基于ARM的微電網諧波分析儀的研究

麻志濱 談加杰

(哈爾濱工業大學(威海)信息與電氣工程學院，山東 威海 264209)

基于ARM的微電網諧波分析儀的研究

麻志濱 談加杰

(哈爾濱工業大學(威海)信息與電氣工程學院，山東 威海 264209)

針對微電網的電能供給相較于常規電網不穩定、諧波的干擾更加嚴重的情況，設計了一種新型的基于ARM-CortexM4內核的微電網諧波分析儀。詳細闡述了微電網的發展與現狀，論述了諧波檢測對于微電網系統的必要性。介紹了微電網檢測儀的硬件部分，包括前級電壓電流轉換電路、信號調理電路、單片機處理電路和顯示電路。軟件部分介紹了基于CortexM4內核的FPU單元的快速傅里葉變換系統和FIR濾波器系統，并闡述了整個軟件系統的結構。最后分析了電網諧波檢測儀的性能。

微電網 諧波檢測 ARM-CortexM4 FFT FIR濾波

0 引言

隨著工業的發展和科學技術水平的提高，在過去的幾十年里人們對電的依賴程度愈來愈強，電能成為了人類社會生產生活中最重要的能源之一。傳統的超大規模電網系統有著顯著的缺點——運營成本高且運行難度大；20世紀世界范圍內發生的幾次大規模停電事件，嚴重影響了正常的生產生活秩序，造成了巨大的經濟損失。因此21世紀人類將更多的目光傾注于新的電網系統[1]。

微電網系統是近些年來新興的一種電網系統，它是指在常規的超大規模電網之外，建設新的小的電網系統。這些電網系統利用諸如風能、太陽能等新型能源技術，通過就近供電來緩解供電需求并提高供電的可靠性[2]。

但由于微電網的供電單元分散，且太陽能、風能等新型能源受外界環境影響較大，造成供電不穩定，進而產生電能質量下降等問題[3]。因此，為了滿足人們對電能質量與供電安全的要求，對于新型的微電網系統，一種穩定可靠的諧波分析儀是必要的。使用電網諧波分析儀來檢測電網的諧波量與電能質量，是預防和消除電網污染的前提[4]。

1 系統總體方案設計

傳統的電網諧波檢測儀主要有兩種檢測方案。一種是依托于專門的電網檢測芯片進行諧波檢測，這種方案的主要問題是造價高昂，靈活度不高，對于新型的微電網系統進行諧波檢測顯得力不從心。另一種方案是以單片機為核心，對電網信息進行采集處理分析。這種方案的主要問題是單片機的處理能力較弱，處理的信息量較少，僅僅是處理簡單的檢測尚可，一些復雜的要求很難達到[5]。

本文針對傳統的設計分析，提出了一種基于新的ARM-CortexM4內核的處理器的微電網諧波檢測技術。使用STM32F407系列的新型單片機作為主控核心進行數據的處理和分析，使用精密的前端信號調理電路對信號進行調理。同時,依托于M4內核強大的處理能力以及FPU單元來對信號進行FFT運算和數字FIR濾波，最終在7英寸(1英寸=25.4 mm)液晶顯示屏上將結果顯示出來，并通過串口將信息實時發送到單片機，系統的總體方案如圖1所示。

圖1 總體方案圖

本設計選擇的ARM-CortexM4內核的STM32F407微控制器。CortexM4內核是ARM公司在10年推出的最新的高性能低功耗的嵌入式方案。STM32F407系列微控制器是ST公司推出的應用于工業電子領域的中高端嵌入式處理核心，有著強大的性能。STM32F407是有著高達168 MHz主頻的DSC，具有192 kB內存和高達1 MB的Flash。如此高的性能使其在信號處理領域有著廣闊的應用前景。使用STM32F407的12位A/D對處理過后的信號進行采樣，使用內部的FPU單元可以快速進行傅里葉變換和FIR濾波。硬件方案如圖2所示。

圖2 硬件方案圖

2 系統硬件設計

本系統的硬件設計主要包括電源系統、信號采集系統和信號調理系統、單片機控制系統和外圍電路系統等4部分組成。

2.1 電源系統設計

由于本設計的任務是對信號做精密的采集，因此一套合理穩定的電源系統是必須的[6]。電源方案如圖3所示，本電源系統利用兩片LM2596分別將+12 V電源輸入轉換為+6.8 V與-6.8 V，利用一片LM1117與一片L7805將-6.8 V轉換為+5 V與+3.3 V，利用一片LM7905將-6.8 V轉換為-5 V。其中+5 V與-5 V對運放進行雙路電源供電，+3.3 V對單片機進行供電。

