一種新型網(wǎng)絡(luò)化智能諧波儀表的設(shè)計(jì)

陳衛(wèi)峰，鄧小穎，陳 磊

(揚(yáng)州大學(xué) 信息工程學(xué)院， 江蘇 揚(yáng)州 225127)

0 引言

隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各種高電壓、大容量非線性負(fù)載設(shè)備在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中得到了大量應(yīng)用，如電子調(diào)壓設(shè)備、電弧爐等[1-3]，但其在運(yùn)行時產(chǎn)生了大量的諧波電流注入電網(wǎng)，使電網(wǎng)電壓和電流波形發(fā)生畸變，對電能質(zhì)量、輸電設(shè)備和各類儀表產(chǎn)生極其不利的影響。因此，諧波檢測是解決諧波問題的首要環(huán)節(jié)，它對諧波的治理，電力系統(tǒng)的分析、測量及治理起著極其重要的作用[4-6]。

目前，市場上有一些可以用來檢測電網(wǎng)諧波含量的儀器儀表，但這些儀表價格比較昂貴，智能化程度不夠高。因此，為了滿足工業(yè)諧波測量的需求，設(shè)計(jì)了一種新型網(wǎng)絡(luò)化智能諧波表。在本設(shè)計(jì)中，諧波表采用三相電能專用計(jì)量IC，實(shí)現(xiàn)電壓、電流、功率和電能等數(shù)據(jù)的測量，無需通過CPU，而通過ADC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，大大減輕了CPU的負(fù)擔(dān)。軟件上采用了成熟的RL-TCPnet協(xié)議棧，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)通信。

1 諧波表的構(gòu)成

儀表采用MCU+電能計(jì)量IC的結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)化智能諧波表的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

其中，MCU采用STM32F407VET6。該MCU是基于Cortex-M4內(nèi)核并且內(nèi)置浮點(diǎn)運(yùn)算單元，工作頻率高達(dá)168 MHz，從而可以輕松處理復(fù)雜的FFT運(yùn)算[7-8]。MCU具有極其豐富的外設(shè)(UART，SPI，I2C，ADC，DAC等)。

電能計(jì)量IC ATT7022E是一款多功能高精度三相電能專用計(jì)量芯片，適用于三相三線和三相四線應(yīng)用。ATT7022E集成了多路二階sigma-delta ADC、參考電壓電路以及所有功率、能量、有效值和功率因數(shù)等數(shù)字信號處理電路[9]，能夠測量各相以及合相的有功功率、無功功率和各種電能等，同時還能測量各相電壓、電流等。內(nèi)置容量為2 KB的ADC，提供同步采樣數(shù)據(jù)，便于分詞諧波分析，無需進(jìn)行預(yù)處理[10]。

2 硬件設(shè)計(jì)

ATT7022E作為本設(shè)計(jì)的核心，所以它的設(shè)計(jì)好壞影響著整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集精度。

ATT7022E內(nèi)部集成了7路19位A/D轉(zhuǎn)換器，其電流通道有效值在0.1～500 mV時線性誤差小于0.1%[11]；電壓通道有效值在0.2～500 mV時線性誤差小于0.1%；電壓有效值取值在0.2～0.5 V，電流取值在0.2～500 mV，電能線性誤差小于0.1%[12]。

每路ADC的交流輸入由VxP和VxN輸入，以地為中心，不需要偏置電壓。系統(tǒng)的交流電壓采樣和電流采樣如圖2所示。

圖2 交流電壓電流采樣

電壓采樣電路的原理：先把電壓轉(zhuǎn)換成電流，然后進(jìn)入電流互感器初級，從而在次級得到感生電流，再把電流轉(zhuǎn)換成電壓。圖2中的UN和UA是電網(wǎng)電壓，參數(shù)是對220 V為參考電壓而設(shè)計(jì)的。電流采樣電路的原理和電壓采樣類似，通過變比為5 A/5 mA電流互感器ZMCT203C把初級安培級大電流降至mA級小電流，然后進(jìn)行電阻取樣，送至AT7022E的采樣口。采樣電路均采用通過互感器的方式，能夠很好地把電路板和高壓電網(wǎng)進(jìn)行電氣隔離，保證了電路板的安全性，從而獲得良好的抗干擾性能[13-15]。

