基于ARM的智能電表系統(tǒng)研究與設計

王子龍

摘要：為更好地解決電網(wǎng)中諧波對電能質(zhì)量的影響，且針對ZigBee、WiFi等無線技術(shù)存在的傳輸距離有限、對應用環(huán)境的依賴性較高等不足，研究設計出一種基于ARM的智能電表系統(tǒng)。采用STM32F401RBT6微控制器，加上ATT7022E電能計量芯片作為系統(tǒng)的核心。利用LoRa無線模塊進行組網(wǎng)，通過LoRa網(wǎng)關(guān)采集各個電表數(shù)據(jù)，進行遠程充值繳費。同時，采取改進的FFT加窗插值算法來分析解決電網(wǎng)諧波。最后，確立系統(tǒng)總體設計方案，并完成軟硬件調(diào)試及系統(tǒng)測試。

關(guān)鍵詞：智能電表;ARM;電網(wǎng)諧波;LoRa;FFT

中圖分類號：TP273? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? 文章編號：1009-3044（2019）01-0259-03

Research and Design of Smart Meter based on ARM

WANG Zi-long

（School of Information and Electric Engineering， Hebei University of Engineering， Handan 056038， China）

Abstract： In order to better solve the influence of harmonics on power quality in power grid， and aiming at the shortcomings of ZigBee， WiFi and other wireless technologies， such as limited transmission distance and high dependence on Application environment， an intelligent ammeter system based on ARM is designed. STM32F401RBT6 microcontroller and ATT7022E power metering chip are used as the core of the system. LoRa wireless module is used for networking， and the data of each meter is collected through LoRa gateway for remote charging and payment. At the same time， the improved FFT windowed interpolation algorithm is adopted to analyze and solve the power grid harmonics. Finally， the overall design of the system is established， and hardware and software debugging and system testing are completed.

Key words： Smart Meter; ARM; Power grid harmonics; LoRa; FFT

1? 引言

電網(wǎng)中產(chǎn)生的諧波會引起繼電保護和自動裝置誤動作，使電能計量出現(xiàn)混亂，降低智能電表的電能計量精度[1]。而當前對諧波的分析主要是將數(shù)字乘法器為中樞或?qū)⒛M乘法器為中樞的功率變換器，而都存在著成本高、精準度低且不穩(wěn)定等特點[2]。同時，智能電表一直面臨的問題還有信息的傳輸問題。傳統(tǒng)的電話線通信傳輸、電力線載波傳輸?shù)纫阎饾u被淘汰，而隨著物聯(lián)網(wǎng)時代的到來，越來越多的無線技術(shù)應用到智能電表，但基于ZigBee、WiFi等技術(shù)的無線抄表方案均存在通信距離短、設備繁瑣，網(wǎng)絡路由復雜、抗干擾能力弱等缺陷[3]。針對目前智能電表不適用于要求測量準確度高、信息實時交互的場合，且通信距離有限、不具備諧波分析功能的現(xiàn)狀，設計研究出一種基于ARM的智能電表系統(tǒng)。

2? 系統(tǒng)總體方案設計

系統(tǒng)主要由系統(tǒng)供電、電量測量、LoRa數(shù)據(jù)傳輸和諧波分析處理四個部分構(gòu)成。系統(tǒng)中，專用電量采集芯片ATT7022E通過電流采樣和電壓采樣來收集數(shù)據(jù)，其中包括互感器和部分的電容、電阻。同時，電流、電壓互感器發(fā)送到ATT7022E芯片輸入引腳的模擬信號還能夠轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。STM32F401RBT6是整個系統(tǒng)的核心處理芯片，用于數(shù)據(jù)采集、按鍵操作檢測、LoRa數(shù)據(jù)傳輸、諧波分析處理等功能。

在針對處理電力系統(tǒng)中的諧波時，采用FFT算法出現(xiàn)的混疊現(xiàn)象、頻譜泄漏、柵欄效應等問題[4]，通過加窗插值算法修正FFT運算。能有效地約束諧波以及一些雜波和噪聲之間的干擾，從而達到各次諧波中電流、電壓相位的精確計量。諧波分析處理流程圖如圖1所示。