開關電源具有效率高、過電流能力強等優點，但紋波較大；與之相反，線性電源具有紋波小的優點，但有功耗大的問題，且壓差越大，其產生的熱功率損耗也就越大。因此，將開關電源和線性電源配合使用，開關電源將輸入電壓降低為一個比較低的電壓并輸出給線性電源進行第二步降壓，從而達到了既能保證紋波，又能解決功耗與散熱問題的目的。

圖3 電源方案圖

LM2596是Buck型開關降壓芯片，只要將LM2596芯片的Vout管腳接地，此時由于Vout管腳的電平不會被改變，則相對的GND管腳的電壓會下降到設定值，此時GND管腳的電壓相對于GND管腳低6.8 V，即產生了-6.8 V電壓。圖4為LM2596產生6.8 V電壓的電路圖。

圖4 LM2596電壓產生電路

2.2 信號采集與調理系統

由于市電信號電壓高、干擾大，無法直接處理檢測，因此需要由采集和調理電路來完成這個任務。系統利用霍爾型電壓電流傳感器采集市電的電壓和電流，并將采集到的信號經過調理和濾波輸入到單片機進行A/D采集。電壓轉換部分的電路圖如圖5所示。

圖5 電壓信號采集調理圖

圖5中，電壓互感器選擇的是0～1 000 V轉0～5 mA的電壓互感器，作I-U轉換即可將副邊線圈的電流信號轉換為比例縮小的電壓信號，選取R5=100 kΩ、R3=680 kΩ，可得到大約150∶1的轉換比例，也就是220V市電的Vpp大約622V，轉換過后可以在Uin處獲得Vpp4V左右的可測量信號。

由于轉換得到的Uin仍舊是一個交流信號，所以需要將其轉換為0～3.3 V的可測量電壓信號才可以輸入測量。運放U1的作用就是起到轉換的作用，同時二極管D1和電容C3可以起到濾波調理的作用。

2.3 單片機電路的設計

單片機部分將經過處理的電壓和電流信號分別輸入到STM32F407單片機的PA0和PA1口，用來進行A/D轉換。彩屏接入FSMC接口，FSMC是STM32獨有的一種總線技術，可以實現對彩屏的快速控制，加快處理速度。同時將串口接入PA2和PA3口，將按鍵接入PG1和PG2口，使用外部中斷捕獲。

3 系統軟件設計

微電網諧波檢測儀的軟件部分主要由采集程序、FIR濾波程序、FFT變換程序和顯示通信程序組成。系統使用Keil MDK 4.72作為主要編譯器。程序主要流程圖如圖6所示。

圖6 系統流程圖

3.1 FIR濾波器的設計

由于需要測得的微電網諧波的頻率大約在8 kHz以下，而8 kHz以上的諧波多是電路噪聲或是A/D轉換的噪聲，因此為了保證結果的精確性，需要對采集的結果進行濾波。FIR濾波器是一種簡單可靠的濾波器，同時借助Cortex-M4內核的DSP協處理器以及FPU協處理器，可以高速地完成浮點FIR濾波器的運算[7]。

FIR濾波器的種類有多種，需要的處理結果是將8 kHz以上的干擾去掉，且8 kHz以下的諧波信息要保存下來并且不要有失真，因此選擇窗函數法來設計FIR濾波器是一個合理的選擇。漢寧窗可以明顯地減小泄漏，性能優于矩形窗，因此最終選擇漢明窗函數來設計FIR濾波器[8]。

借助Matlab的Fdatool來設計FIR濾波器的系數。選擇截止頻率為8 kHz，FIR漢寧窗函數，同時選擇濾波器的階數為8階。濾波器的階數越高，其濾波性能越好，但其需要的運算量也越大。綜合考慮選擇8這個階數，從而平衡運算量和濾波特性，圖7為設計的FIR濾波器的幅頻特性曲線。

圖7 FIR濾波器幅頻特性

3.2 FFT轉換函數

快速傅里葉變換是微電網諧波檢測儀的最重要的操作之一，只有通過傅里葉變換將信號從時域轉換到頻域，才能夠將不同頻率的諧波分離出來，以進行分析[9]。傳統意義上快速傅里葉變換在微控制器領域需要占用大量的運算時間，尤其是浮點快速傅里葉變換和復數傅里葉變換。ARM CortexM4系列的芯片則提供了一個很好的解決方案，基于STM32F407內部的DSP和FPU提供了一套速度很快的復數快速傅里葉變換(CFFT)方法[10]。

