基于ARM的微電網(wǎng)諧波分析儀的研究

麻志濱 談加杰

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)信息與電氣工程學(xué)院，山東 威海 264209)

基于ARM的微電網(wǎng)諧波分析儀的研究

麻志濱 談加杰

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)信息與電氣工程學(xué)院，山東 威海 264209)

針對(duì)微電網(wǎng)的電能供給相較于常規(guī)電網(wǎng)不穩(wěn)定、諧波的干擾更加嚴(yán)重的情況，設(shè)計(jì)了一種新型的基于ARM-CortexM4內(nèi)核的微電網(wǎng)諧波分析儀。詳細(xì)闡述了微電網(wǎng)的發(fā)展與現(xiàn)狀，論述了諧波檢測對(duì)于微電網(wǎng)系統(tǒng)的必要性。介紹了微電網(wǎng)檢測儀的硬件部分，包括前級(jí)電壓電流轉(zhuǎn)換電路、信號(hào)調(diào)理電路、單片機(jī)處理電路和顯示電路。軟件部分介紹了基于CortexM4內(nèi)核的FPU單元的快速傅里葉變換系統(tǒng)和FIR濾波器系統(tǒng)，并闡述了整個(gè)軟件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。最后分析了電網(wǎng)諧波檢測儀的性能。

微電網(wǎng) 諧波檢測 ARM-CortexM4 FFT FIR濾波

0 引言

隨著工業(yè)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)水平的提高，在過去的幾十年里人們對(duì)電的依賴程度愈來愈強(qiáng)，電能成為了人類社會(huì)生產(chǎn)生活中最重要的能源之一。傳統(tǒng)的超大規(guī)模電網(wǎng)系統(tǒng)有著顯著的缺點(diǎn)——運(yùn)營成本高且運(yùn)行難度大；20世紀(jì)世界范圍內(nèi)發(fā)生的幾次大規(guī)模停電事件，嚴(yán)重影響了正常的生產(chǎn)生活秩序，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此21世紀(jì)人類將更多的目光傾注于新的電網(wǎng)系統(tǒng)[1]。

微電網(wǎng)系統(tǒng)是近些年來新興的一種電網(wǎng)系統(tǒng)，它是指在常規(guī)的超大規(guī)模電網(wǎng)之外，建設(shè)新的小的電網(wǎng)系統(tǒng)。這些電網(wǎng)系統(tǒng)利用諸如風(fēng)能、太陽能等新型能源技術(shù)，通過就近供電來緩解供電需求并提高供電的可靠性[2]。

但由于微電網(wǎng)的供電單元分散，且太陽能、風(fēng)能等新型能源受外界環(huán)境影響較大，造成供電不穩(wěn)定，進(jìn)而產(chǎn)生電能質(zhì)量下降等問題[3]。因此，為了滿足人們對(duì)電能質(zhì)量與供電安全的要求，對(duì)于新型的微電網(wǎng)系統(tǒng)，一種穩(wěn)定可靠的諧波分析儀是必要的。使用電網(wǎng)諧波分析儀來檢測電網(wǎng)的諧波量與電能質(zhì)量，是預(yù)防和消除電網(wǎng)污染的前提[4]。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的電網(wǎng)諧波檢測儀主要有兩種檢測方案。一種是依托于專門的電網(wǎng)檢測芯片進(jìn)行諧波檢測，這種方案的主要問題是造價(jià)高昂，靈活度不高，對(duì)于新型的微電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行諧波檢測顯得力不從心。另一種方案是以單片機(jī)為核心，對(duì)電網(wǎng)信息進(jìn)行采集處理分析。這種方案的主要問題是單片機(jī)的處理能力較弱，處理的信息量較少，僅僅是處理簡單的檢測尚可，一些復(fù)雜的要求很難達(dá)到[5]。

