基于MAXQ3180電能質量監測系統的研究

范利媛　呂常智　宋紅衛　宋俊

摘 要：電能質量問題對國民經濟的發展造成的損失是非常巨大的，電能質量的監測就顯得非常重要。本文基于MAXQ3180的能質量監測系統的研制。以MAXQ3180為電力數據采集器件，以STM32為微處理器，能實時的監測電網的各項參數，并且將數據進行傳輸和保存，為電能質量控制和電力調度提供依據。

關鍵詞：電能質量 監測 MAXQ3180

中圖分類號：G64 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）02（c）-0008-04

Abstract：Loss of power quality problems caused by the development of the national economy is very great，and power quality monitoring is very important.Based on the MAXQ3180 development of quality monitoring systems.MAXQ3180-power data acquisition device，the STM32 is the microprocessor，can real-time monitoring of the parameters of the grid，and data transmission and preservation，to provide a basis for power quality control and power dispatch.

Key words：Power quality monitoring the MAXQ3180

隨著智能電網技術的不斷成熟和科學技術的發展。電力系統中的儀表儀器己經進入了智能化和自動化的時代[1]。智能化和自動化的特性不僅要求這些儀表儀器像傳統的計量表計具有計量功能，并且還要具有測量、控制、保護、通信等功能，用來反映電氣元件控制調節和運行狀態。該文通過借鑒國內外成熟的研究學術成果，研制出具有較高性能價格比的、適應中國國情的，并同時具有計量、監測、通信等功能的電能質量監測系統。設計依據電能質量檢測裝置具有多功能的檢測要求，提出了基于MAXQ3180的電能質量監測裝置的設計方案，闡述了電能質量監測系統的硬件和軟件設計，各種電能質量參數的測量以及選用的通訊方式等。本設計中的MCU（Micro Control Unit）為STM32，對MAXQ3180檢測到的電能質量經過STM32的處理后進行顯示、傳輸、儲存和分析。組成了是個十分精確、低功耗、多功能的電能質量監測系統。

1 系統結構和功能

設計以ST公司的Cortex-M3內核的STM32為主控器，能夠實現對電網參數的檢測和監測。并將數據存儲到SD卡中。通過CAN接口發送到控制主機，同時112*64液晶實時顯示當前的狀態。如果系統運行正常則將正常信息存儲到SD卡中，便于以后查詢。系統采用220 V市電供電方便了工程應用。本裝置采用DSP+MCU技術，計量芯片選用MAXQ3180，MCU為STM32的整體設計方案，MAXQ3180除了含有AFE以外還有集成DSP精密脈沖發生器以及SPI接口，實現的功能如圖1所示，硬件設計框圖如圖2所示。

2 硬件設計

2.1 電能質量數據收集模塊

MAXQ3180的輸入包括3個電壓通道和4個電流通道，內部還有一個通道實際上用于溫度傳感器。3個電壓通道使用電阻分壓的方式，4個電流通道（3個為ABC三相電流，1個為零線電流）采用CT輸入的方式。

本設計中采用了電阻分壓的方式來作為電壓通道測量電壓。為了器件實用的方便我們使用了540∶1的分壓比，電壓通道上并聯電容用來作為抗混疊的濾波器，如圖3所示。

電流通道設計中采用了0.05級 1.5（6）A 的電流互感器[2]，在實際使用時為了避免計量芯片內部ADC飽和而使實際值不超過這個計算值，當然如圖所示由于電流輸入通道上并聯了肖特二極管。二極管有保護的作用所以在一定程度上過載不會對檢測芯片產生毀滅性的后果。為了防止混疊現象電流輸入通道上也有用于抗混疊的濾波器。電流通道如圖4所示。

2.2 微處理器模塊

本設計中采用的MCU為STM32處理器，它具有3級流水線哈弗結構，3.3 V供電，Cortex-M3內核，最高工作頻率為72 MHz，處理能力為1.25DMips/MHz，功耗為0.19 mW/MHz。軟件采用ST公司提供的函數庫，降低了開發的難度。內部集成12位高速ADC，轉換一次時間僅為1 us，內含有CAN總線控制器，這樣配合CAN收發器就可以實現CAN網絡通信，通信距離可達10 km，通信速率最高可達1 Mbps。不同的外設可以配置成不同的速率，充分發揮中央處理單元的性能。