采樣電路中1.2 kΩ電阻和0.01 μF電容構(gòu)成了抗混疊濾波器，其低通截止頻率為：

其結(jié)構(gòu)和參數(shù)要對稱，并且采用了溫度性能較好的元器件，從而保證電表獲得良好的溫度特性。ATT7022E的外圍電路如圖3所示。

圖3 ATT7022E外圍電路

在ATT7022E外圍電路中，供電電源加了常規(guī)的10 μF鉭電容和0.1 μF瓷片電容，保證電源的穩(wěn)定和抗干擾性能。ATT7022E同時也需要提供模擬電源，為了避免數(shù)字電源的噪聲，在模擬電源和數(shù)字電源以及在模擬地和數(shù)字地之間加了0 Ω電阻。單片機(jī)和ATT7022E的接口為高速的SPI接口，為了防止SPI信號受到干擾，在SPI信號線上串聯(lián)一個10 Ω電阻，并且在信號輸入端接一個100 pF電容，形成一個低通濾波器，從而可以有效消除接收信號的高頻干擾。

STM32F407芯片內(nèi)置一個以太網(wǎng)模塊，該模塊包括帶專用DMA控制器的MAC 802.3介質(zhì)訪問控制器，支持介質(zhì)獨(dú)立接口(MII)和簡化介質(zhì)獨(dú)立接口。在本設(shè)計(jì)中，采用了低功耗的LAN8720作為外部的以太網(wǎng)PHY層芯片。LAN8720的外圍電路如圖4所示。

圖4 以太網(wǎng)電路

在以太網(wǎng)電路設(shè)計(jì)中，電源部分的設(shè)計(jì)也采用電感隔離的方式，并且加了電容實(shí)現(xiàn)濾波。采用了內(nèi)置變壓器的網(wǎng)絡(luò)接口芯片HR911105A。

3 軟件設(shè)計(jì)

基于ATT7022E的網(wǎng)絡(luò)化智能諧波表的軟件設(shè)計(jì)主要包含以下幾個模塊：系統(tǒng)初始化程序、電參數(shù)測量程序、按鍵程序、校表程序、顯示程序、以太網(wǎng)通信程序和鐵電存儲器讀寫程序等多個程序模塊。系統(tǒng)軟件流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)軟件流程

系統(tǒng)上電后，首先執(zhí)行系統(tǒng)的初始化程序，包括LCD初始化、配置以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)等；然后從FRAM中讀取存儲的校表數(shù)據(jù)，加載到校表參數(shù)寄存器中；然后從ATT7022E的有效值寄存器讀取有關(guān)相電壓、相電流等數(shù)據(jù)，并進(jìn)行換算，從而得到實(shí)際的采樣結(jié)果；把采樣結(jié)果顯示在LCD上；在主程序的循環(huán)中，檢測按鍵的狀態(tài)，如果有按鍵按下，則進(jìn)行按鍵的處理，包括操作菜單和執(zhí)行校表命令等；在主循環(huán)中，還需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)命令的判斷，如果收到網(wǎng)絡(luò)命令，還需要命令幀的解析。

本系統(tǒng)還支持Modbus通信協(xié)議。為了保證通信不丟包，Modbus協(xié)議處理放在串口中斷服務(wù)程序中。

3.1 校表程序

在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，最影響系統(tǒng)電參數(shù)精度的是校表過程。在對電表進(jìn)行校正時，需要提供標(biāo)準(zhǔn)電能表。利用標(biāo)準(zhǔn)電能表校準(zhǔn)時，有功能量脈沖輸出CF1可以直接連到標(biāo)準(zhǔn)表上，然后根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)電能表的誤差讀數(shù)對ATT7022E進(jìn)行校正，ATT7022E只需要對有功功率進(jìn)行校正即可，無功功率增益校正寄存器校正的系數(shù)和有功功率增益校正的系數(shù)相同。對于不同電量參數(shù)，校正系數(shù)的計(jì)算方法類似。下面就以相電壓參數(shù)為例說明校正系數(shù)的計(jì)算方法。

先執(zhí)行對電壓增益校正寄存器全部清零，即在Ugain=0時，標(biāo)注表上讀出實(shí)際輸入電壓有效值Ur，程序讀出測量值為DataU，可以計(jì)算出測量電壓有效值為Urms=DataU/213，由此可以計(jì)算出：

