一種負載電特征參數監測與識別裝置

劉 迪，畢 濤，譚春亮，葛寶川

（1.海軍航空大學航空基礎學院，山東煙臺 264001；2.山東工業技師學院，山東濰坊 261000）

電能是生產和生活的重要能源，如果沒有電能，世界將變成一片黑暗，生產和生活將難以繼續，在現如今的高科技時代中，電能所起的作用更加突出，電特征參數的測量從電產生的時候就是人們研究的熱點問題。隨著電能在當今社會的作用越來越大，供配電系統也變得越來越復雜，用電負載和設備急速增加，對電特征參數測量的精確度就顯得尤為重要，電特征參數主要包括：電流、電壓、電能、電功率、功率因數等，要保障電力系統的正常運行就必須用電測儀表對其進行監測[1-3]。電測儀表經歷了模擬化、數字化、智能化三代的發展過程。第一代儀表是模擬式儀表，亦稱指針式儀表，例如：指針式電壓表、指針式電流表等。按工作原理可以分為磁電系、電磁系、感應系和電動系四類儀表。隨著人們發現通電導線周圍有磁場并對小磁針有力的作用，制造出了檢流計、惠斯登電橋等最早的電測儀表。隨后由于新材料的出現，電測儀表在準確度上有了顯著的提高。我國在1956 年開始建設生產電測儀表的工廠，到了70 年代，我國所生產的電測儀表基本上能夠滿足國家內部生產建設的需求。模擬式電測儀表結構比較復雜，精度不高，因此使用的場合具有一定的局限。隨著科技的發展，第二代數字式電測儀表出現了。數字式電測儀表能夠將模擬信號轉化為數字信號，通過顯示屏進行數字化顯示，因此數字式儀表的響應速度快，準確度和可靠性比較高，與模擬式電測儀表相比，數字式儀表能夠直接讀取測量結果，使用方便。例如：數字式萬用表等。數字式測量儀表現在已經被廣泛地使用[4-6]。數字式電測儀表的缺點是不能適應測量環境的變化，針對這個缺點，科學家們發明了智能式電測儀表，智能式電測儀表內部配置有微處理器，能夠自動檢測、自動校正、自動轉換量程和測量量，還可以自動診斷故障等，它通過內部的微處理器，利用軟件對數據進行采集和處理，大大簡化了電測儀表的整體結構，可以取代人們的部分腦力計算，具備了人工智能的特點。隨著科學技術的飛速發展，數據采集測量裝置越來越深入到各種應用領域。在工程領域中，數據的處理、分析和測試的信息量比較大，系統的控制芯片與各個測量單元的數據交換量比較大。為了提高測量的準確度和工作效率,數據采集系統的精度和可靠性越來越被人們所重視，需要研發出測量精度高、測量參數多的多功能儀表來滿足電力系統電參數的測量要求。在民用領域中，發電廠需要實時監測各條線路的工作狀態和負載的電參數。在軍事領域中，經常需要控制人員對雷達、聲納等軍事設備電參數進行實時監測與控制，例如：電流、電壓、功率、電能等[7-10]。

1 系統結構

負載電特征參數監測與識別裝置的系統結構如圖1 所示，該系統以STM32 單片機為控制核心，充分利用其豐富的外設接口，通過外圍擴展電路，實現參數輸入、處理和測量結果顯示。該系統的硬件電路主要包括電流和電壓輸入電路、信號采集電路、電流和電壓互感器、過零檢測電路、A/D 轉換電路、顯示電路、鍵盤控制電路等。該裝置能夠實時顯示負載兩端的電壓、流過負載的電流、負載消耗的功率、電路的功率因數、負載的電能等，同時能夠識別運行中的負載種類[11-13]

圖1 系統結構圖

2 系統具體實施方案

負載電特征參數監測與識別裝置具體實施方案如圖2 所示。

圖2 系統實現方案

2.1 主控模塊

采用STM32 單片機為控制核心，技術成熟，設計簡單。通過對該系統的合理分析，科學規劃I/O 端口，完全可以實現系統控制。STM32 系列單片機是目前比較常用的微處理器，在工程項目中，為了滿足和適應工程應用需求，STM32 系列單片機的芯片設計遵循了配置合理豐富、提供選項靈活多樣的原則，例如齊全的閃存容量配置，提供16～1 024 kB 的寬范圍選擇；每一個外設都擁有多種配置選項，使用者可以按照具體需要做出合適的選擇，例如USART 模塊可以實現普通的異步UART 通信以及進行簡單的多機通信等。STM32 系列單片機提供了一個32 位微處理器，保證了外設配置和所有引腳的兼容性，性能較強，功率損耗較低，芯片的集成度較高，開發應用比較容易[14-15]。

2.2 電壓測量模塊

使用變比1 000∶1 000 的電壓互感器，既可以降低電壓信號滿足電壓采樣要求，又可以隔開高電壓系統，以保證人身和設備的安全。模擬信號經過模數轉換器轉化為數字信號送入STM32 單片機，單片機對轉換的結果進行處理，并驅動LCD 顯示結果。該電路簡單，元器件容易獲取，安全性高。電壓測量電路如圖3 所示。

