基于STM32的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀的設(shè)計(jì)與系統(tǒng)測(cè)試

衛(wèi)明學(xué)

(西山煤電(集團(tuán))有限責(zé)任公司 電力分公司, 山西 太原 030021)

隨著現(xiàn)代工業(yè)智能化的高速發(fā)展，電網(wǎng)設(shè)備和負(fù)荷呈復(fù)雜化、多樣性特點(diǎn)，電網(wǎng)電壓偏差、頻率偏差、三相電壓不平衡、電壓波動(dòng)和閃變等電能質(zhì)量問(wèn)題日趨嚴(yán)重。全礦井有大量非線性、沖擊性負(fù)載投入使用，嚴(yán)重影響了礦井電網(wǎng)電能質(zhì)量。礦井電網(wǎng)電能質(zhì)量的優(yōu)劣與煤機(jī)裝備的運(yùn)行效率、故障發(fā)生率以及安全生產(chǎn)息息相關(guān)。因此，結(jié)合當(dāng)前先進(jìn)控制器技術(shù)，設(shè)計(jì)滿足礦井電網(wǎng)需求的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀成為提升礦井電網(wǎng)電能質(zhì)量的重要目標(biāo)。由于傳統(tǒng)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀以單片機(jī)為核心，存在數(shù)據(jù)處理速度慢、成本高、功耗大的問(wèn)題。改進(jìn)后的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀以DSP為主控芯片，采用單線程方式實(shí)現(xiàn)，存在實(shí)時(shí)性差、噪聲干擾大的問(wèn)題[1-2]. 基于高性能的STM32控制器，設(shè)計(jì)一種簡(jiǎn)易且實(shí)時(shí)性好、抗干擾能力強(qiáng)的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀，以方便實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電壓/電流信號(hào)、諧波電壓/電流信號(hào)、電壓/電流相位角信號(hào)以及頻率信號(hào)的監(jiān)測(cè)。本文基于STM32控制器技術(shù)提出的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀設(shè)計(jì)及系統(tǒng)測(cè)試方案，重點(diǎn)對(duì)電源電路、輸入信號(hào)采樣及調(diào)理電路、STM32最小電路以及STM32軟件系統(tǒng)、上位機(jī)系統(tǒng)方案進(jìn)行闡述，通過(guò)系統(tǒng)測(cè)試驗(yàn)證上述方案的正確性和可靠性，達(dá)到對(duì)全礦井電網(wǎng)電能質(zhì)量實(shí)時(shí)、精確監(jiān)測(cè)的目的，提升礦井設(shè)備作業(yè)用電安全系數(shù)和作業(yè)效率。

1 總體方案設(shè)計(jì)

電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀總體設(shè)計(jì)方案見(jiàn)圖1，由信號(hào)輸入及調(diào)理系統(tǒng)、A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、STM32控制系統(tǒng)3部分組成。信號(hào)輸入及調(diào)理系統(tǒng)的采樣方式為交流采樣，以電壓信號(hào)為例，對(duì)高壓電網(wǎng)的電壓經(jīng)高壓電壓互感器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換為0～100 V電壓有效值，再經(jīng)低壓電壓互感器調(diào)節(jié)輸出為0～3.53 V電壓有效值，最后經(jīng)相位校正、信號(hào)濾波后輸出為0～3.53 V交流電壓。交流采樣相比于直流采樣的優(yōu)點(diǎn)是能夠真實(shí)反應(yīng)采樣信號(hào)的波形、頻率，實(shí)時(shí)性好、相位失真小。A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)是保證電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)精準(zhǔn)度的關(guān)鍵，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，需選擇采樣精度高、實(shí)時(shí)性好、通道數(shù)滿足輸入信號(hào)要求的A/D采集芯片。STM32控制系統(tǒng)主要完成對(duì)采集到的信號(hào)的計(jì)算、邏輯處理、存儲(chǔ)以及與上位機(jī)系統(tǒng)通信。上述為電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀的采集部分，上位機(jī)系統(tǒng)為監(jiān)測(cè)儀的顯示部分，與STM32控制系統(tǒng)以CAN總線通信模式完成數(shù)據(jù)交互。

圖1 總體方案設(shè)計(jì)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 電源電路

電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀所需的電壓等級(jí)為DC12 V、DC5 V以及DC3.3V. 設(shè)計(jì)的電源電路的輸入為交流12 V電源信號(hào)，通過(guò)二極管電路將其整流為DC12 V電源信號(hào)，經(jīng)LM2596 S-12穩(wěn)壓芯片處理后輸出穩(wěn)定的DC12 V電源信號(hào)[3-4]. DC5 V電源信號(hào)電路原理圖見(jiàn)圖2，輸入為DC12 V信號(hào)，經(jīng)LM2596 S-5穩(wěn)壓芯片處理后輸出DC5 V信號(hào)；DC3.3 V電源信號(hào)電路原理圖見(jiàn)圖3，輸入為DC5 V信號(hào)，經(jīng)AMS1117-3.3芯片處理后輸出DC3.3V信號(hào)。需DC12 V供電的元器件有控制器、驅(qū)動(dòng)電路；需DC5 V供電的元器件有CAN通信電路；需DC3.3V供電的元器件有STM32最小系統(tǒng)、A/D采集電路、JTAG電路等。

