發(fā)布者:虹潤集團
引言
隨著(zhù)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(xiàn)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(wǎng)的電壓波形發(fā)生畸變,對電能質(zhì)量造成嚴重干擾和污染[1]。供電企業(yè)和電力用戶(hù)出于安全生產(chǎn)和經(jīng)濟效益等方面因素,對供電質(zhì)量的問(wèn)題越來(lái)越重視,因此,有必要對電網(wǎng)供電的各項參數進(jìn)行監測、記錄,分析電網(wǎng)的電能質(zhì)量。
本文提出一種基于STM32F4的嵌入式智能儀表模式的電能質(zhì)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(zhì)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(xiàn)制和四線(xiàn)制配電網(wǎng)中的多相測量。能精確、可靠地記錄各個(gè)電量參數,提供用于評估工廠(chǎng)用電狀態(tài)和配電網(wǎng)質(zhì)量的重要數據。STM32F4是基于A(yíng)RM Cortex-M4內核的32位高效數字信號控制器,支持單精度浮點(diǎn)運算指令和增強型DSP處理指令,并具有杰出的動(dòng)態(tài)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(jiǎn)單可靠,具有較高的應用價(jià)值。
1 電能質(zhì)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(zhì)量相關(guān)標準進(jìn)行設計,系統框圖如圖1所示。 系統通過(guò)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(jìn)行實(shí)時(shí)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(fā)相應的邏輯控制,通過(guò)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(wǎng)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(xiàn)。
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(wú)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(wú)功電能/視在電能;
5)電能質(zhì)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(chēng)電壓/電流等;
6)電量監視與記錄:可監視并記錄負荷曲線(xiàn)、視在/有功/無(wú)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(gè)電量設置報警參數,包括最大事件數目/優(yōu)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(jiǎn)介
系統以意法半導體突出的以基于A(yíng)RM® 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(diǎn)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(tài)存儲控制器)、SDIO接口、USB接口、以太網(wǎng)接口、I2C接口、UART接口和內部時(shí)鐘等。較市場(chǎng)上同類(lèi)微處理器具有功能強,價(jià)格低,開(kāi)發(fā)使用方便等優(yōu)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?;ジ衅鲗㈦妷弘娏鬓D換為小信號后,經(jīng)二階低通濾波送至AD芯片進(jìn)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(mǎn)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(shí)也用于電量記錄。
2)SD卡采用微控制器片上SDIO接口實(shí)現,用于存儲歷史電量記錄數據,最大可支持4G容量。
3)U盤(pán)存儲通過(guò)物理層芯片USB3300-EZK與微控制器片上USB外設實(shí)現,用于數據的轉存及程序、圖庫、參數的現場(chǎng)升級。
4)FRAM鐵電存儲器FM24C64B,通過(guò)I2C總線(xiàn)和微控制器連接,用于存儲實(shí)時(shí)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(xiàn)。運用RA8875作為顯示驅動(dòng)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(shí)內建幾何圖形加速引擎,可大量節省使用者軟件開(kāi)發(fā)的時(shí)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(wǎng)兩種物理介質(zhì)組網(wǎng)通信。
RS485通信接口采用高速光耦進(jìn)行隔離,穩定通信波特率最高可達38.4K,并通過(guò)瞬態(tài)抑制二極管對接口做了過(guò)壓保護,如圖2.5.1所示。
以太網(wǎng)通信接口采用片上以太網(wǎng)外設通過(guò)簡(jiǎn)化介質(zhì)獨立接口 (RMII)和外部快速物理層LAN8720A芯片實(shí)現,RJ45接口內部集成了1:1變比的信號變壓器,實(shí)現信號的隔離保護,提高通訊的抗干擾性能,具體實(shí)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(kāi)發(fā)平臺,通過(guò)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(gè)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(jìn)行自檢,并設有兩個(gè)備份區,當參數校驗出錯時(shí)將獲取備份參數,如果兩份備份參數都無(wú)效,系統進(jìn)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(gè)功能按鍵的解析,并通過(guò)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(fā)型事件,包括電量參數的計算、顯示處理、時(shí)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(fā)送打包,采用標準的Modbus-RTU協(xié)議;
以太網(wǎng)通信處理:負責以太網(wǎng)狀態(tài)的輪詢(xún)處理,并處理UDP和TCP數據報文[4],數據報文同樣采用Modbus-RTU協(xié)議;
中斷處理程序:負責進(jìn)行快速的AD采樣、485通訊數據的接收和發(fā)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(jìn)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(diǎn),即采樣頻率為12800Hz。為了實(shí)時(shí)監測每一個(gè)周波,處理器必須在一個(gè)周波之內完成電量的計算,保證出現電壓和電流突變時(shí)能啟動(dòng)錄波,記錄故障前4個(gè)周波和故障后5個(gè)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(diǎn)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(wú)功功率計算方式分為跨相90°無(wú)功和自然無(wú)功兩種方式,可通過(guò)系統參數選擇。其他基本參數可通過(guò)以上參數計算得出,不再贅述。
3.2.2 電能質(zhì)量參數計算
諧波的測量在電能質(zhì)量分析中至關(guān)重要,在進(jìn)行數字采樣頻譜分析時(shí),由于電網(wǎng)頻率的波動(dòng),如果采用固定頻率采樣,就會(huì )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(shù),根據測得的頻率實(shí)時(shí)調整采樣周期以確保采樣周期的完整性,使得通過(guò)FFT計算的諧波精度達到國際B類(lèi)要求。
為了區別暫態(tài)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(lèi)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(zhì)量?jì)?yōu)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(xiě)入記錄的數據(斷電后在上電初始化時(shí)將數據補足),當數據量達到4K字節時(shí)再以文件形式寫(xiě)入NAND FLASH,若NAND FLASH存儲空間已經(jīng)寫(xiě)滿(mǎn),將寫(xiě)入外部存儲器SD卡,若SD卡未檢測到,將循環(huán)覆蓋NAND FLASH空間。
4 結束語(yǔ)
本文介紹了一種儀表式的電能質(zhì)量監測記錄分析儀的硬件和軟件實(shí)現方法。采用具有DSP和浮點(diǎn)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(wǎng)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(fā)投入也方便了用戶(hù)使用??傊?,該系統具有功能全面、測量精準、操作便捷和易于安裝等優(yōu)勢,有著(zhù)十分廣闊的應用前景。
咨詢(xún)電話(huà) 0599-7821390
商務(wù)郵箱 hrgs@hrgs.com.cn
直接掃碼
虹潤微信客服
虹潤官方微信
fjhongrun