STM32與MAXQ3180的連接

STM32與MAXQ3180的 SPI協議進行通訊連接方式如圖5所示。一般情況下為了安全問題考慮MAXQ3180需要使用光耦和MCU隔離開來[3]。MAXQ3180和MCU之間的通訊有時能達到1Mbps，本設計采用的光電藕隔離芯片為6N137光耦合器[4]，6N137是一種用于單通道的光耦合器，它的內部有一個集成檢測器和一個波長為850nm的AIGAAs LED，集成檢測器有三部分組成分別為高增益線性運放、光敏二極管和三極管（肖特基鉗位的集電極開路），有電壓、電流補償和溫度補償的功能，非常高的輸入輸出隔離，并且傳輸速度很高等優點。

2.3 通訊電路模塊

選擇一個合適的通信方式對整個配電系統是極其重要的，在本系統中，將選擇CAN總線作為這個系統的通信方式，其中，通信介質為雙絞線[5]，采用CAN2.0B協議。由于傳統饋線終端設備的通信方式大都采用RS485，所以在本系統中，附加了RS485接口，同時為了現場調試方便，又加了RS232接口作為當地通信接口。當采用分散式多點監測時我們設計了采用CAN總線的通訊方式。使用單點監測時我們設計了RS232通訊和RS485通訊，因此系統的應用非常廣泛。

2.3.1 CAN通信

典型的CAN通信電路圖如圖6所示，與STM32相連接無需電平轉換，通信速率可達1 Mbit/s，三種工作模式：等待模式、斜率控制模式、高速模式，三種工作模式可通過RS端進行調節，在高輸入阻抗時總線上可掛接120個節點。TXD、RXD分別于CAN控制器的RXD、TXD相連接。STM32CAN控制器，支持CAN2.0A、CAN2.0B，3個發送郵箱，2個3級深度的接收FIFO。可以工作在測試模式、環回模式、靜默模式等，調試時可將控制器配在環回模式，在環回模式下CAN內核忽略確認錯誤（在數據/遠程幀的確認位時刻，不檢測是否有顯性位）。在環回模式下，BXCAN在內部把TX輸出回饋到Rx輸入上，而完全忽略CANRX引腳的實際狀態。發送的報文可以在CANTX引腳上檢測到。

2.3.2 RS232通信模塊

為了方便就地調試和通訊，引入了232串口，如圖7所示，該電路采用MAX232驅動芯片，該芯片是+3.3V供電，具有兩個接收和發送通道，且功耗低、集成度比較高。

2.3.3 RS485通信模塊

傳統自動化系統的通信方式大都是RS485，為了與傳統設備兼容，在本系統中加了RS485接口，RS485采用雙工工作方式，只能有一個節點作為主機，應用RS485可以聯網成分布式系統，其允許最多并聯32臺驅動器和32臺接收器，一般為主從方式，常用波特率有19200，9600，4800，通訊距離小于1200 m[6]。

圖8是485通信電路，RE和DE為接收、發送使能，分別接STM32的IO管腳，RO為串行數據輸出，RI為串行數據輸入，在裝置末端，閉合開關SW_1時接120Ω電阻，主要目的是達到終端匹配，另外，2.5 V穩壓管起到保護MAX485芯片的作用。

3 系統軟件設計

3.1 系統軟件實現的主流程圖

主程序是一個無限的循環，首先進行各個模塊的初始化處理，然后顯示出界面，進行按鍵的掃描，當按下每一個按鍵之后，系統執行所要操作的項目進行數據的采集，然后行數據的存儲和通訊，整個流程圖如圖9所示。

3.2 電能數據采集設計

MAXQ3180的內部的DSP（數字信號處理器）可以對每一相的原始電流就行處理和電壓采樣，進行連續大量計算數據，比如有功、無功電能、功率因數、RMS電流、RMS電壓、視在功率、還有電壓和電流的基波和諧波等。

MAXQ3180對采集的電流電壓進行數字濾波、校正、計算和換算，外部主處理器通過SPI串行接口讀取各種參數和檢測結果。MAXQ3180處理所需的參數和策略等，由外部主處理器通過SPI接口進行設置。電能累加數據還可以脈沖方式輸出。測量的具體步驟如下：

