? Smart Power Quality Detector

CUI Hua，CHEN Bei-chen，ZHAO Yue-lei

（College of? Information and Control Engineering， Jilin Institute of? Chemical Technology， Jilin? Jilin? 132022）

Abstract：A design of smart power quality detector based on STM32-ARM and RN 7302 is introduced in this paper，the architecture， and the realization of hardware as well as method of three-phase unbalance detector is presented. The detector can realize measurement of grid voltage， current， active power， reactive power， apparent power， grid frequency， three-phase unbalance accurately， which has good application value in engineering.

Key words：STM32F407;RN7302;power quality detector;three-phase unbalance