李芳芳等

摘要：為實(shí)現(xiàn)低成本檢測(cè)電力線諧波，開發(fā)基于STM32F103RBT6嵌入式微控制器的電力諧波采樣設(shè)備，使用CS5463電量采集芯片及以Zigbee傳輸參數(shù)的無(wú)線電參數(shù)檢測(cè)器，實(shí)現(xiàn)0.4 kV農(nóng)村低壓電網(wǎng)的電參數(shù)采集檢測(cè)及電量計(jì)量。介紹設(shè)備的總體架構(gòu)、軟硬件設(shè)計(jì)思路以及實(shí)現(xiàn)方案。測(cè)試結(jié)果表明：設(shè)備能夠在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行諧波采樣和分析，具有穩(wěn)定性強(qiáng)、可擴(kuò)展性強(qiáng)、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：STM32F103RBT6；CS5463；電力諧波；Zigbee

中圖分類號(hào)：TM727 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1161（2015）01-0051-03

目前，國(guó)家電網(wǎng)對(duì)電力傳輸線參數(shù)的檢測(cè)工作做得很全面，但是在0.4 kV的負(fù)荷電網(wǎng)中，電能質(zhì)量檢測(cè)的普及程度仍然很小。從前期分析可知：國(guó)家電網(wǎng)的用戶量大，一般的檢測(cè)系統(tǒng)耗電量和成本都比較高，所以相應(yīng)普及度很小。

平板智能電視、平板電腦、智能手機(jī)、全自動(dòng)空調(diào)等微電子產(chǎn)品不斷的涌現(xiàn)，對(duì)電能質(zhì)量的要求越來(lái)越高，負(fù)載端電能質(zhì)量的檢測(cè)與優(yōu)化勢(shì)在必行。為此，提出以下設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案：有效的檢測(cè)電力線諧波，并在實(shí)現(xiàn)功能的基礎(chǔ)上控制到最低的成本。低成本的電能參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)主要檢測(cè)0.4 kV網(wǎng)絡(luò)的電參數(shù)和計(jì)量電量，并傳輸給以Zigbee傳輸參數(shù)的無(wú)線電參數(shù)檢測(cè)器，以最低的成本實(shí)現(xiàn)終端電力網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷統(tǒng)計(jì)和電能質(zhì)量檢測(cè)的網(wǎng)絡(luò)化與智能化，方便電力公司部門提供高質(zhì)量電能。

1 采樣設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由單片機(jī)控制系統(tǒng)、電力供應(yīng)系統(tǒng)、分布式信號(hào)采樣與調(diào)理系統(tǒng)、Zigbee無(wú)線傳輸與組網(wǎng)系統(tǒng)等組成。分布式信號(hào)采集與調(diào)理系統(tǒng)作為系統(tǒng)采樣設(shè)備的前端，負(fù)責(zé)采集220 V的實(shí)時(shí)電壓和電流，并將供給電壓電流通過(guò)信號(hào)調(diào)理模塊調(diào)制到0～3 V的范圍內(nèi)，供后端的AD轉(zhuǎn)換器使用。單片機(jī)控制系統(tǒng)控制AD轉(zhuǎn)換器的采樣頻率，并將采取數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT，通過(guò)無(wú)線傳輸與組網(wǎng)模塊將最終數(shù)據(jù)打包發(fā)送出去。無(wú)線傳輸模塊主要進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸和自組網(wǎng)，保證與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換可靠。設(shè)備供電系統(tǒng)將110～240 V的交流轉(zhuǎn)換為5 V和3 V的直流電，供給其他模塊使用。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 采樣設(shè)備的設(shè)計(jì)方案

2.1 采樣與調(diào)理電路的設(shè)計(jì)

采樣電路作為前端信號(hào)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(diǎn)后不會(huì)對(duì)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(diào)理電路中順利調(diào)理；3） 調(diào)理電路需要對(duì)采集的電壓信號(hào)進(jìn)行偏置實(shí)現(xiàn)，將交流信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)，并且調(diào)節(jié)電壓最大值不超過(guò)3.3 V。調(diào)理模塊的結(jié)構(gòu)如圖2所示。經(jīng)過(guò)調(diào)理的信號(hào)各電路的輸出波形如圖3所示。信號(hào)采樣電路、信號(hào)偏置電路和信號(hào)放大電路如圖4—6所示。