首先要使能諧波測量，此時需要把AuX_cFG.bit6（ENAUX）置位用來使能輔助通道測量，同時把AUX_CFG..bit7（ENHARM）置位用來使能諧波測量。

再次要配置通道，因為MAXQ3180用于諧波計算的通道只有一個，所以在一個時刻只能測到某一次的諧波分量。因此為了獲得所有的諧波數據必須切換通道。本設計使用Aux CFG（地址為0x10）寄存器bit3—0實現通道的切換。選擇的通道波形在通過修改其中的位后可以進入數字濾波器并進行計算處理：等配置好寄存器后，所選擇的通道就會進入濾波器。

最后等待濾波器穩定后讀取數據，做好前面的工作后等到諧波峰值濾波器穩定后，就可以記錄出比較準確的諧波數據了。然后讀取數據就可以了，通過按鍵可以調整需要的諧波參數。

4 信號采集實驗數據分析

5 結語

該設計旨在提高我國電網的自動化和智能化，通過監測系統可以了解到當前的電能質量，為電網的健康運行提供技術支持，提高了電網的可靠性和安全性。該系統操作簡單方便，能采集到大部分所需要的電能質量指標。系統用的MAXQ3180和STM32都是典型的低功耗器件，非常適合來制造精密儀器特別是低功耗的電力計量器。當然，當前的電能質量監測裝置和水平離電力市場和智能電網的要求還有一定的差距。需要我們共同的努力來實現電能質量監測、分析和控制裝置的研制，為智能電網的建成貢獻自己的一份力量。

參考文獻

[1] 王晶.基于MAXQ3180多功能電表的設計及其GPRS抄表方式的研究[D].安徽合肥：合肥工業大學，2010.

[2] 美信產品介紹.如何使用MAXQ3180設計三相多功能電能表.2009.

[3] 靜恩波.智能電網AMI中的智能電表系統設計[J].電測與儀表，2010，47（7A）：36-39.

[4] Davis MW.A new thermal rating approach：the real time thermal rating system for strategic overhead conductor transmission lines，part I[J].IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems，1977，96（3）：803-809.

[5] 袁野.電能計量領域的多功能低功耗設計[J].電子技術應用，2008，33（7）：23-26.

[6] 楊翠峰.基于DSP的低壓電網電力參數監測系統的研究與設計[D]，武漢：武漢理工大學，2011.

[7] 曾滔.基于TMS320F2812的電能質量檢測系統設計[D]，福建：廈門大學，2008.

[8] 趙建.基于MODBUS的多功能電力監控儀表的研制[D].山東濟南：山東大學，2010.

2.3.1 CAN通信

典型的CAN通信電路圖如圖6所示，與STM32相連接無需電平轉換，通信速率可達1 Mbit/s，三種工作模式：等待模式、斜率控制模式、高速模式，三種工作模式可通過RS端進行調節，在高輸入阻抗時總線上可掛接120個節點。TXD、RXD分別于CAN控制器的RXD、TXD相連接。STM32CAN控制器，支持CAN2.0A、CAN2.0B，3個發送郵箱，2個3級深度的接收FIFO。可以工作在測試模式、環回模式、靜默模式等，調試時可將控制器配在環回模式，在環回模式下CAN內核忽略確認錯誤（在數據/遠程幀的確認位時刻，不檢測是否有顯性位）。在環回模式下，BXCAN在內部把TX輸出回饋到Rx輸入上，而完全忽略CANRX引腳的實際狀態。發送的報文可以在CANTX引腳上檢測到。

2.3.2 RS232通信模塊

為了方便就地調試和通訊，引入了232串口，如圖7所示，該電路采用MAX232驅動芯片，該芯片是+3.3V供電，具有兩個接收和發送通道，且功耗低、集成度比較高。

2.3.3 RS485通信模塊

傳統自動化系統的通信方式大都是RS485，為了與傳統設備兼容，在本系統中加了RS485接口，RS485采用雙工工作方式，只能有一個節點作為主機，應用RS485可以聯網成分布式系統，其允許最多并聯32臺驅動器和32臺接收器，一般為主從方式，常用波特率有19200，9600，4800，通訊距離小于1200 m[6]。

