基于STM32的電能質量監測儀的設計與系統測試

衛明學

(西山煤電(集團)有限責任公司 電力分公司, 山西 太原 030021)

隨著現代工業智能化的高速發展，電網設備和負荷呈復雜化、多樣性特點，電網電壓偏差、頻率偏差、三相電壓不平衡、電壓波動和閃變等電能質量問題日趨嚴重。全礦井有大量非線性、沖擊性負載投入使用，嚴重影響了礦井電網電能質量。礦井電網電能質量的優劣與煤機裝備的運行效率、故障發生率以及安全生產息息相關。因此，結合當前先進控制器技術，設計滿足礦井電網需求的電能質量監測儀成為提升礦井電網電能質量的重要目標。由于傳統電能質量監測儀以單片機為核心，存在數據處理速度慢、成本高、功耗大的問題。改進后的電能質量監測儀以DSP為主控芯片，采用單線程方式實現，存在實時性差、噪聲干擾大的問題[1-2]. 基于高性能的STM32控制器，設計一種簡易且實時性好、抗干擾能力強的電能質量監測儀，以方便實現電網電壓/電流信號、諧波電壓/電流信號、電壓/電流相位角信號以及頻率信號的監測。本文基于STM32控制器技術提出的電能質量監測儀設計及系統測試方案，重點對電源電路、輸入信號采樣及調理電路、STM32最小電路以及STM32軟件系統、上位機系統方案進行闡述，通過系統測試驗證上述方案的正確性和可靠性，達到對全礦井電網電能質量實時、精確監測的目的，提升礦井設備作業用電安全系數和作業效率。

1 總體方案設計

電能質量監測儀總體設計方案見圖1，由信號輸入及調理系統、A/D數據轉換系統、STM32控制系統3部分組成。信號輸入及調理系統的采樣方式為交流采樣，以電壓信號為例，對高壓電網的電壓經高壓電壓互感器調節轉換為0～100 V電壓有效值，再經低壓電壓互感器調節輸出為0～3.53 V電壓有效值，最后經相位校正、信號濾波后輸出為0～3.53 V交流電壓。交流采樣相比于直流采樣的優點是能夠真實反應采樣信號的波形、頻率，實時性好、相位失真小。A/D數據轉換系統是保證電能質量監測精準度的關鍵，根據標準要求，需選擇采樣精度高、實時性好、通道數滿足輸入信號要求的A/D采集芯片。STM32控制系統主要完成對采集到的信號的計算、邏輯處理、存儲以及與上位機系統通信。上述為電能質量監測儀的采集部分，上位機系統為監測儀的顯示部分，與STM32控制系統以CAN總線通信模式完成數據交互。

圖1 總體方案設計框圖

2 硬件設計

2.1 電源電路

電能質量監測儀所需的電壓等級為DC12 V、DC5 V以及DC3.3V. 設計的電源電路的輸入為交流12 V電源信號，通過二極管電路將其整流為DC12 V電源信號，經LM2596 S-12穩壓芯片處理后輸出穩定的DC12 V電源信號[3-4]. DC5 V電源信號電路原理圖見圖2，輸入為DC12 V信號，經LM2596 S-5穩壓芯片處理后輸出DC5 V信號；DC3.3 V電源信號電路原理圖見圖3，輸入為DC5 V信號，經AMS1117-3.3芯片處理后輸出DC3.3V信號。需DC12 V供電的元器件有控制器、驅動電路；需DC5 V供電的元器件有CAN通信電路；需DC3.3V供電的元器件有STM32最小系統、A/D采集電路、JTAG電路等。

圖2 12 V轉5 V電路圖

圖3 5 V轉3.3 V電路圖

2.2 控制板電路

控制板電路即STM32最小系統，包括SD卡存儲單元電路、實時時鐘電路、JTAG接口電路、按鍵接口電路以及CAN總線通訊電路等。選用STM32F107VCT6微控制器，主頻為72 MHz，內置256K FLASH和64K SRAM，支持RS485、CAN等多種通訊模式，滿足電能質量監測儀系統設計要求。

2.3 信號調理電路

信號調理電路分為電壓單元、電流信號調理電路兩種，見圖4，圖5. 電壓互感器選用的型號為LXYA-1，精度和線性度為1%，采樣頻率可選50 Hz或者60 Hz[5-6]. 圖4中C1與R3為電壓互感器相移補償電路，D1、D2為運放輸入信號限幅保護電路。電流互感器選用的型號為LXLA，線性度誤差小于0.1%，采樣頻率可選50 Hz或60 Hz. 可將電流進行隔離變換，抑制電快速瞬變脈沖信號干擾，可將采集到的電流信號轉換為0～3.53 V電壓信號。圖5中的C2、R6組成電流互感器相移補償電路，D3、D4組成運放輸入信號限幅保護電路。

