發布者：虹潤集團
引言
隨著電力系統規模不斷擴大以及現代化設備的不斷增加，尤其是大量非線性電力負荷的應用，如半導體整流器、逆變器、電弧爐、電氣化鐵路、各種半導體調壓及變頻裝置和家用電器等，使電網的電壓波形發生畸變，對電能質量造成嚴重干擾和污染[1]。供電企業和電力用戶出于安全生產和經濟效益等方面因素，對供電質量的問題越來越重視，因此，有必要對電網供電的各項參數進行監測、記錄，分析電網的電能質量。
本文提出一種基于STM32F4的嵌入式智能儀表模式的電能質量監測記錄分析系統設計方案，集基本電量測量、電能計量、電能質量分析、電量監視與記錄、事件報警與事件記錄等功能于一體，既可用于單相測量也可用于三線制和四線制配電網中的多相測量。能精確、可靠地記錄各個電量參數，提供用于評估工廠用電狀態和配電網質量的重要數據。STM32F4是基于ARM Cortex-M4內核的32位高效數字信號控制器，支持單精度浮點運算指令和增強型DSP處理指令，并具有杰出的動態功耗控制和豐富的片上資源，方便了硬件設計并降低了硬件成本，使設計更簡單可靠，具有較高的應用價值。
1 電能質量監測分析記錄儀總體設計方案
本系統根據國家制定的電能質量相關標準進行設計，系統框圖如圖1所示。 系統通過信號采樣AD轉換模塊采集電壓、電流，數字信號控制器獲得采樣數據后進行實時電參數計算和分析，將結果顯示到TFT液晶屏上，并根據計算出的參數觸發相應的邏輯控制，通過SD卡、NAND FLASH和鐵電存儲器記錄參數，提供4路模擬量輸出接口、1路RS485接口和1路以太網接口傳輸數據，提供USB接口用以轉存歷史數據，預留DB9打印接口擴展微型打印機打印輸出歷史數據曲線。
主要功能如下：
1）基本電量測量：可測量電壓、電流、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數、頻率等；
2）諧波測量：可測量高達63次的電壓和電流諧波含量；
3）需量計量：區間式和滑差式可選；
4）電能計量：可計量多費率的有功電能/無功電能/視在電能；
5）電能質量分析：可分析相移角/相位角/總諧波失真電壓/總諧波失真電流/電壓諧波/電流諧波/失真電流強度/不對稱電壓/電流等；
6）電量監視與記錄：可監視并記錄負荷曲線、視在/有功/無功功率平均值/最小/最大值以及其他電量參數等；
7）事件報警與事件記錄，可對各個電量設置報警參數，包括最大事件數目/優先級控制/可選擇的報警級別等，并可選擇是否記錄。
2 硬件設計方案
2.1 STM32 F4數字信號控制器簡介
系統以意法半導體突出的以基于ARM® Cortex™-M4為內核的STM32F407ZET6高性能微控制器為核心，其工作頻率為168MHz,集成了單周期DSP指令和單精度浮點數運算單元，內置512M字節閃存和192K字節SRAM，具有豐富的片上外設，包括本系統中用到的FSMC（可變靜態存儲控制器）、SDIO接口、USB接口、以太網接口、I2C接口、UART接口和內部時鐘等。較市場上同類微處理器具有功能強，價格低，開發使用方便等優勢。
2.2 數據采集模塊設計
前端采樣電路如圖2.2.1和圖2.2.2所示，電壓電流采樣選用高精度電壓電流互感器，其體積小、精度高、全封閉、隔離耐壓能力強。互感器將電壓電流轉換為小信號后，經二階低通濾波送至AD芯片進行轉換。AD芯片選用高精度16位AD芯片ADS8568SPMR，基準電壓2.5V，8通道同步采樣，轉換速率滿足系統對快速采樣轉換的需求，且信噪比達到91.5dB。
2.3 存儲設計
系統存儲分為四部分：
1）NAND FLASH選用三星K9F1G08U0D，連接到微控制器FSMC的BANK2，具有128M大容量存儲空間，用于存儲圖片、系統參數和各種事件，當系統缺失SD卡時也用于電量記錄。
2）SD卡采用微控制器片上SDIO接口實現，用于存儲歷史電量記錄數據，最大可支持4G容量。
3）U盤存儲通過物理層芯片USB3300-EZK與微控制器片上USB外設實現，用于數據的轉存及程序、圖庫、參數的現場升級。
4）FRAM鐵電存儲器FM24C64B，通過I2C總線和微控制器連接，用于存儲實時電能數據并為電量記錄提供斷電記憶功能。
2.4 顯示模塊設計