圖3 電壓測量電路圖

2.3 電流測量模塊

使用變比1 000∶1的電流互感器，將大電流信號轉化為小電流信號，再通過電流轉換電路，將電流信號轉化為電壓信號。電路簡單安全，電流可以通過互感線圈的匝數控制，功耗低。電流測量電路如圖4所示。

圖4 電流測量電路圖

2.4 功率因數測量模塊

功率因數是電力系統和用電設備的一個重要指標。在直流電路里，功率等于電流與電壓的乘積；但是在交流電路中，平均功率等于電壓與電流的有效值的乘積再乘以功率因數，其中功率因數角是電壓與電流的相位差角。當負載為純電阻時，電壓與電流的相位差角為零，功率因數為1。對于感性負載或者容性負載的功率因數介于0 到1 之間。提高用電設備的功率因數對國民經濟的發展有著重要的意義。提高功率因數可以充分利用發電設備的容量，也可以節約電能。利用電壓、電流過零檢測電路，檢測兩者方波信號的相位差，計算功率因數，軟件設計較為容易。

2.5 輸入模塊

鍵盤是一種最基本的輸入設備，它是由按鍵組合而成。通過鍵盤，可以將數據、地址和命令等輸入到計算機中。該裝置使用矩陣式鍵盤，在按鍵數量較多時，為了減少I/O 口的占用，按鍵按行和列來排列，形成矩陣形式。該裝置的鍵盤采用4*4 鍵盤，共包括16 個按鍵，其中，包括“0～9”10 個數字鍵，以及復位鍵、確認鍵、清除鍵、選擇鍵、存儲鍵和瀏覽鍵等。按鍵在閉合或者斷開的一瞬間會出現一連串抖動，這一連串抖動可能會被單片機錯誤讀取幾次，被單片機認為是多次操作。這時要采用去除抖動的方法，通常采用硬件去抖動方法，在按鍵的輸出端與計算機接口之間加一個單穩態觸發器電路來消除抖動[16-17]。

2.6 顯示模塊

LCD 分為點陣形式、段位形式和字符形式，點陣形式的LCD 顯示屏不僅能顯示數字和字符，還可以顯示漢字、曲線和圖形，用途十分廣泛。采用點陣型液晶，例如：12864 顯示，優點是字庫空間大，能夠顯示漢字及簡單圖形。

2.7 低功耗設計

利用繼電器的輔助觸點控制，使得該裝置在長時間沒有按鍵時關閉顯示器以降低能耗，但要保留測量功能，一旦有按鍵再開啟顯示器。

2.8 抗干擾措施設計

為了防止程序“跑飛”后引起整個程序混亂，可以在軟件上采取抗干擾措施。當程序陷入到一個死循環后，冗余指令無法恢復程序，可以利用看門狗電路進行即時復位，讓程序重新開始運行[18-20]。

3 系統軟件設計和實驗結果

負載電特征參數監測與識別裝置通過軟件程序來完成其所有功能。該裝置的工作效率由軟件程序的效率直接決定。軟件實施方案如圖5 所示。系統復位啟動以后，經過自檢和初始化后，讀取相關模擬信號，計算電壓和電流。超過門限值，繼電器動作保護電路；低于門限值，經過算法計算，在顯示器顯示出負載的種類。STM32 單片機具有豐富的中斷類型，包括過壓、過流、欠壓、欠流、過熱等。

圖5 軟件實施方案圖

該裝置調試完畢后，經過測量可以得到以下的測試結果，如表1 所示。針對不同用電負載，該裝置對電流、電壓、有功功率和電能的測量值與利用萬用表測量的結果非常接近，驗證了該裝置對負載電參數測量的準確性和可靠性。

表1 測試結果

誤差分析與補償：該單相負載電特征參數的監測與識別裝置使用的是STM32 系列單片機的芯片，有可能會產生誤差。通常采用以下的補償方法來減小誤差。電壓互感器和電流互感器可能會引起測量誤差，該誤差可通過使用高精度的互感器來解決。

電流輸入通道和電壓輸入通道由于相位的差異會產生相位差，電路中的電流和電壓信號在經過互感器和調節電路之后會產生相波和無功電流，可以利用該信號進行電力補償，來進一步消除諧波分量。

4 結論

在當今的生活和工業生產中，電能的作用越來越大，供配電系統也變得越來越復雜，用電負載和設備急速增加，對電特征參數測量的精確度就顯得尤為重要。文中首先介紹了電測儀表的發展概況以及在軍事領域和民用領域的需求，隨后介紹了該裝置的組成結構，各功能模塊的工作原理以及程序算法的設計。該系統利用STM32 單片機設計了一種負載電特征參數監測與識別裝置，能夠測量電流、電壓、有功功率、電能等電參數，并且能夠識別出負載的種類。通過相關實驗，證明了該裝置具有測量準確度高、可靠性好、性能穩定、使用方便等優點。