本文針對(duì)傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析，提出了一種基于新的ARM-CortexM4內(nèi)核的處理器的微電網(wǎng)諧波檢測技術(shù)。使用STM32F407系列的新型單片機(jī)作為主控核心進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和分析，使用精密的前端信號(hào)調(diào)理電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理。同時(shí),依托于M4內(nèi)核強(qiáng)大的處理能力以及FPU單元來對(duì)信號(hào)進(jìn)行FFT運(yùn)算和數(shù)字FIR濾波，最終在7英寸(1英寸=25.4 mm)液晶顯示屏上將結(jié)果顯示出來，并通過串口將信息實(shí)時(shí)發(fā)送到單片機(jī)，系統(tǒng)的總體方案如圖1所示。

圖1 總體方案圖

本設(shè)計(jì)選擇的ARM-CortexM4內(nèi)核的STM32F407微控制器。CortexM4內(nèi)核是ARM公司在10年推出的最新的高性能低功耗的嵌入式方案。STM32F407系列微控制器是ST公司推出的應(yīng)用于工業(yè)電子領(lǐng)域的中高端嵌入式處理核心，有著強(qiáng)大的性能。STM32F407是有著高達(dá)168 MHz主頻的DSC，具有192 kB內(nèi)存和高達(dá)1 MB的Flash。如此高的性能使其在信號(hào)處理領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。使用STM32F407的12位A/D對(duì)處理過后的信號(hào)進(jìn)行采樣，使用內(nèi)部的FPU單元可以快速進(jìn)行傅里葉變換和FIR濾波。硬件方案如圖2所示。

圖2 硬件方案圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括電源系統(tǒng)、信號(hào)采集系統(tǒng)和信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)、單片機(jī)控制系統(tǒng)和外圍電路系統(tǒng)等4部分組成。

2.1 電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于本設(shè)計(jì)的任務(wù)是對(duì)信號(hào)做精密的采集，因此一套合理穩(wěn)定的電源系統(tǒng)是必須的[6]。電源方案如圖3所示，本電源系統(tǒng)利用兩片LM2596分別將+12 V電源輸入轉(zhuǎn)換為+6.8 V與-6.8 V，利用一片LM1117與一片L7805將-6.8 V轉(zhuǎn)換為+5 V與+3.3 V，利用一片LM7905將-6.8 V轉(zhuǎn)換為-5 V。其中+5 V與-5 V對(duì)運(yùn)放進(jìn)行雙路電源供電，+3.3 V對(duì)單片機(jī)進(jìn)行供電。

開關(guān)電源具有效率高、過電流能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但紋波較大；與之相反，線性電源具有紋波小的優(yōu)點(diǎn)，但有功耗大的問題，且壓差越大，其產(chǎn)生的熱功率損耗也就越大。因此，將開關(guān)電源和線性電源配合使用，開關(guān)電源將輸入電壓降低為一個(gè)比較低的電壓并輸出給線性電源進(jìn)行第二步降壓，從而達(dá)到了既能保證紋波，又能解決功耗與散熱問題的目的。

圖3 電源方案圖

LM2596是Buck型開關(guān)降壓芯片，只要將LM2596芯片的Vout管腳接地，此時(shí)由于Vout管腳的電平不會(huì)被改變，則相對(duì)的GND管腳的電壓會(huì)下降到設(shè)定值，此時(shí)GND管腳的電壓相對(duì)于GND管腳低6.8 V，即產(chǎn)生了-6.8 V電壓。圖4為LM2596產(chǎn)生6.8 V電壓的電路圖。

圖4 LM2596電壓產(chǎn)生電路

2.2 信號(hào)采集與調(diào)理系統(tǒng)

由于市電信號(hào)電壓高、干擾大，無法直接處理檢測，因此需要由采集和調(diào)理電路來完成這個(gè)任務(wù)。系統(tǒng)利用霍爾型電壓電流傳感器采集市電的電壓和電流，并將采集到的信號(hào)經(jīng)過調(diào)理和濾波輸入到單片機(jī)進(jìn)行A/D采集。電壓轉(zhuǎn)換部分的電路圖如圖5所示。

