電能質量監測儀的設計與實現

陳蓉，劉雙劼

（蘇州大學軌道交通學院，江蘇，蘇州 215131）

隨著用電需求的不斷增加，大量電力電子設備接入電網，使得電網中產生諧波、電壓波動和電壓閃變等問題，嚴重影響了電力系統的安全與穩定，用戶側的電子設備也會受到電力系統電能質量的影響[1-3]。此外，資源、環境問題的日趨嚴重，為電力產業改革帶來契機，分布式發電成為新的研究熱點，但該技術也會影響電力系統的供電質量，如分布式發電功率隨機變化會引起電壓波動、電壓閃變等電能質量問題，給電力系統的穩定運行帶來新的挑戰[4-6]。因此，電網電能質量的監測尤為重要，研制滿足電力工業需求的電能質量監測裝置對研究電能質量問題具有重要意義[7-9]。

傳統電能質量測量儀一般多基于8 或16 位單片機來設計實現，存在處理速度慢、硬件結構不夠完善等缺點。運用DSP 處理器的監測儀處理速度快、精度好，但成本高、功耗大[10]。該研究基于高性能單片機STM32F405，設計一種簡易的電能質量分析儀，可實現對電信號基波電壓、基波電流、功率因數、基波功率、諧波電壓和諧波電流的有效測量。

1 系統架構

系統的硬件電路主要由信號前端采集電路、信號調理電路、基于STM32F405 的CPU 電路以及LCD人機交互電路組成。信號前端采集電路采用電壓、電流互感器和電阻電路變換電壓、電流信號，信號經處理后送入以運算放大器TLV2371 為主的信號調理電路中，轉換得到幅值大小合適的電壓、電流信號，再送入以STM32F405 為核心的CPU 電路進行計算和顯示，采用LM240120BCW 液晶顯示模塊顯示當前測量的基波電流和電壓、諧波電流和電壓、基波功率值等。系統結構框圖如圖1 所示。

圖1 系統結構框圖

2 硬件電路設計

系統硬件處理電路部分主要包括信號前端采集電路和信號調理電路。交流電壓、電流信號分別通過兩路處理電路，轉換成可供STM32F405 測量的電壓信號，便于后續測量和顯示。

2.1 信號前端采集電路

信號前端采集電路分為電壓前端采集電路和電流前端采集電路。為方便STM32F405 單片機對交流信號的電壓、電流幅值進行測量，待測信號首先需分別通過由電壓、電流互感器和采樣電阻組成的信號前端采集電路，得到幅值較小的交流信號。

2.1.1 電壓前端采集電路

電壓前端采集電路采用2 mA/2 mA 的電流型電壓互感器DL-PT202H1，飽和電壓為4 V。互感器原邊跨接一個100 kΩ 的限流電阻，可將電壓信號轉換成2 mA 左右的電流信號送入互感器，互感器副邊按1∶1 等比輸出2 mA 左右的電流信號。互感器副邊上跨接一個200 Ω 的采樣電阻，采樣電壓小于互感器飽和電壓，可采用直接電阻采樣法，電壓前端采集電路如圖2 所示。高電壓信號通過該電路轉換成低電壓信號，后續送入信號調理電路。電壓信號轉換前精度為千分之五，轉換后精度提升為千分之一。根據圖2 所示電路設計，信號前端采集電路的輸入輸出信號計算公式如式（1）所示：

圖2 電壓前端采集電路

式中，Vi為待測信號，V1為U1 點電位，即信號前端采集電路的輸出電壓。

2.1.2 電流前端采集電路

電流前端采集電路采用10 A/5 mA 的穿心式電流互感器DL-CT1005AP，該電流互感器精度高，一致性好，主要用于電流精密測量與保護。原電流信號輸入電流互感器，互感器副邊按2 000∶1 的變比輸出電流小信號，副邊上跨接一個200 Ω 的采樣電阻，采樣電壓小于互感器飽和電壓2.8 V，可采用直接電阻采樣法，電流前端采集電路如圖3 所示。原電流信號通過該電路轉換成低電壓信號，后續送入信號調理電路。