圖2 12 V轉(zhuǎn)5 V電路圖

圖3 5 V轉(zhuǎn)3.3 V電路圖

2.2 控制板電路

控制板電路即STM32最小系統(tǒng)，包括SD卡存儲(chǔ)單元電路、實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路、JTAG接口電路、按鍵接口電路以及CAN總線通訊電路等。選用STM32F107VCT6微控制器，主頻為72 MHz，內(nèi)置256K FLASH和64K SRAM，支持RS485、CAN等多種通訊模式，滿足電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

2.3 信號(hào)調(diào)理電路

信號(hào)調(diào)理電路分為電壓?jiǎn)卧?、電流信?hào)調(diào)理電路兩種，見(jiàn)圖4，圖5. 電壓互感器選用的型號(hào)為L(zhǎng)XYA-1，精度和線性度為1%，采樣頻率可選50 Hz或者60 Hz[5-6]. 圖4中C1與R3為電壓互感器相移補(bǔ)償電路，D1、D2為運(yùn)放輸入信號(hào)限幅保護(hù)電路。電流互感器選用的型號(hào)為L(zhǎng)XLA，線性度誤差小于0.1%，采樣頻率可選50 Hz或60 Hz. 可將電流進(jìn)行隔離變換，抑制電快速瞬變脈沖信號(hào)干擾，可將采集到的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為0～3.53 V電壓信號(hào)。圖5中的C2、R6組成電流互感器相移補(bǔ)償電路，D3、D4組成運(yùn)放輸入信號(hào)限幅保護(hù)電路。

圖4 電壓?jiǎn)卧盘?hào)調(diào)理電路圖

圖5 電流單元信號(hào)調(diào)理電路圖

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 STM32軟件設(shè)計(jì)

電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀STM32軟件設(shè)計(jì)基于Keil MDK開(kāi)發(fā)環(huán)境，采用C語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)。電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀STM32軟件設(shè)計(jì)框圖見(jiàn)圖6，接收A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的電網(wǎng)電壓/電流信號(hào)，進(jìn)行計(jì)算、邏輯分析與整理，并通過(guò)通信模塊發(fā)送將數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)系統(tǒng)。

圖6 STM32軟件設(shè)計(jì)框圖

按照電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀總體方案設(shè)計(jì)，STM32軟件系統(tǒng)分為A/D采集模塊、數(shù)據(jù)計(jì)算分析模塊以及LCD顯示模塊。

1) A/D采集模塊。A/D采集模塊AD7606與STM32之間以SPI模式傳輸電壓、電流信號(hào)數(shù)據(jù)。程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)時(shí)，時(shí)鐘信號(hào)SCLK下降沿時(shí)觸發(fā)AD7606開(kāi)始接收數(shù)據(jù)，同時(shí)設(shè)置時(shí)鐘極性CPOL=1、時(shí)鐘相位CPHA=0，采樣時(shí)間間隔為tCONV+t4+ton，其中tCONV為BUSY高電平持續(xù)時(shí)間，t4為片選信號(hào)CS的延時(shí)時(shí)間，ton為SPI讀取時(shí)間。AD7606采集一次數(shù)據(jù)需連續(xù)循環(huán)讀取16次，將高8位存儲(chǔ)至內(nèi)存高字節(jié)，低8位存儲(chǔ)至內(nèi)存低8位。

2) 數(shù)據(jù)計(jì)算分析模塊。STM32控制器內(nèi)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)采用改進(jìn)閾值函數(shù)的雙樹(shù)復(fù)小波變換[7-9](ITF-DTCWT, improved threshold function dual-tree complex wavelet transform)相融合的改進(jìn)算法進(jìn)行分析、計(jì)算，減少信號(hào)失真，保證信號(hào)的平移不變性。

3) LCD顯示模塊。外接3.2英寸TFT LCD顯示屏觀察電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀的運(yùn)行狀態(tài)，包括系統(tǒng)時(shí)鐘、系統(tǒng)自檢以及A/D采集到的所有數(shù)據(jù)信息等。