如果Ugain≥0，則：

Ugain=INT[Ugain×215]；

如果Ugain<0，則：

Ugain=INT[216+Ugain×215]。

最后，把Ugain寫入電壓增益校正寄出器，即完成對相電壓的校正。

3.2 諧波分析

ATT7022E提供了同步數(shù)據(jù)采樣的功能，便于分次諧波分析，無需進(jìn)行預(yù)處理。內(nèi)置了2 KB的ADC緩存，用來保存采集7路ADC的原始采樣結(jié)果，供程序做進(jìn)一步分析。程序上發(fā)送同步采樣命令后，ATT7022E在每個采樣周期將相應(yīng)的ADC數(shù)據(jù)保存到緩存中，直到緩存滿為止。只要不發(fā)送新的命令，緩存的數(shù)據(jù)會保持上一次的結(jié)果。

讀取的采樣數(shù)據(jù)為24位數(shù)據(jù)，其中高8位0，低16位為實(shí)際采樣的ADC數(shù)據(jù)。在緩存中存儲順序?yàn)閁a，Ub，Uc，Ia，Ib，Ic，In。

根據(jù)內(nèi)存容量，6路信號的采樣長度都取128點(diǎn)，2個周期。采樣數(shù)據(jù)被讀入STM32F407后，需對其做頻譜分析。為減小在非嚴(yán)格同步采樣的情況下，截斷所引起的頻譜泄露效應(yīng)，對信號加哈明窗后再做FFT，加窗在時域就是乘窗函數(shù)，哈明窗函數(shù)如下[16-18]：

(1)

式中，N=128。

加窗和不加窗2種情況下，Ua信號的幅度譜如圖6所示。測試信號中加入了16次諧波成分，圖6中縱坐標(biāo)為信號幅度，對基波做了歸一化處理，諧波峰為與基波比較的相對幅值。橫坐標(biāo)取64點(diǎn)作圖(對應(yīng)數(shù)字頻率0～π，模擬頻率0～1 600 Hz)，16次諧波出現(xiàn)在第32點(diǎn)附近。從圖中可看出，加窗后的頻譜諧波成分更加明顯，無諧波部分更加平滑，說明有效地抑制了頻譜泄露和高頻處的頻譜混疊。

圖6 加窗頻譜分析比較

考慮到6路信號都需要做頻譜分析，為了提高計(jì)算速度，選取同一路的電壓、電流信號為一組，即根據(jù)UaIa，UbIb和UcIc將6路信號分為3組，然后對2路實(shí)信號同時進(jìn)行FFT的算法。方法為構(gòu)造復(fù)信號x(n)=U(n)+jI(n)。若FFT[x(n)]=X(k)，則有：

(2)

式中，N=128。編程時將實(shí)部和虛部分別計(jì)算，再求取每點(diǎn)的幅度。標(biāo)準(zhǔn)臺輸入諧波下測量結(jié)果如表1所示。

表1 諧波分量測試結(jié)果

3.3 網(wǎng)絡(luò)通信

本設(shè)計(jì)中采用STM32F407內(nèi)置的以太網(wǎng)MAC控制器，外置LAN8720和網(wǎng)絡(luò)變壓器，一起構(gòu)成以太網(wǎng)通信硬件部分，軟件部分采用了集成開發(fā)環(huán)境MDK內(nèi)置的RL-TCPnet庫。此庫作為小型的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，支持HTTP、Telnet、SMTP、FTP網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層協(xié)議。占用內(nèi)存小，支持裸機(jī)和OS兩種方式。

RL-TCPnet庫是不開源的，只需要把相應(yīng)的庫文件添加至工程文件中，選擇相應(yīng)的STM32自帶的MAC驅(qū)動和PHY的驅(qū)動，即可完成庫的移植。在應(yīng)用層中，實(shí)現(xiàn)了本系統(tǒng)作為Web Server，用戶可以通過手機(jī)或者電腦瀏覽器去查詢諧波的數(shù)據(jù)[19-20]。

4 結(jié)束語

ATT7022E作為一款高性能的電能計(jì)量芯片，計(jì)量精度高，采用它可以大大減少系統(tǒng)的外圍電路，提高系統(tǒng)的集成度和穩(wěn)定性，也大大減輕了CPU的負(fù)擔(dān)。只要簡單的校表流程，就可實(shí)現(xiàn)測量數(shù)據(jù)。并且測量結(jié)果可以通過Modbus協(xié)議進(jìn)行傳輸。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，如果采用TFT觸摸液晶顯示器，將會增強(qiáng)系統(tǒng)的人機(jī)交互性能。