基于STM32的电能质量检测技术研究

标签：电能质量 STM32  检测

摘要： 目前国内外已有多种检测电能质量的方法， 介绍了一种基于ARM Co rtex- M3 内核的32 位处理器STM32 内嵌式智能仪器模式设计的方案。利用STM32 内置A/ D 以及ATT7022B 芯片对信号进行多通道采集， 对各电能参数进行检测和分析。运用处理器自带的SD 卡和U SB 接口对所测大量数据进行存储和传输， 并通过彩色液晶屏实时显示所测数据， 检测设备间通过2. 4 G 无线通信模块进行数据交换。实际运行表明该设备操作简单、技术指标完全符合国家相关标准， 具有较好的应用、推广价值。

0 引言

近些年来， 随着现代化工业设备和民用电器设备的普及， 电力用户对供电质量的要求越来越高。特别是大量非线性电力负荷用到日常生活和工业生产中， 使得公用电网中的电能质量问题愈显凸出， 已经严重影响了电能供应质量。因此， 根据国家电能质量检测标准， 有必要对电网供电的各项参数进行测试， 分析电网的电能质量。

国内外已有不少方法对电能质量进行检测。但是传统的基于8、16 位的单片机的电能检测设备存在处理速度慢， 硬件结构不够完善等缺点。而当下比较流行的运用DSP 处理器的电能检测设备， 虽然其处理速度快、精度高，但是成本较高、功耗大， 不利于大规模的推广。本文提出一种基于STM32 芯片以内嵌入式智能仪器模式设计的方案。STM32 具有杰出的功耗控制及众多外设。设计时可充分利用其丰富的片上资源， 大大节省了硬件的投资。

利用STM2 内置的A/ D 可对信号进行高速采集和处理，其自带的USB 接口可对数据进行快速传输， 以及通过电阻式彩色触摸屏T FT 对相关数据进行实时显示等。系统具有设计结构简单、携带方便、低成本、低功耗、可靠性高等优点， 适合实时现场操作， 具有较高的应用价值。

1 电能质量检测设备总体设计方案

本电能质量检测系统的主要设计思路是： 根据国家制定的电能质量相关标准对系统进行设计、开发， 系统框图如图1 所示。通过高精度的模拟信号采集电路对公用电网的电压、电流进行采集; 通过FFT 算法对谐波进行检测分析， 以及运用电能检测芯片对电压幅值、电流值、功率因素等一系列参数进行检测; 最后将测试结果显示在液晶屏幕上， 同时将数据存储在SD 卡上， 检测设备之间可以通过2. 4 G 无线通信模块进行数据交换， 还可运用U SB 通信接口传输实时的数据到上位机， 以便上位机对数据进行存储和分析。

图1 系统框图

2 硬件设计

2. 1 STM32 处理器介绍

本系统采用的是由意法半导体公司推出的基于ARMCor tex??M3 内核的STM32F103RBT 6 增强型32 位处理器。其工作频率为72 MHz, 内置高速存储器( 高达128 K字节的闪存和20 K 字节的SRAM) , 丰富的增强型I/ O 端口和联接到2 条APB 总线的外设。包含2 个12 位的A/D、3 个通用16 位定时器和1 个PWM 定时器， 还包含标准和先进的通信接口： 多达2 个IIC 接口和SPI 接口、3 个USART 接口、一个USB 接口和一个CAN 接口。STM32较市场上同种类的单片机具有价格低、功能强、使用简单、开发方便等优势。

2. 2 电能数据采集模块设计

对于前端电压电流的采集选用高精度的电压电流互感器。其体积小、精度高、全封闭、机械和耐环境性能好，电压隔离能力强， 安全可靠且工作频率范围在20 Hz ~20 kHz。运用互感器将大电压电流信号转换成小信号， 再通过分压将其转换成STM32 的A/D 输入通道的合理电压输入范围( 0~ 3. 3 V ) 。

2. 3 电能数据处理模块

电能数据处理主要分为2 个模块， 即谐波采集、分析模块和AT T 7022B 高精度三相电能专用计量芯片模块。

是通过STM32 处理器内置的A/ D 转换器对采集的信号运用FFT 算法进行谐波处理和分析。该模数转换器是12 位的逐次逼近型的， 多达18 个通道， 可测量16 个外部和2 个内部信号源。各通道的A /D 转换可以单次、连续、扫描或间断模式执行。A/D 的结果可以左对齐或右对齐方式存储在16 位数据寄存器中。其模拟看门狗特性允许应用程序检测输入电压是否超出用户的高/ 低阀值。