2.2 控制器模塊的設(shè)計(jì)

控制器的主要作用是信號(hào)采集和數(shù)據(jù)處理。由于采集設(shè)備沒(méi)有實(shí)時(shí)要求，所以采用性能比較優(yōu)越的STM32F103RBT6單片機(jī)，通過(guò)自身外設(shè)DMA進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，將數(shù)據(jù)存到自身的SRAM里。采集數(shù)據(jù)是6400 次/s，所以自帶的SRAM有足夠的空間進(jìn)行計(jì)算和暫存，運(yùn)算效率高，單片機(jī)電能損耗少。硬件電路設(shè)計(jì)如圖7所示。

2.3 無(wú)線通訊模塊的設(shè)計(jì)

單片機(jī)將經(jīng)過(guò)處理過(guò)的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，通過(guò)無(wú)線的Zigbee模塊發(fā)送出去；無(wú)線通訊模塊在空閑時(shí)段處于接受模式，隨時(shí)接收上位機(jī)下達(dá)的命令。硬件電路如圖8所示。

3 采集設(shè)備軟件設(shè)計(jì)

采樣設(shè)備自動(dòng)進(jìn)行外部設(shè)備的初始化和對(duì)上位機(jī)的注冊(cè)，注冊(cè)成功后自動(dòng)切換到命令等待狀態(tài)，等待上位機(jī)的命令。接收到上位機(jī)的查詢命令后，采集終端設(shè)備立即開啟定時(shí)器和AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行6400 hZ的電壓取樣。存儲(chǔ)到SRAM中，采集500 ms的數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果和原始數(shù)據(jù)封包發(fā)送給上位機(jī)，完成一次遠(yuǎn)程采樣分析。

4 結(jié)論

本次設(shè)計(jì)具有低功耗、環(huán)保的特性。當(dāng)關(guān)閉主機(jī)軟件時(shí)，終端機(jī)可以單獨(dú)的脫機(jī)運(yùn)行，在不進(jìn)行大數(shù)據(jù)處理的時(shí)候，單片機(jī)處于待機(jī)狀態(tài)，只有CS5463處于持續(xù)的電能計(jì)量狀態(tài)，能耗相對(duì)很低。電路板避免使用電解電容，且每個(gè)電容的設(shè)計(jì)都在22 uf以下，符合國(guó)家防爆標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)電路器中鎳鉻器件很少，對(duì)環(huán)境污染少，且滑軌式的安裝形式使得安裝更加方便。采集設(shè)備與上位機(jī)通訊穩(wěn)定，比專業(yè)的諧波測(cè)試儀器價(jià)格便宜，且設(shè)備簡(jiǎn)單、可復(fù)制性非常強(qiáng)。通訊模式節(jié)點(diǎn)容量大，由Zigbee自組蜂窩式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，通訊距離，遠(yuǎn)功耗小，市場(chǎng)應(yīng)用前景廣闊。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉艷利.電力系統(tǒng)諧波檢測(cè)算法研究與實(shí)現(xiàn)[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2012.

[2] 嚴(yán)曉丹.基于改進(jìn)的FFT電力系統(tǒng)諧波檢測(cè)算法研究與實(shí)現(xiàn)[D]. 成都：西華大學(xué)，2012.

[3] 朱文文.電力系統(tǒng)諧波檢測(cè)與去噪方法研究[D].南京：南京郵電大學(xué)，2013.

[4] 楊冠魯，姚若蘋，余尤好.采用加窗插值FFT與逐幅諧波消去法的電機(jī)諧波算法[J].福州大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2006（3）：352-356.

[5] 姚旭東.基于ARM的電力系統(tǒng)諧波檢測(cè)儀的研究與設(shè)計(jì)[D].沈陽(yáng)：東北大學(xué)，2008.

[6] 趙靖.基于STM32的具有諧波分析功能的智能電表設(shè)計(jì)[D].上海：上海交通大學(xué)，2012.

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