對于FFT變換尤其重要的是選擇合適的轉換點數和采樣頻率。轉換點數和采樣頻率決定了結果的精度[11]。為了獲得最大的步進長度，選擇1 024點FFT，對于1 024點FFT，需要選擇一個合適的采樣頻率才可以獲得一個良好的精度[12]。對于FFT的結果中的某一點的頻率，由式(1)可得：

Fn=(n-1)Fs/N

(1)

式中:Fn為第n點的頻率;Fs為采樣頻率；N為總的采樣點數。頻率范圍為0～8 kHz，當n=512時，Fn≤8 kHz。因此，可得轉換頻率為10 kHz時可以達到要求，同時每一個頻率點的數字也便于處理。

4 測試結果分析

針對本檢測儀的性能和準確性做了相應的實驗，對實驗室的主供電回路上的電壓和電流作了檢測并通過諧波檢測儀進行分析，同時使用XY194AC-2SY型號的31次諧波表作為數據比對。電壓諧波的測試結果如表1所示，表中對諧波分量大于1 V的結果進行了顯示。

表1 測試結果

通過對測量結果的分析可以得出結論：本設計的測量結果穩定可靠，精度更高，同樣的性能其造價遠低于傳統電表。

5 結束語

針對新興的微電網，諧波檢測儀尤為重要，采用諧波檢測獲得的參數對微電網進行調節有著很大的作用。同時ARM-CortexM4系列的新型微控制器性能先進，數字運算能力強且成本低，完全可以適應微電網諧波檢測的需求。本文設計的基于ARM的微電網諧波檢測儀可以實現檢測微電網的電壓諧波和電流諧波，為微電網的調節控制提供信息，設計穩定可靠。

[1] 魯宗相，王彩霞，閔勇，等.微電網研究綜述[J].電力系統自動化，2007，31(19)：100-105.

[2] 鄭漳華，艾竿.微電網的研究現狀及在我國的應用前景[J].電網技術，2008，16(3)：27-31.

[3] 鄢文清.微電網電能質量與諧波抑制技術研究[D].長沙：中南大學，2012.

[4] 羅德凌，唐朝暉.電力系統諧波檢測方法的研究現狀及其發展[J].國外電子測量技術，2006(4)：5-8.

[5] 謝苗苗，李華龍，李能菲.基于STM32的諧波參數實時獲取便攜裝置設計[J].儀表技術，2013(2)：32-34.

[6] 馬惠，劉靜芳.基于瞬時無功功率理論的三相電路諧波、無功和不平衡電流檢測[J].四川電力技術，2004(4)：4-7.

[7] 陳澤旭.基于加窗插值FFT的電力諧波檢測技術研究[D].沈陽：沈陽工業大學，2012.

[8] 周峰.基于準同步采樣的電力系統諧波與間諧波在線檢測方法研究[D].上海：上海交通大學，2012.

[9] 王平，丁力.加窗插值FFT的電網諧波分析算法研究[J].江蘇電機工程，2008(2)：46-50.

[10]陳媛.基于STM32的諧波檢測儀的開發及諧波檢測算法研究[D].揚州：揚州大學，2013.

[11]楊陽.窗函數特性及加窗插值FFT算法的研究[D].鄭州：鄭州大學，2010.

[12]唐亮.嵌入式電力諧波檢測系統的研究與實現[D].北京：華北電力大學，2012.

Research on the ARM-based Harmonics Analyzer for Micro Grid

The power supply of micro grid is less stable than of conventional grid, and the harmonic interference is more severe, aiming at this situation, the new harmonic analyzer based on ARM-CortexM4 core has been designed for micro grid. The development and current status of micro grid are described in detail, and the necessity of harmonic detection of micro grid system is expounded. The hardware of the micro grid harmonic analyzer is introduced, including the front stage voltage current conversion circuit; signal conditioning circuit; single chip computer processing circuit and display circuit. For the software, the FFT system and FIR system based on FPU (floating point unit) of CortexM4 core are presented, and the structure of overall software system are described. In addition, the performance of the harmonic analyzer is also analyzed.

Micro grid Harmonic detection ARM-CortexM4 FFT FIR filter

麻志濱(1960-)，男，1987年畢業于哈爾濱理工大學電氣自動化專業，高級工程師；主要從事電氣自動化與測控方面的研究。

TH83;TP216

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201510021

修改稿收到日期：2014-01-04