基于STM32光伏發(fā)電電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

陳 林, 張 春, 何慧云, 徐星星, 顧 龍

(1.安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院, 安徽 蕪湖 241000;2.安徽省檢測技術(shù)與自動(dòng)化裝置重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 安徽 蕪湖 241000)

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基于STM32光伏發(fā)電電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

陳 林1,2, 張 春1,2, 何慧云1,2, 徐星星1,2, 顧 龍1,2

(1.安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院, 安徽 蕪湖 241000;2.安徽省檢測技術(shù)與自動(dòng)化裝置重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 安徽 蕪湖 241000)

設(shè)計(jì)了一種基于STM32的低功耗、高性能的光伏發(fā)電電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，利用STM32豐富的外設(shè)資源與現(xiàn)場可編程門陣列(Field-Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA)靈活的操控性實(shí)現(xiàn)了對電力數(shù)據(jù)的多通道實(shí)時(shí)采集。其中，F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與存儲(chǔ)控制，STM32實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理和通用分組無線服務(wù)技術(shù)(General Packet Radio Service，GPRS)通信控制。該系統(tǒng)能克服傳統(tǒng)電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)接口單一、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間有限、實(shí)時(shí)性差等問題。實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)能可靠地實(shí)現(xiàn)光伏電站運(yùn)行情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測。

光伏電站；STM32；數(shù)據(jù)采集；GPRS

引 言

隨著化石能源的不斷消耗，能源危機(jī)和環(huán)境污染等問題日益加劇，“綠色”、“低碳”成為電力系統(tǒng)發(fā)展的迫切需求[1]。光伏發(fā)電作為一種新的發(fā)電模式逐漸得到關(guān)注與重視。截至2014年，全國光伏發(fā)電累計(jì)并網(wǎng)裝機(jī)容量2805萬千瓦，同比增長60%，其中，光伏電站2338萬千瓦，光伏年發(fā)電量約250億千瓦時(shí)，同比增長200%[2]。

我國光伏電站主要分布在西部地區(qū)。由于西部地區(qū)特殊的地理環(huán)境，工程技術(shù)人員難以長期駐守電站，因此需要利用電能質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測電站運(yùn)行情況。文獻(xiàn)[3-5]提出一種了基于數(shù)字信號(hào)處理器(Digital Signal Processor，DSP)的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，但由于DSP本身受串行指令的限制，僅能完成簡單的數(shù)據(jù)運(yùn)算，程序編寫過程又比較繁瑣，成本相對較高。為此，本文提出一種基于STM32的實(shí)時(shí)電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，STM32有豐富的外設(shè)資源，成本相對較低，能適應(yīng)現(xiàn)場的工作環(huán)境，同時(shí)，利用FPGA實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與存儲(chǔ)控制。因此，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)能克服傳統(tǒng)電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)存在的精度不高、實(shí)時(shí)性差、通信接口單一等缺點(diǎn)。

1 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊和上位機(jī)數(shù)據(jù)監(jiān)測顯示模塊等四部分組成，如圖1所示。首先，調(diào)理電路把采集到的模擬信號(hào)調(diào)理成芯片AD7606可識(shí)別的輸入電壓值，由AD7606把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。FPGA控制AD7606進(jìn)行信號(hào)采集與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)?？刂颇KARM控制器STM32F103ZE對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過RS232與GPRS模塊連接，控制GPRS模塊與上位機(jī)通信。上位機(jī)利用Lab VIEW進(jìn)行開發(fā)。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

2.1 控制模塊

本系統(tǒng)選用的控制模塊是意法半導(dǎo)體公司一款基于Cortex-M3內(nèi)核的32位增強(qiáng)型閃存控制器STM32F103ZE。Cortex-M3內(nèi)核是專門設(shè)計(jì)用于滿足集高性能、低功耗、實(shí)時(shí)應(yīng)用、具有競爭性價(jià)格特點(diǎn)于一體要求的嵌入式系統(tǒng)[6]。STM32F103ZE的時(shí)鐘頻率為72 MHz，中斷方式為中斷嵌套方式，F(xiàn)lash閃存最高為128 KB，有兩個(gè)12位的ADC(轉(zhuǎn)換時(shí)間為1 μs)[7]。STM32芯片上豐富的資源大大簡化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)對硬件的要求，同時(shí)也降低了系統(tǒng)功能損耗。

控制器主要完成以下任務(wù)：

(1)對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，開啟采樣電路以及GPRS通信模塊。

(2)控制通用轉(zhuǎn)入/轉(zhuǎn)出轉(zhuǎn)換速率，接收數(shù)模采樣電路的采樣數(shù)據(jù)，啟動(dòng)A/D中斷。

(3)調(diào)用中斷響應(yīng)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步采集與處理。

(4)通過GPRS模塊把處理過的數(shù)據(jù)發(fā)送到PC端，由上位機(jī)調(diào)用相應(yīng)的檢測算法，對電能質(zhì)量進(jìn)行分析。

