基于STM32的同步測量裝置研制

蔣淦華

摘要：隨著智能電網的快速布局，電力部門經常需要在戶外對電網信號參數進行實時檢測，而完成電網信號檢測功能主要依靠便攜式同步測量裝置，便攜式同步測量裝置能夠分布式檢測多地電網信號，然后將多地電網信號參數進行對比，判斷相位屬性、線壓降等功能。本文提出利用GPS同步信號，采集多地電網信號參數，將采集到電網數據賦予時間信息，利用GPRS通信完成多地數據交互功能。

關鍵詞：便攜式;分布式;GPS同步信號;GPRS通信技術

中圖分類號：TM761?文獻標識碼：A?文章編號：1672-9129（2020）08-0067-01

1?系統硬件設計

系統設計框，系統裝置為便攜式測量儀器，系統供電電源取自于交流電網信號，作用在開關電源上，轉換成直流電壓作用在各部分電路。

三相交流電壓通過電壓互感器取小電壓，通過鉗形電流互感器取小電流，然后經過信號放大、濾波、A/D轉換電路輸出數字量給控制器ARM處理，換算出電網參數：電壓有效值、電流有效值、相位差等參數，系統會根據測量環境保存有一套調標系數，進行校準，系統開機自動讀取調標系數。

系統在GPS同步信號作用下實現數據采集，利用GPRS通信技術實現分布式數據交互。系統配有觸摸屏，實時顯示多點電網信號參數。

1.1嵌入式控制器。系統控制器系統采用ST公司生產的32位處理器芯片STM32F407ZGT6，其支持浮點運算，片上外設資源豐富，處理器最高運行主頻為168MHz，時鐘系統架構使得控制器具有低功耗功能，非常適合于電力儀器研發裝置。

1.2交流取樣電路。三相交流信號通過鉗形互感器獲取到小信號之后，需要經過I/V電路將轉換成電壓信號。

為了提高測量精度，IV電路中采用運放為低溫漂OPA227，電阻R3、R2采用精密電阻，運放輸出電壓為輸入電流I與R3乘積，R2是否起作用取決于三相電流大小。

1.3信號濾波電路系統取樣三相交流信號數據時，也會將干擾和噪聲信號一并取樣進入系統。為了提高系統的測量精度，因此需要通過濾波電路將干擾和噪聲信號進行濾除。系統采用濾波電路為三階低通巴特沃斯低通濾波器，其特點：通頻帶最為平緩。

巴特沃斯低通濾波器截止頻率通過multisim仿真軟件對電路中電阻、電容參數進行選擇。電網信號的工頻為50Hz，系統需要分析30次高次諧波信號，第30次諧波信號頻率為1.5KHz，因此系統截止頻率設置在5KHz左右。

1.4交流A/D采樣電路三相交流信號經過信號取樣、濾波之后需要進入高精度A/D轉換器，輸出數字量提供給主控器進行處理、分析、換算出對應的電網參數。

系統采用TI公司生產的高精度16位ADS8556，理論上能夠實現量化誤差為1/65536≈0.0015%，該款A/D轉換器采樣速率高達630kSPS，擁6路通道，能夠實現通過對三相電壓、三相電流依次采集。

1.5 GPS授時模塊。同步測量裝置能夠實現分布式電網信息采集，主要依靠GPS提供時間信號，系統采用GPS模塊提供高精度秒信號作為同步信號，采集到數據也賦予了時間信息。

同步測量裝置通過遠程通信傳輸數據時，將時間信息一致的數據信息進行處理、計算、分析，能夠很好分析出同一屬性線壓降、電壓電流相位差等功能。

1.6 GPRS通信。同步測量裝置數據傳輸方式有很多種，可以分為有線傳輸和無線傳輸，因為系統涉及到戶外測量，系統采用無線傳輸。

無線傳輸的方式采用GPRS通信技術，GPRS網絡覆蓋全國，數據傳輸穩定，采集點分布廣泛，只需要接入一張數據流量卡即可，組網成功后，不受地域距離限制，能夠極大減輕電力人員工作負擔。

2?信號參數算法設計

系統主控器通過A/D轉換器采集三相電網數據，如果采用同步采樣法，需要在硬件電路上增加同步信號產生電路，三相交流測頻電路，考慮硬件設計成本和體積，且同步采樣時，電網信號頻率處于一個波動范圍，采樣頻率和信號頻率很難處于同步關系，尤其是諧波干擾嚴重時，因此本次系統采用算法為非同步采樣法。

非同步采樣采樣數據抗干擾能力強，但是需要特別注意非同步采樣方法帶來柵欄效應和頻譜泄露現象。本次系統采用高精度GPS秒脈沖作為同步信號，采集三相交流數字量通過4項5階Nuttal加窗插值算法會極大提高數據精度。

為了減小非同步采樣法的頻譜泄露帶來的影響，再對采集到數字量數據處理時，需要選擇合適窗函數，然后再利用過插值算法對FFT結果進行補償。

基于4項5階Nuttal窗旁瓣峰值為-61dB，衰減速度為42dB，對抑制頻譜泄露作用非常明顯，加窗處理后的數字量進行FFT運算，通過選擇插值算法減小柵欄效應帶來影響。

加4項5階Nuttall窗系數處理后數字量，需要對FFT數據結果進行插值運算，減小柵欄效應帶來影響。

通過對FFT運算后得到一組數據X[N]，從中找出最大值、次大值以及它們所在的序號。

假設k1為最大值序號，k2為次大值序號，設β=|X[k2]|/ |X[k1]|，代入4項5階Nuttal窗函數中，得到，進而得到信號的幅度、頻率、相位。

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