基于STM32的同步測量裝置研制

蔣淦華

摘要：隨著智能電網(wǎng)的快速布局，電力部門經(jīng)常需要在戶外對電網(wǎng)信號參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，而完成電網(wǎng)信號檢測功能主要依靠便攜式同步測量裝置，便攜式同步測量裝置能夠分布式檢測多地電網(wǎng)信號，然后將多地電網(wǎng)信號參數(shù)進(jìn)行對比，判斷相位屬性、線壓降等功能。本文提出利用GPS同步信號，采集多地電網(wǎng)信號參數(shù)，將采集到電網(wǎng)數(shù)據(jù)賦予時(shí)間信息，利用GPRS通信完成多地?cái)?shù)據(jù)交互功能。

關(guān)鍵詞：便攜式;分布式;GPS同步信號;GPRS通信技術(shù)

中圖分類號：TM761?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A?文章編號：1672-9129（2020）08-0067-01

1?系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)框，系統(tǒng)裝置為便攜式測量儀器，系統(tǒng)供電電源取自于交流電網(wǎng)信號，作用在開關(guān)電源上，轉(zhuǎn)換成直流電壓作用在各部分電路。

三相交流電壓通過電壓互感器取小電壓，通過鉗形電流互感器取小電流，然后經(jīng)過信號放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換電路輸出數(shù)字量給控制器ARM處理，換算出電網(wǎng)參數(shù)：電壓有效值、電流有效值、相位差等參數(shù)，系統(tǒng)會根據(jù)測量環(huán)境保存有一套調(diào)標(biāo)系數(shù)，進(jìn)行校準(zhǔn)，系統(tǒng)開機(jī)自動讀取調(diào)標(biāo)系數(shù)。

系統(tǒng)在GPS同步信號作用下實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，利用GPRS通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)分布式數(shù)據(jù)交互。系統(tǒng)配有觸摸屏，實(shí)時(shí)顯示多點(diǎn)電網(wǎng)信號參數(shù)。

1.1嵌入式控制器。系統(tǒng)控制器系統(tǒng)采用ST公司生產(chǎn)的32位處理器芯片STM32F407ZGT6，其支持浮點(diǎn)運(yùn)算，片上外設(shè)資源豐富，處理器最高運(yùn)行主頻為168MHz，時(shí)鐘系統(tǒng)架構(gòu)使得控制器具有低功耗功能，非常適合于電力儀器研發(fā)裝置。

1.2交流取樣電路。三相交流信號通過鉗形互感器獲取到小信號之后，需要經(jīng)過I/V電路將轉(zhuǎn)換成電壓信號。

為了提高測量精度，IV電路中采用運(yùn)放為低溫漂OPA227，電阻R3、R2采用精密電阻，運(yùn)放輸出電壓為輸入電流I與R3乘積，R2是否起作用取決于三相電流大小。

1.3信號濾波電路系統(tǒng)取樣三相交流信號數(shù)據(jù)時(shí)，也會將干擾和噪聲信號一并取樣進(jìn)入系統(tǒng)。為了提高系統(tǒng)的測量精度，因此需要通過濾波電路將干擾和噪聲信號進(jìn)行濾除。系統(tǒng)采用濾波電路為三階低通巴特沃斯低通濾波器，其特點(diǎn)：通頻帶最為平緩。

巴特沃斯低通濾波器截止頻率通過multisim仿真軟件對電路中電阻、電容參數(shù)進(jìn)行選擇。電網(wǎng)信號的工頻為50Hz，系統(tǒng)需要分析30次高次諧波信號，第30次諧波信號頻率為1.5KHz，因此系統(tǒng)截止頻率設(shè)置在5KHz左右。

1.4交流A/D采樣電路三相交流信號經(jīng)過信號取樣、濾波之后需要進(jìn)入高精度A/D轉(zhuǎn)換器，輸出數(shù)字量提供給主控器進(jìn)行處理、分析、換算出對應(yīng)的電網(wǎng)參數(shù)。

系統(tǒng)采用TI公司生產(chǎn)的高精度16位ADS8556，理論上能夠?qū)崿F(xiàn)量化誤差為1/65536≈0.0015%，該款A(yù)/D轉(zhuǎn)換器采樣速率高達(dá)630kSPS，擁6路通道，能夠?qū)崿F(xiàn)通過對三相電壓、三相電流依次采集。

1.5 GPS授時(shí)模塊。同步測量裝置能夠?qū)崿F(xiàn)分布式電網(wǎng)信息采集，主要依靠GPS提供時(shí)間信號，系統(tǒng)采用GPS模塊提供高精度秒信號作為同步信號，采集到數(shù)據(jù)也賦予了時(shí)間信息。

同步測量裝置通過遠(yuǎn)程通信傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，將時(shí)間信息一致的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理、計(jì)算、分析，能夠很好分析出同一屬性線壓降、電壓電流相位差等功能。

1.6 GPRS通信。同步測量裝置數(shù)據(jù)傳輸方式有很多種，可以分為有線傳輸和無線傳輸，因?yàn)橄到y(tǒng)涉及到戶外測量，系統(tǒng)采用無線傳輸。

無線傳輸?shù)姆绞讲捎肎PRS通信技術(shù)，GPRS網(wǎng)絡(luò)覆蓋全國，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，采集點(diǎn)分布廣泛，只需要接入一張數(shù)據(jù)流量卡即可，組網(wǎng)成功后，不受地域距離限制，能夠極大減輕電力人員工作負(fù)擔(dān)。

2?信號參數(shù)算法設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主控器通過A/D轉(zhuǎn)換器采集三相電網(wǎng)數(shù)據(jù)，如果采用同步采樣法，需要在硬件電路上增加同步信號產(chǎn)生電路，三相交流測頻電路，考慮硬件設(shè)計(jì)成本和體積，且同步采樣時(shí)，電網(wǎng)信號頻率處于一個(gè)波動范圍，采樣頻率和信號頻率很難處于同步關(guān)系，尤其是諧波干擾嚴(yán)重時(shí)，因此本次系統(tǒng)采用算法為非同步采樣法。

非同步采樣采樣數(shù)據(jù)抗干擾能力強(qiáng)，但是需要特別注意非同步采樣方法帶來柵欄效應(yīng)和頻譜泄露現(xiàn)象。本次系統(tǒng)采用高精度GPS秒脈沖作為同步信號，采集三相交流數(shù)字量通過4項(xiàng)5階Nuttal加窗插值算法會極大提高數(shù)據(jù)精度。

為了減小非同步采樣法的頻譜泄露帶來的影響，再對采集到數(shù)字量數(shù)據(jù)處理時(shí)，需要選擇合適窗函數(shù)，然后再利用過插值算法對FFT結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償。

基于4項(xiàng)5階Nuttal窗旁瓣峰值為-61dB，衰減速度為42dB，對抑制頻譜泄露作用非常明顯，加窗處理后的數(shù)字量進(jìn)行FFT運(yùn)算，通過選擇插值算法減小柵欄效應(yīng)帶來影響。

加4項(xiàng)5階Nuttall窗系數(shù)處理后數(shù)字量，需要對FFT數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行插值運(yùn)算，減小柵欄效應(yīng)帶來影響。

通過對FFT運(yùn)算后得到一組數(shù)據(jù)X[N]，從中找出最大值、次大值以及它們所在的序號。

假設(shè)k1為最大值序號，k2為次大值序號，設(shè)β=|X[k2]|/ |X[k1]|，代入4項(xiàng)5階Nuttal窗函數(shù)中，得到，進(jìn)而得到信號的幅度、頻率、相位。

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