基于STM32的電網諧波檢測儀的研究

摘要：電力系統在運行過程中，會產生很多諧波，嚴重影響到電能的質量，為了方便實時監測諧波以及加強諧波管理，諧波檢測儀就顯得尤為重要。以傳統單片機設計的諧波檢測儀的電參數測量方法精度不夠高，越來越難以滿足目前電網檢測的需要，而以DSP設計的檢測儀成本高、難推廣。針對這種現狀，設計了一種多功能、低成本、高精度的電網諧波檢測儀，它是基于最新Cortex—M3內核的STM32，并結合了三相多功能高精度計量芯片ADE7878，具有很強的實時性、精確度，為電力系統諧波的檢測和抑制提供了重要的依據。

關鍵詞：電力系統；諧波檢測；STM32；ADE7878

中圖分類號：TN911—34文獻標識碼：A文章編號：1004—373X（2012）18—0171—03

引言

在目前的電力系統運行過程中，隨著電力電子器件與非線性元件的大量使用，諧波污染日益嚴重，諧波含量基本上都超過了國家標準規定的5%上限。諧波對電力系統的安全、經濟運行造成了很大的危害，嚴重威脅到我國的電能質量。目前開展的電能質量綜合治理工程，基本上都是圍繞著如何降低諧波含量和補償無功這一中心任務來開展的。諧波的檢測和分析能為電力系統諧波的治理提供合理的依據，為保證電力系統的安全、經濟運行具有非常重要的意義[1]。

目前，電網中諧波的測量基本是采用電能質量分析儀進行測量，但有一個很明顯的問題是：其價格太高，一次性投資太大。一般情況下，單相電能質量分析儀的價格在3萬元左右，三相電能質量分析的價格甚至超過6萬元。所以，如果能運用簡便、投入小的手段對電網諧波進行有效的測量，國家電網質量將會明顯提高。文獻[2—3]采用了傳統的8位、16位單片機+通用DSP+外擴A/D轉換器的電參數測量方法，存在精度不高，處理能力不強，數據不穩定的問題，而且設計相當復雜，大部分方案并不能夠完整反映或同時反映各種三相配置下有功、無功和視在電能。而基于DSP芯片的方案成本較高，不易推廣。

所以，是針對目前的現狀，設計了一款簡單可靠、精度高而且成本低廉的諧波檢測儀，并且能檢測出各種三相配置下有功、無功和視在電能，功能齊全，方便用戶，并有很大的市場前景。

1系統總體方案設計

系統描述的是一種實用型的電網諧波測量儀的設計與實現，文獻[4—10]提供的方案都是比較傳統，且只能實現簡單功能，而該系統采用STM32+ADE7878的設計方案，能夠分析2～31次諧波，求取電壓電流各次諧波幅值、相角、電壓電流諧波總畸變率，各次諧波分量，電壓電流有效值，各項功率因素等主要參數，并分屏顯示在液晶屏上。

系統以STM32單片機為控制核心，完成諧波分析、外圍芯片控制、鍵盤輸入和顯示工作，STM32系列32b閃存微控制器使用來自于ARM公司具有突破性的Cortex—M3內核，工作頻率為72MHz，內置高速存儲器，豐富的增強I/O端口和連接到兩條APB總線的外設。包含2個12b的ADC、3個通用16b定時器和一個PWM定時器，還有標準和先進的通信接口：多達2個I2C和SPI、3個USART、1個USB和1個CAN，其工作電壓為3.3V。該內核是專門設計于滿足集高性能、低功耗、實時應用、具有競爭性價格于一體的嵌入式領域的要求。

采用ADI最新的電測專用芯片ADE7878，內置二階Σ—Δ型ADC、數字積分器、基準電壓源電路以及所有必需的信號處理電路，可執行電流/電壓有效值測量、總（基波和諧波）有功功率、無功功率和視在功率測量，基波有功功率和無功功率測量，同時提供有功和無功（基波+諧波）總能量，基波有功和無功能量，諧波能量可通過簡單減法運算獲得。一個固定功能數字信號處理器（DSP）負責執行這種信號處理[5—6]。

諧波測量儀具有數據測量及分析功能、參數設定功能、數據顯示功能、通信傳輸功能、數據存儲功能等功能，總體方案如圖1所示。設計中采用I2C+HSDC的模式，ADE7878采樣到電壓和電流數據后分為兩路傳輸到STM32中進行處理，一路是ADE7878通過I2C接口與STM32通信，用于ADE7878的初始化和工作時獲取電壓、電流、功率、電能等相關計量信息；另一路通過高速HSDC接口與STM32通信，用于獲取電壓電流的實時波形信息，做出相應的諧波分析。液晶顯示部分就是用于顯示這些實時諧波數據以及諧波分析結果。鍵盤部分由5個按鍵組成，可完成參數設置、翻頁、菜單、確定等功能。