系統采用3.5寸16位色TFT液晶屏作為顯示輸出，其分辨率為320*240，能夠清晰的顯示數據和曲線。運用RA8875作為顯示驅動芯片，提供低成本的8080并列式微控制器接口，內建768K顯示內存，支持2D的BTE引擎可處理大量圖形數據的轉換與傳送，同時內建幾何圖形加速引擎，可大量節省使用者軟件開發的時間，并提升微控制器軟件的執行效率。
2.5 通信模塊設計
系統采用RS485和以太網兩種物理介質組網通信。
RS485通信接口采用高速光耦進行隔離，穩定通信波特率最高可達38.4K，并通過瞬態抑制二極管對接口做了過壓保護，如圖2.5.1所示。
以太網通信接口采用片上以太網外設通過簡化介質獨立接口 (RMII)和外部快速物理層LAN8720A芯片實現，RJ45接口內部集成了1：1變比的信號變壓器，實現信號的隔離保護，提高通訊的抗干擾性能，具體實現原理如圖2.5.2所示。
3 軟件設計方案
3.1 系統軟件總體設計
軟件設計基于RealView MDK4.23開發平臺，通過JLINK V8與目標板連接調試代碼。系統流程圖如圖3.1.1所示，軟件主要由以下模塊組成：
初始化及自檢模塊：負責系統各個功能模塊和所有參數的初始化及自檢，系統參數采用帶校驗因子的和校驗方式進行自檢，并設有兩個備份區，當參數校驗出錯時將獲取備份參數，如果兩份備份參數都無效，系統進行故障報警并顯示故障代碼，將系統出錯的幾率降至最低；
按鍵處理：負責六個功能按鍵的解析，并通過解析結果執行相應的操作；
事件管理模塊：負責管理所有周期型和突發型事件，包括電量參數的計算、顯示處理、時鐘信號處理、存儲管理、邏輯控制、變送輸出和打印輸出等；
485通信處理：負責通信數據的接收解包和發送打包，采用標準的Modbus-RTU協議；
以太網通信處理：負責以太網狀態的輪詢處理，并處理UDP和TCP數據報文[4]，數據報文同樣采用Modbus-RTU協議；
中斷處理程序：負責進行快速的AD采樣、485通訊數據的接收和發送以及邏輯處理。
3.2 采樣數據處理
3.2.1基本電量參數計算
系統對輸入的電壓電流信號進行同步采樣，避免了不同步采樣引起的相位誤差。每周波采樣256點，即采樣頻率為12800Hz。為了實時監測每一個周波，處理器必須在一個周波之內完成電量的計算，保證出現電壓和電流突變時能啟動錄波，記錄故障前4個周波和故障后5個周波的數據。
電壓、電流有效值計算公式：
注：式中x[n]為電壓、電流離散采樣值數組，N=256為每周波采樣點數，下同。
有功功率計算公式：
注：式中u[n]為電壓采樣值數組，i[n]為電流采樣值數組。
無功功率計算方式分為跨相90°無功和自然無功兩種方式，可通過系統參數選擇。其他基本參數可通過以上參數計算得出，不再贅述。
3.2.2 電能質量參數計算
諧波的測量在電能質量分析中至關重要，在進行數字采樣頻譜分析時，由于電網頻率的波動，如果采用固定頻率采樣，就會造成非整周期采樣，引起頻譜泄漏[5]。系統測量諧波范圍為1～63次諧波，由高次諧波頻譜泄漏造成測量的誤差往往較小，而基波的頻譜泄漏對臨近的低次諧波影響較大，因此本系統采用軟件頻率跟蹤技術，根據測得的頻率實時調整采樣周期以確保采樣周期的完整性，使得通過FFT計算的諧波精度達到國際B類要求。
為了區別暫態現象和諧波，每次測量結果可取3S內的平均值[2]。采用式（3）計算：
式中:Uhk為3s內第k次測得的h次諧波的均方根植;m≥6為3s內取均勻間隔的測量次數。
1)電壓諧波含有率計算：
式中:U1為基波電壓；Uh為第h次諧波電壓。
2)電壓總諧波畸變率：
式中：H為諧波某特定階數，這里取63。
相應的電流參數以此類推，此外系統還可提供電流電壓波峰系數、電流K系數等參數作為電能質量優劣的參考。
3.3 電量記錄
系統能記錄測量到的基本電量參數，記錄的間隔固定為1S。系統不間斷的向鐵電存儲器寫入記錄的數據（斷電后在上電初始化時將數據補足），當數據量達到4K字節時再以文件形式寫入NAND FLASH,若NAND FLASH存儲空間已經寫滿，將寫入外部存儲器SD卡，若SD卡未檢測到，將循環覆蓋NAND FLASH空間。
4 結束語
本文介紹了一種儀表式的電能質量監測記錄分析儀的硬件和軟件實現方法。采用具有DSP和浮點運算單元的STM32F4微處理器及16位高速同步采樣AD芯片，保證了系統的處理速度和數據采樣速度，提供了全面的、高精度的電網參數，并充分利用微處理器片上資源，提供豐富靈活的外部接口，既降低了硬件成本和研發投入也方便了用戶使用。總之，該系統具有功能全面、測量精準、操作便捷和易于安裝等優勢，有著十分廣闊的應用前景。