圖5 電壓信號(hào)采集調(diào)理圖

圖5中，電壓互感器選擇的是0～1 000 V轉(zhuǎn)0～5 mA的電壓互感器，作I-U轉(zhuǎn)換即可將副邊線圈的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為比例縮小的電壓信號(hào)，選取R5=100 kΩ、R3=680 kΩ，可得到大約150∶1的轉(zhuǎn)換比例，也就是220V市電的Vpp大約622V，轉(zhuǎn)換過后可以在Uin處獲得Vpp4V左右的可測量信號(hào)。

由于轉(zhuǎn)換得到的Uin仍舊是一個(gè)交流信號(hào)，所以需要將其轉(zhuǎn)換為0～3.3 V的可測量電壓信號(hào)才可以輸入測量。運(yùn)放U1的作用就是起到轉(zhuǎn)換的作用，同時(shí)二極管D1和電容C3可以起到濾波調(diào)理的作用。

2.3 單片機(jī)電路的設(shè)計(jì)

單片機(jī)部分將經(jīng)過處理的電壓和電流信號(hào)分別輸入到STM32F407單片機(jī)的PA0和PA1口，用來進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。彩屏接入FSMC接口，F(xiàn)SMC是STM32獨(dú)有的一種總線技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)彩屏的快速控制，加快處理速度。同時(shí)將串口接入PA2和PA3口，將按鍵接入PG1和PG2口，使用外部中斷捕獲。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

微電網(wǎng)諧波檢測儀的軟件部分主要由采集程序、FIR濾波程序、FFT變換程序和顯示通信程序組成。系統(tǒng)使用Keil MDK 4.72作為主要編譯器。程序主要流程圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)流程圖

3.1 FIR濾波器的設(shè)計(jì)

由于需要測得的微電網(wǎng)諧波的頻率大約在8 kHz以下，而8 kHz以上的諧波多是電路噪聲或是A/D轉(zhuǎn)換的噪聲，因此為了保證結(jié)果的精確性，需要對(duì)采集的結(jié)果進(jìn)行濾波。FIR濾波器是一種簡單可靠的濾波器，同時(shí)借助Cortex-M4內(nèi)核的DSP協(xié)處理器以及FPU協(xié)處理器，可以高速地完成浮點(diǎn)FIR濾波器的運(yùn)算[7]。

FIR濾波器的種類有多種，需要的處理結(jié)果是將8 kHz以上的干擾去掉，且8 kHz以下的諧波信息要保存下來并且不要有失真，因此選擇窗函數(shù)法來設(shè)計(jì)FIR濾波器是一個(gè)合理的選擇。漢寧窗可以明顯地減小泄漏，性能優(yōu)于矩形窗，因此最終選擇漢明窗函數(shù)來設(shè)計(jì)FIR濾波器[8]。

借助Matlab的Fdatool來設(shè)計(jì)FIR濾波器的系數(shù)。選擇截止頻率為8 kHz，F(xiàn)IR漢寧窗函數(shù)，同時(shí)選擇濾波器的階數(shù)為8階。濾波器的階數(shù)越高，其濾波性能越好，但其需要的運(yùn)算量也越大。綜合考慮選擇8這個(gè)階數(shù)，從而平衡運(yùn)算量和濾波特性，圖7為設(shè)計(jì)的FIR濾波器的幅頻特性曲線。

圖7 FIR濾波器幅頻特性

3.2 FFT轉(zhuǎn)換函數(shù)

快速傅里葉變換是微電網(wǎng)諧波檢測儀的最重要的操作之一，只有通過傅里葉變換將信號(hào)從時(shí)域轉(zhuǎn)換到頻域，才能夠?qū)⒉煌l率的諧波分離出來，以進(jìn)行分析[9]。傳統(tǒng)意義上快速傅里葉變換在微控制器領(lǐng)域需要占用大量的運(yùn)算時(shí)間，尤其是浮點(diǎn)快速傅里葉變換和復(fù)數(shù)傅里葉變換。ARM CortexM4系列的芯片則提供了一個(gè)很好的解決方案，基于STM32F407內(nèi)部的DSP和FPU提供了一套速度很快的復(fù)數(shù)快速傅里葉變換(CFFT)方法[10]。

