基于STM32電力諧波采樣設備的設計

李芳芳等

摘要：為實現低成本檢測電力線諧波，開發基于STM32F103RBT6嵌入式微控制器的電力諧波采樣設備，使用CS5463電量采集芯片及以Zigbee傳輸參數的無線電參數檢測器，實現0.4 kV農村低壓電網的電參數采集檢測及電量計量。介紹設備的總體架構、軟硬件設計思路以及實現方案。測試結果表明：設備能夠在短時間內進行諧波采樣和分析，具有穩定性強、可擴展性強、成本低廉等優點。

關鍵詞：STM32F103RBT6；CS5463；電力諧波；Zigbee

中圖分類號：TM727 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2015）01-0051-03

目前，國家電網對電力傳輸線參數的檢測工作做得很全面，但是在0.4 kV的負荷電網中，電能質量檢測的普及程度仍然很小。從前期分析可知：國家電網的用戶量大，一般的檢測系統耗電量和成本都比較高，所以相應普及度很小。

平板智能電視、平板電腦、智能手機、全自動空調等微電子產品不斷的涌現，對電能質量的要求越來越高，負載端電能質量的檢測與優化勢在必行。為此，提出以下設計與實現方案：有效的檢測電力線諧波，并在實現功能的基礎上控制到最低的成本。低成本的電能參數檢測系統主要檢測0.4 kV網絡的電參數和計量電量，并傳輸給以Zigbee傳輸參數的無線電參數檢測器，以最低的成本實現終端電力網絡負荷統計和電能質量檢測的網絡化與智能化，方便電力公司部門提供高質量電能。

1 采樣設備的整體結構

系統由單片機控制系統、電力供應系統、分布式信號采樣與調理系統、Zigbee無線傳輸與組網系統等組成。分布式信號采集與調理系統作為系統采樣設備的前端，負責采集220 V的實時電壓和電流，并將供給電壓電流通過信號調理模塊調制到0～3 V的范圍內，供后端的AD轉換器使用。單片機控制系統控制AD轉換器的采樣頻率，并將采取數據進行FFT，通過無線傳輸與組網模塊將最終數據打包發送出去。無線傳輸模塊主要進行數據的傳輸和自組網，保證與上位機進行數據交換可靠。設備供電系統將110～240 V的交流轉換為5 V和3 V的直流電，供給其他模塊使用。系統結構如圖1所示。

2 采樣設備的設計方案

2.1 采樣與調理電路的設計

采樣電路作為前端信號輸入端，需要滿足的要求是： 1） 采樣電路能安全采樣，接入采樣點后不會對電力線路造成影響；2） 采樣電路的采樣電壓和電流能夠在調理電路中順利調理；3） 調理電路需要對采集的電壓信號進行偏置實現，將交流信號轉換為直流信號，并且調節電壓最大值不超過3.3 V。調理模塊的結構如圖2所示。經過調理的信號各電路的輸出波形如圖3所示。信號采樣電路、信號偏置電路和信號放大電路如圖4—6所示。

2.2 控制器模塊的設計

控制器的主要作用是信號采集和數據處理。由于采集設備沒有實時要求，所以采用性能比較優越的STM32F103RBT6單片機，通過自身外設DMA進行數據傳輸，將數據存到自身的SRAM里。采集數據是6400 次/s，所以自帶的SRAM有足夠的空間進行計算和暫存，運算效率高，單片機電能損耗少。硬件電路設計如圖7所示。

2.3 無線通訊模塊的設計

單片機將經過處理過的數據進行打包，通過無線的Zigbee模塊發送出去；無線通訊模塊在空閑時段處于接受模式，隨時接收上位機下達的命令。硬件電路如圖8所示。

3 采集設備軟件設計

采樣設備自動進行外部設備的初始化和對上位機的注冊，注冊成功后自動切換到命令等待狀態，等待上位機的命令。接收到上位機的查詢命令后，采集終端設備立即開啟定時器和AD轉換器進行6400 hZ的電壓取樣。存儲到SRAM中，采集500 ms的數據進行FFT計算，將計算結果和原始數據封包發送給上位機，完成一次遠程采樣分析。

4 結論

本次設計具有低功耗、環保的特性。當關閉主機軟件時，終端機可以單獨的脫機運行，在不進行大數據處理的時候，單片機處于待機狀態，只有CS5463處于持續的電能計量狀態，能耗相對很低。電路板避免使用電解電容，且每個電容的設計都在22 uf以下，符合國家防爆標準。同時電路器中鎳鉻器件很少，對環境污染少，且滑軌式的安裝形式使得安裝更加方便。采集設備與上位機通訊穩定，比專業的諧波測試儀器價格便宜，且設備簡單、可復制性非常強。通訊模式節點容量大，由Zigbee自組蜂窩式拓撲結構的網絡，通訊距離，遠功耗小，市場應用前景廣闊。

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Abstract： In order to achieve low-cost power line harmonic detection， it is necessary to develop power harmonic sampling equipment based on STM32F103RBT6 embedded microcontroller， it uses CS5463 chip power collection and radio parameters detector transferring parameters by Zigbee， to realize the acquisition and detection of electric parameters and the metering of the amount of electricity in rural 0.4Kv low-voltage grid. The article introduces general architecture of the equipment， thoughts of software and hardware design and its implementation. The test result shows that the device is capable of doing harmonic sampling and analysis in a short time， and has the advantage of strong stability， scalability and low cost.

Key words： STM32F103RBT6； CS5463； power harmonics； Zigbee