基于STM32的單相用電器分析監測系統

張廣林，呂英俊，于佩伶，劉玉亮

（山東科技大學，山東濟南，250031）

0 引言

在電能使用更加普及、用電器更加多樣和對電參數要求越來越高的這樣一個大背景下，為了安全、節能地用電，我們急需要設計一種可以直接并入單向網絡的用電器分析監測裝置。用以實時監測用電器的用電參數，為更安全、節能地用電和二次開發打下基礎。

1 系統結構設計

本系統以STM32單片機作為核心處理芯片，采用CT103電流互感器、DL-PT202H1電壓互感器作為基本電參數采集模塊、由STM32內部寄存器及擴展口功能，加上無線模塊、采集模塊、LCD液晶顯示模塊設計并制作用于分析檢測單相用電器的裝置，實現對用電器的類型、工作狀態識別的功能。系統方案設計框圖如圖1所示。

圖1 系統方案設計框圖

2 電量采集與檢測

2.1 檢測電路設計

電壓電流信號經過取樣、濾波、AD轉換后獲得了處理器能夠處理的數字信號,本系統采用均方根算法計算單相電路的電壓U、電流I、功率P、功率因數cosφ。均方根算法：

其中：N為每周期等間隔采樣次數：Uk為第k次采樣值。同理，有功功率，視在功率，無功功率及功率因數分別為

其中：U(t)：t時刻電壓瞬時值；I(t)：t時刻電流瞬時值；φ：電壓與電流夾角(相位差)；ω:角頻率；Um：電壓最大值(峰值電壓)；Im：電流最大值(峰值電流)

系統的檢測電路框圖如下圖2所示，利用電壓采樣電路如圖3所示，電流采樣電路如圖4所示對各個單相用電器的電壓、電流進行采樣，再由濾波網絡穩定信號，然后經模數轉換將得到所需的數字量。最后由均方根法得到我們所需要的各個特征參量的值。

2.2 特征參量設計和篩選

負載識別理論依據：用電器識別和工作狀態的判斷是本系統的主要功能，所以反應用電器性能特征參量的選取是至關重要的一步。反映用電器性能的參量。

圖3 電壓檢測電路

圖4 電流檢測電路

主要有電壓、電流、功率、頻率、周期、溫度等。(1)用電器有效功率可作為電器識別初步篩選的一個條件,例電水壺相較于其他幾種用電器有著差別度很高的大功率值，所以根據功率可以較為快速準確地識別出來，減少了時間復雜度;(2)功率因數:如熱水器等純阻性電器的功率因數接近1，而非阻性電器的功率因數通常小于1；(3)啟動電流：如電機類的電風扇等，在啟動瞬間電流很大,電壓很小，正常工作時，電流變得很小，電壓恢復到220V。根據實際情況和實驗測量數據，最終選定電壓、電流、功率、頻率、功率因數這五個用電器為基本的指標作為評測的特征量。

圖2 檢測電路框圖

3 程序設計

程序設計思路及流程圖：插上用電器2S中內，本系統采用電壓采樣電路，電流采樣電路進行取樣、濾波、AD轉換后獲得了處理器能夠處理的數字信號,并將數字信號傳輸到下位機（核心板）采用均方根算法對數據進行處理，，得到單相電路的電壓U、電流I、功率P、功率因數cosφ,頻率，并將5種特征參量通過無線通信模塊傳輸到上位機的液晶顯示屏且完成分析監測其類別和工作狀態。并通過軟件設計完成裝置的學習功能，當進入學習模式后，上位機清除緩存信息，分析電器特征量并記錄儲存。程序流程圖如圖5所示。

圖5 程序設計流程圖

4 測試結果

系統硬件各模塊焊接、檢測完畢，連線無誤，逐步對各模塊進行測試。進而算法測試。將AD轉化的數據通過串口調試工具顯示。測試一組數據如表1所示。

表1 測試數據表

5 結論

本系統具有實時指示用電器類別和狀態的功能。并且可同時顯示所有可識別電器的工作狀態，另外，系統具有學習功能，能夠在清除作品存儲的所有特征參數后，在一分鐘內重新測試并存儲指定電器的特征參數且裝置在檢測模式下的工作電流不大于15mA。

參考文獻

[1]趙靖.基于STM32的具有諧波分析功能的智能電表設計[D].上海交通大學,2012.

[2]肖曹志輝.高中壓新型電子式電壓互感器的研究與設計[D].湖南大學,2009.

[3]張洋.原子教你玩STM32-庫函數版[M].北京:北京航空航天大學.2015.11.

[4]張紅.電力系統常用交流采樣方法比較[J].華北電力技術.1999.