一種新型智能雙向電力計量實驗裝置

劉復玉 陳 璨 李 林 卜艷菊

(1.中國石油大學(華東)信息與控制工程學院,山東 青島 266580；2.遼河油田茨榆坨采油廠采油管理科,遼寧 盤錦 124000)

隨著科技的發展，太陽能電池和電力電子技術不斷進步，太陽能光伏發電得到了長足的發展并已成為新能源利用的主流之一。在我國西部，太陽能和風能資源豐富，同時由于西部人口密度小，居住分散，太陽能光伏發電和風能發電是既廉價又清潔的居民用電選擇。但是太陽能和風能因為時間和季節的不同，產生的電力差異很大，比如在冬季，太陽能產生的電力無法滿足人們的需要，需要額外通過大電網提供電力；而在夏季，風能和太陽能產生的電力遠超出了本地用量，可利用并網發電技術將多余電能隨時回送大電網[1～3]。高峰時向電網輸出電能，低谷時從電網獲得電能，即用戶既是外電網的電力消費者又是電力的“生產者”，如此便涉及電能的雙向計量(計算從大電網獲得的電能和反饋到大電網的電能)。

據筆者調查，目前國內電能計量大部分以單向為主，雙向計量的比較少且功能單一，為此筆者設計并實現了一種電能雙向計量實驗裝置，該裝置不但能雙向計量電能，而且可以通過采集電源相應的性能參數反饋給光伏逆變器和控制器，以提高光伏發電效率和電源質量。

智能雙向電力計量裝置結構框圖如圖1所示。該實驗裝置不但能單獨計量并顯示從大電網獲得的電能和反饋到大電網的電能，還能夠計量電網的電壓有效值和市電頻率、監測連接于該計量裝置的負載工作電流有效值和有功功率值、計算并顯示連接于該裝置的負載功率因數和用電時間。通過把這些參數反饋給光伏逆變器和控制器，進一步提高輸電效率和輸電質量[4～6]。

圖1 智能雙向電力計量裝置結構框圖

1.1 核心處理器方案選擇

STM32F407ZGT6單片機是32位ARM微控制器，具有高達72MHz的工作頻率，在72MHz工作頻率下電流低至36mA，符合低功耗設計要求。STM32F407ZGT6的庫函數中有FFT算法相關的函數，可以極大地降低程序設計的難度和程序運行時間，而且還擁有多個可同時啟動的內部A/D，可同時采集雙路信號，且更加精確[5,7]。基于以上原因，故選用STM32F407ZGT6單片機作為主控芯片。

1.2 LCD顯示屏選擇

綜合考慮程序設計、功耗和數據顯示，本設計選用OLED1286顯示屏。OLED1286 LED點陣屏帶有字庫，顯示信息豐富，無背光，功耗較LCD12864低，可以使用串口連接，節省單片機I/O口資源。

1.3 電壓電流信號采集和調理電路

實驗裝置電路采用SCT254AK與SPT204A互感器將被測電力系統的高電壓、大電流變換為低電壓、小電流并輸入到微控制器ADC通道[6,8]。通過調整圖2中的反饋電阻R7和R8可得到所需電壓，利用電容C26和可調電阻R6補償相移，采用400～1 000pF的小電容C27防振和濾波，運用小于400pF的C30抗干擾。

圖2 電壓信號采集電路

需將電流輸出信號變換成電壓信號時，使用SCT254AK，通過調整圖3中的反饋電阻R15和R16得到所需輸出電壓。添加電容C33和可調電阻R14來補償相移，電容C34(400～1 000pF)用來防振和濾波，C37起抗干擾作用，其數值不大于400pF。

圖3 電流信號采集電路

使用高精度穩定性好的OP07運算放大器作為信號放大、偏置和電壓跟隨器件，通過兩個反接的二極管保護運算放大器。此電路將微控制器與電力高壓設備在電氣方面很好地進行了隔離，從而保證二次設備和人身安全[9]。

1.4 過載報警和過流保護電路

利用電流互感器監視負載電流。負載電流在通過互感器初級時，把電流的變化耦合到次級，通過ADC信號采樣，測得電流，然后微控制系統I/O口輸出信號控制常閉繼電器斷開進行過流保護；利用微控制器控制蜂鳴器與LED閃爍實現超載報警功能(圖4)[10]。