圖8是485通信電路，RE和DE為接收、發送使能，分別接STM32的IO管腳，RO為串行數據輸出，RI為串行數據輸入，在裝置末端，閉合開關SW_1時接120Ω電阻，主要目的是達到終端匹配，另外，2.5 V穩壓管起到保護MAX485芯片的作用。

3 系統軟件設計

3.1 系統軟件實現的主流程圖

主程序是一個無限的循環，首先進行各個模塊的初始化處理，然后顯示出界面，進行按鍵的掃描，當按下每一個按鍵之后，系統執行所要操作的項目進行數據的采集，然后行數據的存儲和通訊，整個流程圖如圖9所示。

3.2 電能數據采集設計

MAXQ3180的內部的DSP（數字信號處理器）可以對每一相的原始電流就行處理和電壓采樣，進行連續大量計算數據，比如有功、無功電能、功率因數、RMS電流、RMS電壓、視在功率、還有電壓和電流的基波和諧波等。

MAXQ3180對采集的電流電壓進行數字濾波、校正、計算和換算，外部主處理器通過SPI串行接口讀取各種參數和檢測結果。MAXQ3180處理所需的參數和策略等，由外部主處理器通過SPI接口進行設置。電能累加數據還可以脈沖方式輸出。測量的具體步驟如下：

首先要使能諧波測量，此時需要把AuX_cFG.bit6（ENAUX）置位用來使能輔助通道測量，同時把AUX_CFG..bit7（ENHARM）置位用來使能諧波測量。

再次要配置通道，因為MAXQ3180用于諧波計算的通道只有一個，所以在一個時刻只能測到某一次的諧波分量。因此為了獲得所有的諧波數據必須切換通道。本設計使用Aux CFG（地址為0x10）寄存器bit3—0實現通道的切換。選擇的通道波形在通過修改其中的位后可以進入數字濾波器并進行計算處理：等配置好寄存器后，所選擇的通道就會進入濾波器。

最后等待濾波器穩定后讀取數據，做好前面的工作后等到諧波峰值濾波器穩定后，就可以記錄出比較準確的諧波數據了。然后讀取數據就可以了，通過按鍵可以調整需要的諧波參數。

4 信號采集實驗數據分析

5 結語

該設計旨在提高我國電網的自動化和智能化，通過監測系統可以了解到當前的電能質量，為電網的健康運行提供技術支持，提高了電網的可靠性和安全性。該系統操作簡單方便，能采集到大部分所需要的電能質量指標。系統用的MAXQ3180和STM32都是典型的低功耗器件，非常適合來制造精密儀器特別是低功耗的電力計量器。當然，當前的電能質量監測裝置和水平離電力市場和智能電網的要求還有一定的差距。需要我們共同的努力來實現電能質量監測、分析和控制裝置的研制，為智能電網的建成貢獻自己的一份力量。

參考文獻

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[8] 趙建.基于MODBUS的多功能電力監控儀表的研制[D].山東濟南：山東大學，2010.

2.3.1 CAN通信

典型的CAN通信電路圖如圖6所示，與STM32相連接無需電平轉換，通信速率可達1 Mbit/s，三種工作模式：等待模式、斜率控制模式、高速模式，三種工作模式可通過RS端進行調節，在高輸入阻抗時總線上可掛接120個節點。TXD、RXD分別于CAN控制器的RXD、TXD相連接。STM32CAN控制器，支持CAN2.0A、CAN2.0B，3個發送郵箱，2個3級深度的接收FIFO。可以工作在測試模式、環回模式、靜默模式等，調試時可將控制器配在環回模式，在環回模式下CAN內核忽略確認錯誤（在數據/遠程幀的確認位時刻，不檢測是否有顯性位）。在環回模式下，BXCAN在內部把TX輸出回饋到Rx輸入上，而完全忽略CANRX引腳的實際狀態。發送的報文可以在CANTX引腳上檢測到。