控制接口如圖2所示。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

根據(jù)應(yīng)用需要，模擬信號(hào)采集采用Analog Devices公司的16位AD轉(zhuǎn)換芯片AD7606，該芯片有8個(gè)同步采樣通道，可處理真雙極性、單端輸入電壓[8]。AD7606讀取數(shù)據(jù)之前首先需要STM32發(fā)送一個(gè)convst信號(hào)給AD7606，AD7606轉(zhuǎn)換完畢后，發(fā)送一個(gè)busy信號(hào)給STM32，此時(shí)啟動(dòng)SPI去讀取采樣之后的值，在配置SPI之前需要注意的是，最高有效位DB15是在CS的下降沿輸出的，而DB14到DB0是在SCLK的上升沿輸出的。AD7606的模擬輸入端VX(X表示數(shù)字1至8，分別代表八個(gè)編號(hào))處的電阻和電容組成ADC前端的抗混疊濾波器，其衰減頻率f=1/(2*pi*R*C)。VxGND(x表示數(shù)字1至8，分別代表八個(gè)編號(hào))端的電阻需與VX端處的電阻相一致，主要用來消除偏置誤差。通常電阻的大小約為10 kΩ。圖3為AD7606外圍接口電路圖。

圖2 控制接口圖

2.3 GPRS模塊設(shè)計(jì)

GPRS/GSM通信模塊主要是為了實(shí)現(xiàn)集中器與供電監(jiān)控部門之間的通信，并可與先進(jìn)的 GIS地理信息系統(tǒng)共同進(jìn)行定位[9]。本系統(tǒng)通信模塊選用的是SIMCom公司的SIM900A芯片。SIM900A是一個(gè)專為中國大陸和印度市場設(shè)計(jì)的2頻GSM/GPRS模塊，工作的頻段為：EGSM 900 MHz和DCS 1800 MHz，以及GPRS編碼格式CS-1、CS-2、CS-3和CS-4。選擇SIM900A是因?yàn)槠鋬?nèi)嵌了TCP/IP協(xié)議，其擴(kuò)展的TCP/IP AT命令能夠很方便地使用TCP/IP協(xié)議，使得本系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)非常方便。GPRS模塊通過RS232與STM32連接。

圖3 AD7606外圍接口電路圖

3 電源模塊設(shè)計(jì)

STM32F103ZE控制器的工作電壓為2.0～3.6 V，F(xiàn)PGA模塊供電要求為3.3 V，所以STM32工作電壓采用3.3 V。另外GPRS模塊單獨(dú)供電，與系統(tǒng)供電分開。

本系統(tǒng)外接電源為24 V，由開關(guān)控制上電/斷電。為了提高3.3 V芯片輸入輸出電壓的可靠性，采用二級電壓轉(zhuǎn)換策略，增加5 V電源電壓設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。一級電壓轉(zhuǎn)換采用LM2576ADJ芯片作為24 V轉(zhuǎn)5 V電壓穩(wěn)壓芯片，其電路圖如圖4所示。

圖4 24 V轉(zhuǎn)5 V電路圖

ARM控制器工作電壓為3.3 V，因此，二級電壓轉(zhuǎn)換采用LM1117-3.3 V低壓差線性調(diào)壓器供電。

LM1117是一個(gè)低壓差電壓調(diào)節(jié)器。其線性調(diào)整率為0.2%(Max)，負(fù)載調(diào)整率為0.4%(Max)，3.3 V為其固定輸出。圖5為5 V轉(zhuǎn)3.3 V電源轉(zhuǎn)換電路圖。

圖5 電源轉(zhuǎn)換電路圖

4 監(jiān)測終端設(shè)計(jì)

上位機(jī)監(jiān)控終端采用Lab VIEW 進(jìn)行開發(fā)。Lab VIEW是面向最終用戶的工具，采用易于編程的圖形化語言——G 語言來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的文本式編程語言，簡化了科學(xué)計(jì)算、過程監(jiān)控和測試軟件的開發(fā)過程[3]。Lab VIEW系統(tǒng)軟件主要由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示與保存四個(gè)模塊構(gòu)成。

監(jiān)測終端設(shè)計(jì)主要完成以下功能：

(1)管理功能：主要實(shí)現(xiàn)用戶管理與權(quán)限管理。

(2)監(jiān)測功能：對電能質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，能夠顯示穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)電能質(zhì)量指標(biāo)信息。

(3)數(shù)據(jù)分析與處理功能：能夠?qū)ΡO(jiān)測點(diǎn)的電能質(zhì)量信息進(jìn)行記錄和存儲(chǔ)，并能對數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理，能夠?yàn)殡娋W(wǎng)運(yùn)行和事故分析提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，支持以圖形和波形的數(shù)據(jù)報(bào)表導(dǎo)出。