3? 系統(tǒng)硬件方案設計

3.1? 信號采集電能計量模塊

該模塊采用的是STM32F401RB加上ATT7022E電能計量芯片作為系統(tǒng)的核心。計量芯片內(nèi)部含有sigma-deltaADC，這種ADC結(jié)構(gòu)通過不斷地疊加計算差值可以實現(xiàn)較高精度的測量。同時還集成了包括電壓、電流、功率因數(shù)等多種電路，能夠采集分析電路中全部的電能參數(shù)和數(shù)字信號，例如電路中各相線電壓、電流有效值、工作頻率及功率因數(shù)等等，能夠很好地完成該系統(tǒng)的電量采集、參數(shù)處理和數(shù)據(jù)分析等任務。

3.2? 回路控制模塊

系統(tǒng)中通過在各個回路配置了磁保持繼電器，使得該智能電表系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動控制各相線的開關(guān)和閉合。而根據(jù)磁保持繼電器所具備的磁吸力，只有在啟動狀態(tài)下才會通電，系統(tǒng)在正常運行中不需要通過供電使其工作，因此相比傳統(tǒng)的繼電器更加節(jié)能。系統(tǒng)共配備了三個磁保持繼電器，有效避免了因繼電器自身的過流能力過高而引發(fā)的電路故障。當繼電器運行時，在其中一個線圈斷電的情況下才能夠?qū)α硪粋€線圈提供12V電壓使其通電，而線圈的通電與否決定著磁保持繼電器的開關(guān)動作。

3.3 LoRa通信模塊

LoRa 是無線通訊LPWAN廣域網(wǎng)技術(shù)的其中一種，就目前國內(nèi)來看，LoRa的應用并不多。該項目采用的是深圳華普微電子有限公司生產(chǎn)的RFM98模塊，其體積小巧，成本低且集成度高，在相同應用場合與發(fā)射功率條件下，距離是普通FSK模塊的3倍以上。系統(tǒng)的網(wǎng)絡通信節(jié)點主要由中繼節(jié)點、會聚節(jié)點以及末端采集節(jié)點三部分組成，通過LoRa無線技術(shù)傳輸手段，實現(xiàn)各節(jié)點之間相互通信，并完成電能計量和數(shù)據(jù)交換;終端采集到的信息發(fā)送到會聚節(jié)點，然后通過網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)椒掌魃?。中繼節(jié)點的作用是當受到信號干擾等故障時能夠保證其他節(jié)點之間持續(xù)穩(wěn)定通信。

LoRa集成了數(shù)字化擴頻技術(shù)、數(shù)據(jù)分析處理功能和校正前端編碼功能等[5]。其中，校正前端編碼是指在電表信息發(fā)送之前會添加部分多余或者重復的信息，除了能夠提高系統(tǒng)的可靠性之外，還可以在信息發(fā)送過程中及時地修正外來的錯誤代碼。過去比較常用的方式是工作中還需要添加一個數(shù)據(jù)包，使其能夠完成自動修正錯誤代碼的功能。這種方法不僅操作繁瑣，還有可能因途徑繁多冗雜甚至出現(xiàn)更多的代碼錯誤。而矯正前端編碼技術(shù)則是將所添加的數(shù)據(jù)包存放在擴頻器中，能夠有效地避免工作狀態(tài)下錯誤代碼的產(chǎn)生。

4? 系統(tǒng)軟件方案設計

軟件系統(tǒng)的開發(fā)流程主要包括：創(chuàng)建工程編寫主控制程序;專用計量驅(qū)動程序;回路控制程序;LoRa驅(qū)動、收發(fā)程序;諧波處理功能程序。其中，LoRa驅(qū)動程序設計中包含SPI初始化，RFM98參數(shù)初始化、設置接收頻率、無線接收代碼、無線發(fā)射代碼等。

系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

針對系統(tǒng)工作中出現(xiàn)的諧波，應先確定測試芯片是否實現(xiàn)了ADC功能，然后把一系列的數(shù)據(jù)位流發(fā)送到MCU。所以此時的MCU輸入端會接受到一系列的位流，而MCU輸出端基本由兩個部分組成：其中一部分是輸出信號脈沖，用來測量能量的精準程度;另一部分是串口端輸出，用來輸出通過計算求出或諧波處理得到的數(shù)據(jù)。MCU內(nèi)部能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能：把輸入端采集到的一系列數(shù)據(jù)位流轉(zhuǎn)化成其內(nèi)部能夠計算的數(shù)字信號;對這些數(shù)字信號進行相應的處理，從而得到系統(tǒng)能夠計算和分析的數(shù)據(jù);將這些數(shù)據(jù)進行分析和公式運算求出平均值;利用已知的參數(shù)運算得到相應的能量數(shù)據(jù);通過輸出端口輸出能量脈沖信號;將諧波分析需要的電能參數(shù)進行采集和插值計算;將計算求出的電能數(shù)據(jù)作窗函數(shù)處理;通過FFT算法將窗函數(shù)處理后的信號變換成具體的信號值。