圖3 電流前端采集電路

2.2 信號調理電路

該設計中采用的單片機STM32F405 的ADC 采樣范圍為0～3.3 V，而經信號前端采集電路處理輸出的信號幅值范圍是-1.5～1.5 V 左右，不能直接送入單片機進行計算。因此，信號經過前端采集電路后，需要送入信號調理電路進行處理，得到0～3.3 V 的電壓信號。電壓、電流處理電路中的信號調理電路相同，以電壓信號為例，圖4 所示為信號調理電路設計圖，低電壓信號送入信號調理電路，經過放大器電路和一個電阻I/V轉換，得到可供單片機STM32F405 測量的電壓信號。運算放大器U4 選用TLV2371，TLV2371 具有滿電源幅度輸出功能，同時具有高阻抗傳感器接口的CMOS 輸入特性以及低壓運行功能，電源電壓范圍為2.7～16 V，供電電壓范圍廣。設計中增加C25用于對互感器產生的相位變化進行補償，R23和C26可濾除5 kHz 以上的信號。

圖4 信號調理電路

由MC1403D芯片組成的基準電源模塊為TLV2371芯片供電。MC1403D 芯片的輸出電壓與溫度無關，可用作參考電壓源。該電路是高精度、低溫度漂移的基準電壓電路，輸出電壓+2.5 V，輸出電流10 mA。

根據圖4 所示信號調理電路設計，電壓轉換的計算公式如（2）所示：

由運算放大器的虛斷可得：

由式（2）、（3）、（4）和Vr=2.5 V 可得電壓轉換的計算公式為：

式中，Vo為輸出電壓信號，V1為輸入信號調理電路的電壓信號，Vi為待測信號。V1的范圍是-1.5～1.5 V 左右，經過信號調理電路，將其抬高至0～3.3 V 范圍內，輸出信號Vo的幅值變化范圍滿足單片機STM32F405 內部集成ADC 的采樣范圍。

2.3 基于STM32F405的單片機最小系統

該設計選用的主處理器是ST 公司開發的STM32F405，它是STM32 系列中的高性能產品。與前代STM32 系列單片機相比，其具有功耗低、速度快、性能強的優勢[11-13]。STM32F405 是基于ARM Cortex-M4 內核的32 位閃存微控制器，處理速度為168 MHz/210DMIPS，集成1 MB 的Flash 和多達192+4 kB 的RAM，具有高性能的信號處理和浮點運算能力。同時，STM32F405 帶有多重AHB 總線矩陣，DMA 控制器和3 路I2C 接口，集成了單周期的DSP 指令和FPU 并行計算功能，支持程序執行和數據傳輸并行處理。數據可以通過DMA 直接傳輸，在I2C 總線讀取數據到緩沖區，提高數據的采樣和處理速度，使程序的執行效率顯著提高[14]。

3 系統軟件設計

該設計中主程序主要完成系統時鐘、定時器、A/D 和LCD 顯示的初始化設置，然后根據接口輸入信號執行各個模塊的子函數，進行計算和顯示。待測信號通過信號前端采集電路和信號調理電路的轉換后送至STM32F405，由單片機內部A/D 采樣和基4FFT 計算出輸入信號的有效值和各頻率分量，根據電壓、電流的有效值和相位差計算出基波功率、基波功率因數，在液晶屏上將測量結果顯示出來。系統主程序流程圖如圖5 所示。

圖5 系統主程序流程圖

3.1 AD采樣子程序

該設計中，A/D 采樣采用DMA 雙緩沖結構，主要程序設計為：配置ADC 定時器，配置兩相ADC 通道的GPIO 為模擬輸入，兩個ADC 同步采樣，采用注入式模式；配置DMA 模式和DMA 通道，定義DMA 的中斷優先級、中斷入口函數和數據的使用。DMA 雙緩沖結構的主要原理為：分配兩塊同樣大小的內存作為DMA 目標地址，分別稱為緩存1、緩存2；配置DMA 模式，緩存1 或緩存2 作為目標地址接收數據；接收到DMA 中斷，則轉換DMA 配置模式。如此不斷循環，緩存1、緩存2 輪流作為目標地址接收數據，同時處理、應用另一緩存區內已接收到的數據。