(4)數(shù)據(jù)庫功能：主要實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的分類查詢，如按時(shí)間節(jié)點(diǎn)查詢、按時(shí)間節(jié)點(diǎn)與電流值查詢、按時(shí)間節(jié)點(diǎn)與電壓值查詢等。

5 實(shí)驗(yàn)與分析

為驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性與有效性，實(shí)驗(yàn)中采用多組電壓數(shù)據(jù)對三個(gè)通道進(jìn)行了測試，圖6為TCP協(xié)議測試結(jié)果。測試結(jié)果表明TCP協(xié)議接收/發(fā)送數(shù)據(jù)工作正常，服務(wù)器端與客戶端功能實(shí)現(xiàn)正常。三個(gè)通道電壓測試曲線如圖7所示，數(shù)據(jù)見表1。從表1可知，每個(gè)通道電壓幅值測量結(jié)果相對誤差都在0.5%以內(nèi)，能滿足電力監(jiān)測技術(shù)指標(biāo)中電壓測量精度0.5級以內(nèi)的要求。

圖6 TCP協(xié)議測試結(jié)果

圖7 多通道信號(hào)測量曲線

表1 多通道信號(hào)測量結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)通信功能正常，每個(gè)通道測試結(jié)果都符合標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)采集精度滿足要求。

6 結(jié)束語

本文以STM32F103ZE與Lab VIEW虛擬儀器技術(shù)為核心實(shí)現(xiàn)了光伏發(fā)電電能質(zhì)量采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)地對光伏電站運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)測，依據(jù)傳輸回來的電能質(zhì)量信息，技術(shù)人員可以及時(shí)了解電站的運(yùn)行情況，依據(jù)報(bào)表信息對電站運(yùn)行情況進(jìn)行準(zhǔn)確的評估。系統(tǒng)界面簡單，易于操作，成本比較低，具有很好的工程應(yīng)用價(jià)值。

[1] 曾正,楊歡,趙榮祥,等.多功能并網(wǎng)逆變器研究綜述[J].電力自動(dòng)化設(shè)備,2012,32(8):5-15.

[2] 國家能源局.2014年光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r[EB/OL].(2015-02-15).http://www.nea.gov.cn/2015-02/15/c_133997454.htm.

[3] 鄒正華,劉永強(qiáng),王強(qiáng).基于DSP和LabVIEW的分布式電能質(zhì)量監(jiān)測裝置設(shè)計(jì)[J].電力自動(dòng)化設(shè)備,2010,30(1):122-126.

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[7] STM32F101xx,STM32F102xx,STM32F103xx,STM32 F105xx, STM32F107xx,ARM kernel 32 bit high performance for control reference manual[S/OL].http://www.stmicroelectronics.com.cn/web/cn/catalog/mmc/FM141/SC1169/SS1031

[8] Analog Devices.8/6/4通道DAS,內(nèi)置16位、雙極性輸入、同步采樣ADC AD7606/AD7606-6/ AD7606-4[M/OL].2010,10.[2015-11-15].http://www.analog.com/cn/products/analog-to-digital-converters/precision-adc-10msps/simultaneous-sampling-ad-converters/ad7606-6.html#product-overview

[9] 肖振鋒,袁榮湘,鄧翔.基于Xbee與GPRS /GSM 的智能抄表系統(tǒng)[J].電氣應(yīng)用,2013,32(5):34-39.

Design of Photovoltaic Power Quality Monitoring System Based on STM32

CHENLin1,2,ZHANGChun1,2,HEHuiyun1,2,XUXingxing1,2,GULong1,2

(1.College of Electrical Engineering, Anhui Polytechnic University, Wuhu 241000, China; 2.Anhui Key Laboratory of Detection Technology and Automation Devices, Wuhu 241000, China)

A low power consumption and high performance photovoltaic power quality monitoring system based on STM32 is designed to realize multichannel power real-time data acquisition with the rich peripheral resources of STM32 and the flexible control of field programmable gate array (Field-Programmable Gate Array, FPGA), in which, FPGA controls data acquisition and storage ,STM32 controls data processing and general packet radio service (General Packet Radio Service, GPRS) communications. This system can overcome the problems of traditional power quality monitoring system such as single communication interfaces, limited data storage space, poor real-time capability and so on. Experiments show that the system can reliably realize the real-time monitoring on the running condition of the photovoltaic power station.

photovoltaic power station; STM32; data acquisition; GPRS

2015-11-10

安徽省高校自然科學(xué)研究重大項(xiàng)目(KJ2015ZD06)

陳 林(1989-),男,江蘇儀征人,碩士生,主要從事電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化方面的研究,(E-mail)511396033@qq.com；

張 春(1972-),男,安徽安慶人,教授,碩士生導(dǎo)師,主要從事電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化方面的研究,(E-mail)511396033@qq.com

1673-1549(2016)01-0044-04

10.11863/j.suse.2016.01.10

TM93

A