2.3.2 RS232通信模塊

為了方便就地調試和通訊，引入了232串口，如圖7所示，該電路采用MAX232驅動芯片，該芯片是+3.3V供電，具有兩個接收和發送通道，且功耗低、集成度比較高。

2.3.3 RS485通信模塊

傳統自動化系統的通信方式大都是RS485，為了與傳統設備兼容，在本系統中加了RS485接口，RS485采用雙工工作方式，只能有一個節點作為主機，應用RS485可以聯網成分布式系統，其允許最多并聯32臺驅動器和32臺接收器，一般為主從方式，常用波特率有19200，9600，4800，通訊距離小于1200 m[6]。

圖8是485通信電路，RE和DE為接收、發送使能，分別接STM32的IO管腳，RO為串行數據輸出，RI為串行數據輸入，在裝置末端，閉合開關SW_1時接120Ω電阻，主要目的是達到終端匹配，另外，2.5 V穩壓管起到保護MAX485芯片的作用。

3 系統軟件設計

3.1 系統軟件實現的主流程圖

主程序是一個無限的循環，首先進行各個模塊的初始化處理，然后顯示出界面，進行按鍵的掃描，當按下每一個按鍵之后，系統執行所要操作的項目進行數據的采集，然后行數據的存儲和通訊，整個流程圖如圖9所示。

3.2 電能數據采集設計

MAXQ3180的內部的DSP（數字信號處理器）可以對每一相的原始電流就行處理和電壓采樣，進行連續大量計算數據，比如有功、無功電能、功率因數、RMS電流、RMS電壓、視在功率、還有電壓和電流的基波和諧波等。

MAXQ3180對采集的電流電壓進行數字濾波、校正、計算和換算，外部主處理器通過SPI串行接口讀取各種參數和檢測結果。MAXQ3180處理所需的參數和策略等，由外部主處理器通過SPI接口進行設置。電能累加數據還可以脈沖方式輸出。測量的具體步驟如下：

首先要使能諧波測量，此時需要把AuX_cFG.bit6（ENAUX）置位用來使能輔助通道測量，同時把AUX_CFG..bit7（ENHARM）置位用來使能諧波測量。

再次要配置通道，因為MAXQ3180用于諧波計算的通道只有一個，所以在一個時刻只能測到某一次的諧波分量。因此為了獲得所有的諧波數據必須切換通道。本設計使用Aux CFG（地址為0x10）寄存器bit3—0實現通道的切換。選擇的通道波形在通過修改其中的位后可以進入數字濾波器并進行計算處理：等配置好寄存器后，所選擇的通道就會進入濾波器。

最后等待濾波器穩定后讀取數據，做好前面的工作后等到諧波峰值濾波器穩定后，就可以記錄出比較準確的諧波數據了。然后讀取數據就可以了，通過按鍵可以調整需要的諧波參數。

4 信號采集實驗數據分析

5 結語

該設計旨在提高我國電網的自動化和智能化，通過監測系統可以了解到當前的電能質量，為電網的健康運行提供技術支持，提高了電網的可靠性和安全性。該系統操作簡單方便，能采集到大部分所需要的電能質量指標。系統用的MAXQ3180和STM32都是典型的低功耗器件，非常適合來制造精密儀器特別是低功耗的電力計量器。當然，當前的電能質量監測裝置和水平離電力市場和智能電網的要求還有一定的差距。需要我們共同的努力來實現電能質量監測、分析和控制裝置的研制，為智能電網的建成貢獻自己的一份力量。

參考文獻

[1] 王晶.基于MAXQ3180多功能電表的設計及其GPRS抄表方式的研究[D].安徽合肥：合肥工業大學，2010.

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[4] Davis MW.A new thermal rating approach：the real time thermal rating system for strategic overhead conductor transmission lines，part I[J].IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems，1977，96（3）：803-809.

[5] 袁野.電能計量領域的多功能低功耗設計[J].電子技術應用，2008，33（7）：23-26.

[6] 楊翠峰.基于DSP的低壓電網電力參數監測系統的研究與設計[D]，武漢：武漢理工大學，2011.

[7] 曾滔.基于TMS320F2812的電能質量檢測系統設計[D]，福建：廈門大學，2008.

[8] 趙建.基于MODBUS的多功能電力監控儀表的研制[D].山東濟南：山東大學，2010.