由此可見，使用DMA 雙緩沖結構不僅可以實現同時接收和處理數據，從時域上保證采樣的連續性，而且具有循環特性，使占用的存儲區空間容量大大降低，能有效減少CPU 的負荷。

3.2 基4FFT測量子程序

FFT 的基本思想是對非正弦周期信號的時間連續信號用采樣裝置等間隔采樣，并把采樣值依次轉換成數字序列，然后借助計算機進行諧波分析。基2FFT 算法是把序列每次一分為二，最后分割成兩點DFT。若每次把序列一分為四，就得到了基4FFT 算法。基4FFT 算法的處理結構由蝶形運算單元組成，通過將運算過程中的復數操作數和旋轉因子重新排列，將流水線方式與并行結構思想相結合，可以用循環序列表示基4FFT 計算結構的遞推關系，大量減少計算過程中的加法和乘法次數[15-16]。由此可見，基4FFT 算法具有運算量少、運算效率高等優點。

程序設計中，輸入信號經A/D 采樣后，采樣數據被放入FFT 輸入緩沖區，進行基4FFT 運算。基4FFT子程序找到輸入信號的極大值點數，將其對應的下標存在數組中，通過尋找極大值得到各頻率分量，根據數組中存放的傅里葉變換的實部和虛部求出信號的有效值及相角等數據，在LCD 屏上顯示測量結果。

3.3 LCD子程序設計

LCD 顯示界面主要包括基本電參數、電壓諧波分析和電流諧波分析3 個界面。主要程序設計為：設計顯示界面的文字和布局，設置按鍵功能；初始化LCD，設置LCD 的顯示模式；設置LCD 屏上打印數據的起始位置；自定義符號，便于參數的表達；LCD 接收數據，同時接收到數據的位置信息，根據字模庫將點陣信息打印在LCD 屏上。按下按鍵可以切換顯示電壓諧波分析、電流諧波分析界面。

4 測試結果與分析

電路設計及制作完成后，進行硬件及軟件調試。硬件調試方法如下：依次測試信號前端采集電路和信號調理電路的輸入、輸出信號波形，以檢驗電路功能是否都達到預期效果；待每一級電路測試結果正常后，再將經電路處理后的信號輸入單片機STM32F405 完成計算和顯示工作，進行系統的整體性能測試。

測試中，可在系統中加入額定功率不同的用電器。按下不同的功能按鈕，LCD 顯示屏可顯示基波電壓、基波電流、功率因數、基波功率等數據，并且可以查看對諧波電壓、諧波電流的分析結果。將處理電路的輸出信號接入示波器，可以觀察到電壓信號和電流信號都被近似還原成幅值在0～3.3 V 范圍內的正弦信號，達到預期設計效果。LCD 屏顯示測量參數，該儀器不僅能測量出基波電壓、基波電流、功率因數和基波功率，而且能測出待測信號中諧波的電壓幅值和電流幅值。改變用電器的額定功率大小，系統測試結果如表1 所示。

表1 系統測試結果

表1 中基波電壓、基波電流、基波功率、功率因數為該文設計的電能質量監測儀的測量結果，標準電壓和標準電流為三相電能質量分析儀CA8336 的測量結果。將基波電壓、基波電流、基波功率、功率因數、諧波電壓、諧波電流等測量結果與三相電能質量分析儀CA8336 的測試數據進行比對，該電能質量監測儀的各測量參數均較為準確，誤差較小。由表1測量結果可知，額定功率為500～2 000 W 的用電器測得的功率因數都為1，由于測試中采用的用電器都屬于阻性負載，阻性負載的功率因數為1，與測試結果相符。測試結果表明，該系統性能穩定，具有較強的實用性。

5 結論

該文基于STM32F405 設計了一款簡易的電能質量監測儀，經測試，該監測儀可實現對電信號基波電壓、基波電流、功率因數、諧波電壓、諧波電流和基波功率的有效測量，由LCD 屏顯示測量結果。該電能質量分析儀結構簡單，性能穩定，操作便捷，測量準確，測量速度快，具有較強的實用價值。