圖4 電壓單元信號調理電路圖

圖5 電流單元信號調理電路圖

3 軟件設計

3.1 STM32軟件設計

電能質量監測儀STM32軟件設計基于Keil MDK開發環境，采用C語言編程實現。電能質量監測儀STM32軟件設計框圖見圖6，接收A/D數據轉換系統的電網電壓/電流信號，進行計算、邏輯分析與整理，并通過通信模塊發送將數據傳送至上位機系統。

圖6 STM32軟件設計框圖

按照電能質量監測儀總體方案設計，STM32軟件系統分為A/D采集模塊、數據計算分析模塊以及LCD顯示模塊。

1) A/D采集模塊。A/D采集模塊AD7606與STM32之間以SPI模式傳輸電壓、電流信號數據。程序設計實現時，時鐘信號SCLK下降沿時觸發AD7606開始接收數據，同時設置時鐘極性CPOL=1、時鐘相位CPHA=0，采樣時間間隔為tCONV+t4+ton，其中tCONV為BUSY高電平持續時間，t4為片選信號CS的延時時間，ton為SPI讀取時間。AD7606采集一次數據需連續循環讀取16次，將高8位存儲至內存高字節，低8位存儲至內存低8位。

2) 數據計算分析模塊。STM32控制器內對接收到的數據采用改進閾值函數的雙樹復小波變換[7-9](ITF-DTCWT, improved threshold function dual-tree complex wavelet transform)相融合的改進算法進行分析、計算，減少信號失真，保證信號的平移不變性。

3) LCD顯示模塊。外接3.2英寸TFT LCD顯示屏觀察電能質量監測儀的運行狀態，包括系統時鐘、系統自檢以及A/D采集到的所有數據信息等。

3.2 上位機軟件設計

電能質量監測儀的上位機軟件設計基于visual studio 2017開發環境，采用C++語言編程實現。電能質量監測儀上位機軟件設計有開機登錄界面、波形/參數顯示與存儲界面、降噪顯示界面以及故障界面等，其中圖7所示為接收STM32控制系統的數據后進行波形/參數顯示與存儲界面的數據處理流程，可顯示電網電能質量基本參數、穩態指標以及暫態指標，并完成數據記錄功能。

圖7 上位機軟件設計框圖

4 系統測試與分析

4.1 測試環境

在實驗室完成電能質量監測儀的測試，驗證方案的正確性以及各監測數據是否符合國家標準。選用繼電保護測試儀輸出三路電壓、三路電流信號；選用Rigol-DS1102E示波器對輸出信號進行監測；選用FUSS-4PQNA690-3000電能質量分析儀為參考標準，驗證設計的電能質量監測儀的正確性。

4.2 硬件測試

驗證設計的電能質量監測儀對三相電壓、三相電流信號的采集以及調理功能。該電能質量監測儀可接收的輸入三相電壓信號為0～250 V，三相電流信號為0～5 A. 電能質量測試儀的信號輸入源為繼電保護測試儀，輸出端與示波器連接，并查看電壓、電流信號輸出波形。經示波器顯示并觀察發現，三相電壓、三相電流輸入信號經電能質量監測儀后的輸出信號為0～3.53 V的電壓信號，滿足設計要求。

4.3 軟件測試

驗證設計的電能質量監測儀對電壓、電流有效值測試，諧波測試，相位測試的準確度和精度。以繼電保護測試儀信號為模擬電網信號，以FUSS-4PQNA690-3000電能質量分析儀為標準，驗證設計的電能質量監測儀軟件的正確性和準確度。

1) 電壓/電流有效值測試。

電壓、電流有效值測試結果分析數據見表1，可以看出電壓有效值測量相對誤差小于0.2，電流有效值測量相對誤差小于0.5.

表1 電壓、電流有效值測試結果分析表

2) 電壓諧波測試。

電壓諧波測試結果分析數據見表2，可以看出當諧波分量幅值越小，相對誤差越小；諧波分量幅值越大，相對誤差越大。對于三相三線制、三相四線制系統，電壓諧波主要為3、5、7次諧波，其他諧波含量較小。

表2 電壓諧波測試結果分析表

3) 相位測試。

電壓、電流相位角測試結構分析數據見表3，可以看出電壓、電流相位角相對誤差小于0.2%.

表3 相位角測試結果分析表

電能質量參數測試總體滿足設計要求，但還存在測量誤差，可能是由于信號輸入及調理系統對電壓、電流信號處理時引入誤差,或信號經A/D數據轉換系統時引入量化誤差[10]. 下一步需對信號輸入及調理系統、A/D數據轉換系統精度控制進行優化，并增加信號采樣點至1 024，提高監測精度。

5 結束語

以電能質量監測儀為研究對象，重點介紹了硬件、軟件設計思路和方法，以STM32控制器為核心，基于Keil MDK、visual studio2017開發環境進行編程實現并完成系統測試：

1) 實現了三相三線制、三相四線制電壓/電流信號的實時、精準采集、調理計算和分析，并可通過上位機顯示電網電能的電壓、電流有效值，各次電壓諧波、相角以及頻率等。

2) 在實驗室完成電壓/電流有效值測試、電壓諧波測試以及相位測試。測試結果表明，該電能質量監測儀滿足設計要求，性能穩定。