该设计是运用STM32 内置A/ D 的同步规则模式将所测得的数据通过DMA 传输， 以节省CPU 资源。

AT T7022B 是一款三相电能计量专用芯片， 该芯片适用于三相三线和三相四线的应用。它集成了7 路二阶sigma??deat lA/ D, 其中3 路用于三相电压采样， 3 路用于电流采样， 还有1 路可用于零线电流或其他防窃电参数的采样、输出采样数据有效值， 使用方便。它集成了参考电压电路以及所有包括基波、谐波和全波的各项电参数测量的数字信号处理电路， 能够测量各相及合相包括基波、谐波和全波的有功功率、无功功率、视在功率、有功能量以及无功能量， 同时还能测量频率、各相电流及电压有效值、功率因数、相角等参数[6??8] 。

AT T7022B 内部集成了6 路16 位A /D 转换器， 采用双端差模信号输入。电流通道有效值在2 mV ~ 1 V 的范围内线性误差小于0. 1%; 电压通道有效值在10 mV~1 V 的范围内线性误差小于0. 1%。所以电压取值在0. 2~ 0. 6 V , 电流通道取值在2 mV ~ 1 V 比较合适。最后通过芯片自带的SPI 接口和STM32 处理器进行通信，控制相关参数以及存储、发送数据。图2 所示为电压电流信号输入典型连接电路。

图2AT T7022B 电压电流信号输入典型连接电路

2. 4 电能数据储存及通信、显示模块

为了实现电能检测参数的的存储， 该系统采用了SD卡来存储数据。SD 卡是一种基于半导体记忆的新一代记忆设备， 被广泛应用于便携式装置上。其体积小、质量轻，但却拥有高记忆容量、快速数据传输、极大的移动灵活性以及很好的安全性。利用STM32 自带的SPI 接口， 最大通信速率可达18 kbps, 每秒可传输2 M 字节以上的数据，对于系统的设计要求已足够了。

在数据通信上， 系统设计了两种通信方式。一种是现今较为流行的基于USB 通信协议的U SB 通信方式， 实现处理器与上位机的快速通信。另外一种是额外的无线通信方式， 该通信方式也叫做2. 4 G 频段无线通信， 应用全球开放的ISM 频段可免费使用。本系统采用的是NRF24L01 无线模块， 其最高工作速率为2 Mbps, 高效的GFSK 调制， 抗干扰能力强可以方便实现2 个电能检测设备之间的数据交换、传输。

系统采用2. 8 寸T FT 彩色电阻式液晶屏， 其屏幕分辨率高( 320 240) 、体积小、功耗低、寿命长， 能够清晰的显示所需要的数据。

3 系统软件设计

3. 1 软件设计平台及构成

系统设计采用RealView MDK3. 80A 为开发平台， 用于编写调试STM32 代码。系统软件设计包括主程序、数据采集存储、数据通信、按键设置及液晶显示等模块。系统软件总体设计流程图如图3 所示。

图3 系统程序流程

3. 2 电能数据采集及处理分析设计

3. 2. 1 谐波的测量、分析

根据国家规定的谐波测量方法， 为了区别暂态现象和谐波， 每次测量结果可取3 s 内所测量的平均值。采用式( 1) 计算：

式中： Uhk 为3 s 内第k 次测得的h 次谐波的均方根植;m 为3 s 内取均匀间隔的测量次数， m≥6。

以此Uh ( 第h 次谐波电压的均方根值) 的值计算下列参数：

1) 第h 次谐波电压含有率H R Uh

式中： Uh 为第h 次谐波电压( 均方根值) ; U1 为基波电压( 均方根值) 。

2) 谐波电压含量UH

3) 电压总谐波畸变率TH D u

电流的相关计算以此类推， 通过这些参数对电能谐波进行分析， 检测是否合格。

3. 2. 2 其他电能检测参数测量

通过AT T 7022B 芯片内置的24 位DSP 数字信号处理， 来获得有功功率、无功功率、视在功率、电压电流有效值、功率因素和频率等电能参数。

4 测试结果与分析

根据我国规定的谐波测量方法， 测试取0~ 19 次谐波[ 9] 。通过系统输出值与实际幅值的对比， 若在Uh ??

1% UN 和Uh < 1% UN 的情况下， 即为允许范围内， 符合国家对B 级谐波测试仪器的相关精度的要求。其他电能测试结果也可按国家标准给定的精度范围进行逐项计量。

经实验本系统的数据通信和彩色液晶显示也满足实用要求。

通过测试结果表明， 系统测试结果准确、精度较高， 完全符合电能检测仪器的相关要求。

5 结束语

本文介绍了基于STM32 的便携式电能质量检测设备的设计过程及测试结果。运用的STM32 处理器拥有丰富的片上资源， 内置的A /D 转换芯片、SPI 通信接口、U SB通信接口以及无线通信模块， 极大的简化了系统的硬件设计。系统具有功耗低、携带方便、操作便捷、测量精度较高等优势， 采用USB 通信和无线通信两种通信模式， 使得数据的传输多样化及较强选择性。彩屏液晶显示使得操作人员对结果一目了然。在电能检测市场上， 鉴于本系统的诸多特点， 将会有十分广阔的应用和发展前景。