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀的上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)基于visual studio 2017開(kāi)發(fā)環(huán)境，采用C++語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)。電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)有開(kāi)機(jī)登錄界面、波形/參數(shù)顯示與存儲(chǔ)界面、降噪顯示界面以及故障界面等，其中圖7所示為接收STM32控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)后進(jìn)行波形/參數(shù)顯示與存儲(chǔ)界面的數(shù)據(jù)處理流程，可顯示電網(wǎng)電能質(zhì)量基本參數(shù)、穩(wěn)態(tài)指標(biāo)以及暫態(tài)指標(biāo)，并完成數(shù)據(jù)記錄功能。

圖7 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)框圖

4 系統(tǒng)測(cè)試與分析

4.1 測(cè)試環(huán)境

在實(shí)驗(yàn)室完成電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀的測(cè)試，驗(yàn)證方案的正確性以及各監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是否符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。選用繼電保護(hù)測(cè)試儀輸出三路電壓、三路電流信號(hào)；選用Rigol-DS1102E示波器對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)；選用FUSS-4PQNA690-3000電能質(zhì)量分析儀為參考標(biāo)準(zhǔn)，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀的正確性。

4.2 硬件測(cè)試

驗(yàn)證設(shè)計(jì)的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀對(duì)三相電壓、三相電流信號(hào)的采集以及調(diào)理功能。該電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀可接收的輸入三相電壓信號(hào)為0～250 V，三相電流信號(hào)為0～5 A. 電能質(zhì)量測(cè)試儀的信號(hào)輸入源為繼電保護(hù)測(cè)試儀，輸出端與示波器連接，并查看電壓、電流信號(hào)輸出波形。經(jīng)示波器顯示并觀察發(fā)現(xiàn)，三相電壓、三相電流輸入信號(hào)經(jīng)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀后的輸出信號(hào)為0～3.53 V的電壓信號(hào)，滿足設(shè)計(jì)要求。

4.3 軟件測(cè)試

驗(yàn)證設(shè)計(jì)的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀對(duì)電壓、電流有效值測(cè)試，諧波測(cè)試，相位測(cè)試的準(zhǔn)確度和精度。以繼電保護(hù)測(cè)試儀信號(hào)為模擬電網(wǎng)信號(hào)，以FUSS-4PQNA690-3000電能質(zhì)量分析儀為標(biāo)準(zhǔn)，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀軟件的正確性和準(zhǔn)確度。

1) 電壓/電流有效值測(cè)試。

電壓、電流有效值測(cè)試結(jié)果分析數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，可以看出電壓有效值測(cè)量相對(duì)誤差小于0.2，電流有效值測(cè)量相對(duì)誤差小于0.5.

表1 電壓、電流有效值測(cè)試結(jié)果分析表

2) 電壓諧波測(cè)試。

電壓諧波測(cè)試結(jié)果分析數(shù)據(jù)見(jiàn)表2，可以看出當(dāng)諧波分量幅值越小，相對(duì)誤差越??；諧波分量幅值越大，相對(duì)誤差越大。對(duì)于三相三線制、三相四線制系統(tǒng)，電壓諧波主要為3、5、7次諧波，其他諧波含量較小。

表2 電壓諧波測(cè)試結(jié)果分析表

3) 相位測(cè)試。

電壓、電流相位角測(cè)試結(jié)構(gòu)分析數(shù)據(jù)見(jiàn)表3，可以看出電壓、電流相位角相對(duì)誤差小于0.2%.

表3 相位角測(cè)試結(jié)果分析表

電能質(zhì)量參數(shù)測(cè)試總體滿足設(shè)計(jì)要求，但還存在測(cè)量誤差，可能是由于信號(hào)輸入及調(diào)理系統(tǒng)對(duì)電壓、電流信號(hào)處理時(shí)引入誤差,或信號(hào)經(jīng)A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)時(shí)引入量化誤差[10]. 下一步需對(duì)信號(hào)輸入及調(diào)理系統(tǒng)、A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)精度控制進(jìn)行優(yōu)化，并增加信號(hào)采樣點(diǎn)至1 024，提高監(jiān)測(cè)精度。

5 結(jié)束語(yǔ)

以電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀為研究對(duì)象，重點(diǎn)介紹了硬件、軟件設(shè)計(jì)思路和方法，以STM32控制器為核心，基于Keil MDK、visual studio2017開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)并完成系統(tǒng)測(cè)試：

1) 實(shí)現(xiàn)了三相三線制、三相四線制電壓/電流信號(hào)的實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)采集、調(diào)理計(jì)算和分析，并可通過(guò)上位機(jī)顯示電網(wǎng)電能的電壓、電流有效值，各次電壓諧波、相角以及頻率等。

2) 在實(shí)驗(yàn)室完成電壓/電流有效值測(cè)試、電壓諧波測(cè)試以及相位測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，該電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀滿足設(shè)計(jì)要求，性能穩(wěn)定。