對(duì)于FFT變換尤其重要的是選擇合適的轉(zhuǎn)換點(diǎn)數(shù)和采樣頻率。轉(zhuǎn)換點(diǎn)數(shù)和采樣頻率決定了結(jié)果的精度[11]。為了獲得最大的步進(jìn)長度，選擇1 024點(diǎn)FFT，對(duì)于1 024點(diǎn)FFT，需要選擇一個(gè)合適的采樣頻率才可以獲得一個(gè)良好的精度[12]。對(duì)于FFT的結(jié)果中的某一點(diǎn)的頻率，由式(1)可得：

Fn=(n-1)Fs/N

(1)

式中:Fn為第n點(diǎn)的頻率;Fs為采樣頻率；N為總的采樣點(diǎn)數(shù)。頻率范圍為0～8 kHz，當(dāng)n=512時(shí)，F(xiàn)n≤8 kHz。因此，可得轉(zhuǎn)換頻率為10 kHz時(shí)可以達(dá)到要求，同時(shí)每一個(gè)頻率點(diǎn)的數(shù)字也便于處理。

4 測試結(jié)果分析

針對(duì)本檢測儀的性能和準(zhǔn)確性做了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)室的主供電回路上的電壓和電流作了檢測并通過諧波檢測儀進(jìn)行分析，同時(shí)使用XY194AC-2SY型號(hào)的31次諧波表作為數(shù)據(jù)比對(duì)。電壓諧波的測試結(jié)果如表1所示，表中對(duì)諧波分量大于1 V的結(jié)果進(jìn)行了顯示。

表1 測試結(jié)果

通過對(duì)測量結(jié)果的分析可以得出結(jié)論：本設(shè)計(jì)的測量結(jié)果穩(wěn)定可靠，精度更高，同樣的性能其造價(jià)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)電表。

5 結(jié)束語

針對(duì)新興的微電網(wǎng)，諧波檢測儀尤為重要，采用諧波檢測獲得的參數(shù)對(duì)微電網(wǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)有著很大的作用。同時(shí)ARM-CortexM4系列的新型微控制器性能先進(jìn)，數(shù)字運(yùn)算能力強(qiáng)且成本低，完全可以適應(yīng)微電網(wǎng)諧波檢測的需求。本文設(shè)計(jì)的基于ARM的微電網(wǎng)諧波檢測儀可以實(shí)現(xiàn)檢測微電網(wǎng)的電壓諧波和電流諧波，為微電網(wǎng)的調(diào)節(jié)控制提供信息，設(shè)計(jì)穩(wěn)定可靠。

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Research on the ARM-based Harmonics Analyzer for Micro Grid

The power supply of micro grid is less stable than of conventional grid, and the harmonic interference is more severe, aiming at this situation, the new harmonic analyzer based on ARM-CortexM4 core has been designed for micro grid. The development and current status of micro grid are described in detail, and the necessity of harmonic detection of micro grid system is expounded. The hardware of the micro grid harmonic analyzer is introduced, including the front stage voltage current conversion circuit; signal conditioning circuit; single chip computer processing circuit and display circuit. For the software, the FFT system and FIR system based on FPU (floating point unit) of CortexM4 core are presented, and the structure of overall software system are described. In addition, the performance of the harmonic analyzer is also analyzed.

Micro grid Harmonic detection ARM-CortexM4 FFT FIR filter

麻志濱(1960-)，男，1987年畢業(yè)于哈爾濱理工大學(xué)電氣自動(dòng)化專業(yè)，高級(jí)工程師；主要從事電氣自動(dòng)化與測控方面的研究。

TH83;TP216

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201510021

修改稿收到日期：2014-01-04