基于STM32的電力諧波測試儀的設計

任麗棉

（唐山學院 信息工程系，河北 唐山063000）

0 引言

電能已經成為現代社會中不可缺少的重要能源，但是，隨著科技的發展，大量的非線性電力電子設備被廣泛應用于現代電力系統中，使電網中的電壓電流波形產生畸變并伴隨著各種干擾。因此電網諧波對電力系統安全、穩定、經濟運行構成了潛在威脅，給周圍電氣環境也帶來了極大的影響［1］。電網諧波的抑制以諧波檢測和分析為前提。準確、快速地檢測系統中的諧波成分，可以鑒定電力系統及諧波源用戶的實際諧波水平是否符合標準的規定。在電力設備調試、投運時進行諧波測量，可以確保設備投運后電力系統和設備的安全及經濟運行，因此諧波檢測的意義重大。本文基于FFT和相位差校正法設計一種較高精度的電力諧波測試儀，硬件設計采用目前在電力系統中比較流行的基于Cortex－M3內核的STM32芯片為主要處理器，結合電流互感器、A／D采樣電路、液晶顯示屏等構成。

1 電力諧波測試儀的硬件結構

本文中電力諧波測試儀的硬件設計由以下幾部分構成：STM32處理器、電流互感器、A／D采樣電路、LCD液晶顯示屏等，其中STM32處理器內部包含電源、儲存器、復位和時鐘電路。系統的總體設計思路是首先將高電壓的電力信號經電流互感器轉換成低電壓信號，然后經A／D采樣電路，將這些數據傳輸到STM32上進行數據處理，經諧波參數測試得到的各次諧波的幅值和頻率顯示在液晶顯示屏上。硬件設計總體框圖如圖1所示。

圖1 硬件設計總體框圖

1.1 互感器處理電路

本設計最終要測量的是電網中的電信號，而電網中的電信號是電壓有效值為220V的高電壓信號，該信號在進入采樣電路之前，需經過互感器處理電路轉變為低電壓信號，而且波形保持不變。本設計采用的是1∶1的電流互感器，它的一端串聯一個330kΩ電阻，產生一個小電流，然后另一側感應出一個小電流，并且并聯一個500Ω的電阻，產生一個小電壓，這就實現了高電壓向低電壓的轉換，但是這時的信號仍不能接在采樣電路上，它還需要與一直流小信號相加，將整個波形都上移到x軸的上側，使電壓值在0～3.3V之內。電網電信號轉換為低電壓信號框圖結構如圖2所示。

圖2 電網電信號轉換為低電壓信號框圖

1.2 數據采樣處理部分

經電流互感器處理后的低電壓信號為模擬信號，需經過A／D轉換電路變換成數字信號后，方能進入控制器進行相應的運算。對輸入信號采樣時，采樣頻率應滿足奈奎斯特采樣定理，一般來說，采樣頻率越高，得到的離散信號就越好，然后把得到的離散信號量化，將十進制的信號轉換成二進制的信號。STM32F103ZET6處理器中的ADC為12位，內部參考電壓為3.3V。

核心控制處理芯片STM32F103ZET6是一款基于Cortex－M3內 核 的 處 理 芯 片，封 裝 為 LQFP－144。 速 度 為90MIPS，運行速度快，能快速地處理數據，閃存為512K，SRAM為64K，容量大、方便儲存大量數據，有2個12位的ADC，能夠更好地采集數據，具有體積小、功能強大和性能穩定等優點。其包含CAN，12C，SPI和USB等通信外圍接口，也便于以后系統的擴展。

2 電力諧波測試儀的軟件實現

軟件系統主要有五大模塊。分別為系統初始化模塊，ADC（包括AD采樣和數據處理）模塊，FFT和相位差校正模塊，結果計算模塊以及液晶顯示模塊。軟件設計的整體程序框圖如圖3所示。

圖3 軟件程序框圖

軟件處理中，利用FFT進行信號頻譜分析，并利用相位差校正法對所測參數作進一步的校正。相位差校正法一般有三種［2，3］：第一種做法是采連續兩段長為N的樣本并分別進行FFT，利用對應譜線的相位差值校正出譜峰處的準確頻率和相位；第二種做法是只采樣一段時域信號，對這段序列分別進行N點和N／2點的FFT，利用其相位差校正出峰值譜的準確頻率和相位；第三種做法是先將原時域序列前N／2點平移N／4點，再將前、后的N／4點置零形成一新序列，分別對原序列和新序列進行FFT分析，利用對應峰值譜線的相位差進行頻譜校正，這些相位差校正方法各有特點，可應用在不同的工程實際中。經實驗發現，后兩種相位差法的頻率校正精度遠不如第一種方法［4］，而且第一種方法的實時性并不比其他兩種差，因此本設計采用傳統的第一種校正法。其校正流程如圖4所示。

圖4 第一類相位差法的頻率校正流程

3 仿真、實測驗證與結果分析

表1 實測結果與理論結果對比表

從表1可以看出，前10次諧波（包括直流成分）的誤差均在1%左右，表明此系統誤差非常小。系統的準確性驗證后，就要測電網中的電信號。電網電信號經過互感器處理電路接入到設計所用開發板上，液晶顯示屏上能夠正常顯示出各次諧波的參數值。因為諧波產生的原因及其特點，決定了諧波并不是一成不變的，它是隨時隨地變化的，測試的地點不同，結果就不同，唯一大致不變的是基波成分，其電壓幅值為311 V，而測量的結果與這個值大致相等，并且諧波成分都非常地小，證明電網中的諧波成分含量很小，這也很符合實際，所以此系統測試電網中的電信號是比較準確的。

系統在測試的時候首先選用信號發生器產生的三角波信號去驗證系統的準確性和精度，同時與該實際值相比較的理論值是利用Matlab仿真測得的。由于電網中的電信號的基波頻率為50Hz，諧波頻率為50Hz的整數倍，而三角波的頻譜是由基波和很多次諧波組成，因此設計中用峰值3.3V，頻率50Hz的三角波信號來代替。信號發生器產生的三角波信號輸入到本測試儀所測結果與Matlab仿真結果按照對應諧波進行對比，如表1所示。

4 結論

針對電網諧波的檢測和分析，設計了基于STM32的電力諧波測試系統，可以較高精度檢測諧波的頻率和幅值。系統利用多通道的并行AD進行信號采集，采用頻譜分析的方法提取信號的幅值和頻率信息，并采用相位差校正法對其作進一步校正以提高精度。相位差校正法在硬件平臺上易于實現，且實施硬件結構簡單，所得結果準確性較高，有一定的參考實用價值。

［1］ 劉晨曦.電力系統諧波檢測全相位頻譜分析研究［D］.沈陽：東北大學，2012.

［2］ 丁康，羅江凱，謝明.離散頻譜時移相位差校正法［J］.應用數學和力學，2002，23（7）：729－735.

［3］ 謝明，張曉飛，丁康.頻譜分析中用于相位和頻率校正的相位差校正法［J］.振動工程學報，1999，12（4）：454－459.

［4］ 王兆華，黃翔東.數字信號全相位譜分析與濾波技術［M］.北京：電子工業出版社，2009：52－53.