諧波分析功能程序設計具體分為兩部分：循環(huán)體程序設計和DMA中斷。循環(huán)體程序設計中，ADC電路的輸入端接收的是通過MCU采集得到的數(shù)據(jù)，且這些電能數(shù)據(jù)每達到1000個會處理一次，ADC電路會把處理得到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號然后發(fā)送給SRAM，最后，再通過MCU轉(zhuǎn)化得到系統(tǒng)能夠進行分析計算的數(shù)據(jù)。經(jīng)上述步驟并進行運算后能夠求出數(shù)據(jù)處理的周期頻率是2KHz，即每秒鐘數(shù)據(jù)能夠刷新兩千次。再設計主程序循環(huán)時，每處理完一次數(shù)據(jù)會給出一個標記信號，主程序只有在收到該信號時才會繼續(xù)下一步動作，否則將不予執(zhí)行?？偟膩碚f，循環(huán)體程序設計的關(guān)鍵在于能否有效地解決數(shù)據(jù)分析與中斷兩者之間的關(guān)系，MCU當處于工作狀態(tài)時，軟件設計的邏輯關(guān)系必須明確合理，否則很有可能出現(xiàn)程序死循環(huán)或者先后順序紊亂等突發(fā)狀況。在進行中斷部分設計的過程中利用DMA功能，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的連續(xù)性。首先要明確系統(tǒng)此時已經(jīng)具備的中斷條件，然后再有序地完成接下來的指令。系統(tǒng)中設置的DMA內(nèi)存空間是500個字節(jié)，當DMA中存儲的字節(jié)達到一半時會執(zhí)行此中斷程序。每刷新一次數(shù)據(jù)會執(zhí)行一次中斷程序，通過運行中斷程序，能夠?qū)⑤斎氲紸DC中的電能信號進行轉(zhuǎn)換，然后將數(shù)字信號進行采集存儲。由于STM32內(nèi)部具備的DMA功能，能夠把數(shù)據(jù)通過USART、SPI等直接發(fā)送給SRAM，不需要以往的由內(nèi)存再到數(shù)據(jù)總線來調(diào)用數(shù)據(jù)，能夠很好地節(jié)省了內(nèi)存空間，同時還有效地縮短了工作時間。

5? 實驗結(jié)果分析

系統(tǒng)最后采用PM3000A電力分析儀來分析該系統(tǒng)的準確性。PM3000A是一臺具有500kHz的高品寬諧波分析儀，通過按鍵控制內(nèi)部的低通濾波器通斷來針對低頻或高頻的不同應用場合。利用PM3000A分析得到的諧波信號值就可認為是電網(wǎng)中用于分析諧波的標準值，所以該系統(tǒng)諧波分析的誤差可以通過對比系統(tǒng)中經(jīng)FFT算法得到的數(shù)值和標準值計算得出，從而判斷能否符合國家標準。

根據(jù)上述實驗方案，對系統(tǒng)進行了實驗，實驗所得數(shù)據(jù)如表1所示。

其中，1為電力分析儀測量數(shù)據(jù)，2為系統(tǒng)硬件測量數(shù)據(jù)。諧波值是相對于基波的百分比值。

依據(jù)實驗所得數(shù)據(jù)能夠看出，系統(tǒng)誤差符合國家標準，證明了此設計方案的可行性。

6? 總結(jié)

文章采用LoRa無線模塊進行組網(wǎng)，有效地改善了目前應用到智能電表系統(tǒng)的無線技術(shù)所存在的通信距離有限、易受外界影響等問題，并確立了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設計方案。對硬件系統(tǒng)采取模塊化設計，并建立和編寫了底層驅(qū)動程序和應用程序，然后結(jié)合硬件平臺聯(lián)調(diào)，通過諧波測量實驗，收集數(shù)據(jù)，分析諧波與電表計量精度的關(guān)系，驗證了本課題采取的FFT加窗插值算法來分析解決諧波對電能質(zhì)量影響的可行性。

參考文獻：

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