圖4 過載報警和過流保護電路

1.5 低功耗設計

裝置從軟件與硬件分別進行低功耗設計。軟件低功耗主要通過控制系統實現，為減少處理器工作時間，電路設計SLEEP模式和STOP模式，當控制系統在一定時間內沒有信號被采集時則關閉控制系統和外設。硬件低功耗主要使用低功耗元器件和合理配置器件實現的[11]，液晶屏采用無背光0.96寸OLED顯示模塊，電路搭建過程中減少使用分立元件，使用小功率極性反轉電源轉換器ICL7660芯片、正向低壓降穩壓器AMS1117X芯片和三端可調分流基準源TL431生成所需電壓，以降低電路功耗。

2 理論分析與計算

220V交流電經過互感器，可以將高電壓按比例關系降壓，然后經過穩壓、運放電路使電壓穩定為±1.5V的正弦信號，通過信號的正負得到電源的輸出方向。接著信號經過電壓跟隨器，使電壓偏置，得到0～3V的正弦信號，如此信號便可以連入單片機進行A/D采集。A/D采集到電壓、電流信號后通過FFT算法得到復頻域值，然后通過幅值比較，在采集點中確定最大幅值，并根據最大幅值確定頻率，然后求得相位，從而可以得到電壓、電流的相位差和功率因數，再將求得的電壓、電流有效值、有功功率和電能消耗值輸出并在液晶上顯示[9,10,12]。

FFT技術是數字信號處理的一個強有力工具，它可以將信號變換到頻域。FFT的原理是通過許多小的更加容易進行的變換去實現大規模的變換，降低了運算要求，提高了運算速度。在實際控制系統中得到的是連續信號x(t)的離散采樣值x(nT)，因此就需要利用離散信號x(nT)來計算信號x(t)的頻譜。本設計中，FFT主要通過STM32F407調用內部函數實現對信號的頻域分析[13,14]。利用FFT對離散信號進行壓縮的步驟如下：

a. 通過A/D采樣將信號離散化；

b. 對離散化信號進行傅立葉變換；

c. 對變換后的系數進行運算處理；

d. 使用微控制器對參數進行計算顯示。

3 程序設計

程序主要實現的功能：接收用戶按鍵信息，用來調節負載最大門限值；輸出控制報警裝置工作與否；當測量值超出安全范圍時，控制保護電路斷開電路與市電的連接；接收A/D轉換后的數字信號，采用STM32F407ZGT6中的FFT函數庫對信號參數進行分析運算，利用FFT計算電壓、電流信號相位差、電壓有效值和負載電流值，得到有功功率和有功功率因數，并計算其他相關數據[12,13,15]；同時利用定時器記錄用電時間，用LCD實現各參數的顯示。程序設計流程如圖5所示。

圖5 程序流程

4 系統測試

4.1 測試儀器

系統測試使用的儀器有數字存儲示波器GDS-2102、數字合成函數信號發生器SU3050、數字多用表TH1951、便攜式萬用表VC890C+、功率因數表XL50PF及單相電能測試儀LCT-CX102等。

4.2 測試方案

在不加負載的情況下，利用交流電壓表和頻率表測交流電壓有效值和頻率。然后接負載電路，利用交流電流表和有功功率表測量負載電流和有功功率，并用功率因數表測量功率因數，再根據時間測出電能消耗[11,14,15]。

測試方法：連接電路，通過100VA隔離變壓器接入市電，調整負載電阻使電流有效值處于0.5～1.5A之間；經STM32調控讀出功率、功率因數、電流電壓有效值、頻率和電能功耗作為測量值，調節最大門限，測試保護電路和報警電路功能；將單相電能測試儀接在帶負載的隔離變壓器輸出端，讀出電壓、電流、頻率、功率和功率因數作為實際值。

測試數據見表1。

表1 測試數據

從測試數據與系統運行情況來看，電壓、電流、有功功率、電能和功率因數的誤差都控制在0.80%內，表明該實驗裝置誤差小、運行穩定可靠，整個硬件采集電路和單片機MSP430G2553具有較強的穩定性和抗干擾能力。

5 結束語

筆者設計的智能雙向電力計量裝置采用ARM微控制器STM32F407ZGT6作為主控核心，以互感器與微控制器內部12位ADC組合為采樣模塊，采用微控制器內部FFT運算函數庫作為數據處理方法。該裝置不但能雙向計量電能，而且可以采集電源相應的性能參數，通過反饋給光伏逆變器和控制器提高光伏發電效率和電源質量。整個系統圍繞低功耗與高精度設計，結構設計合理，減少使用分立元件，同時優化程序，保證了該裝置低功耗、高精度、性能良好。經實地測試，該裝置能夠較好地滿足現場實際需要，具有良好的推廣和使用價值。

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