鄭則誠(chéng) 張軍達(dá) 朱欣

摘 要：針對(duì)沖擊性負(fù)荷對(duì)電能計(jì)量的影響，本文提出了一種基于ARM的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，包括系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。利用標(biāo)準(zhǔn)表對(duì)所研制設(shè)備的檢測(cè)誤差進(jìn)行測(cè)量，并應(yīng)用于京滬高速鐵路華苑變電所完成實(shí)測(cè)。測(cè)試結(jié)果表明，該方案相較于傳統(tǒng)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)具有精度高和實(shí)時(shí)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，并且對(duì)提高電能計(jì)量設(shè)備的便攜性，以及降低設(shè)備能耗方面，具有一定的參考意義。

關(guān)鍵詞：電能質(zhì)量 ARM 遠(yuǎn)程通信

中圖分類號(hào)：TM933 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）12（b）-0001-03

Abstract：Considering the influence of impact load on the electric network， a design solution for the power quality monitoring system based on ARM which has the low power consumption and high performance is introduced in this paper. This system design mainly includes hardware and software. The measuring error of the developed equipment is tested with a standard instrument， and also is applied in Huayuan substation of Beijing-Shanghai high speed railway. Experimental results show that the design solution proposed has the advantages of the high precision and real-time performance compared with traditional monitoring methods. Also the portability of the electric energy measuring equipment is enhanced and the energy consumption is reduced， which have certain reference value.

Key Words：Power quality； ARM； Telecommunication

近年來高速鐵路以其節(jié)能、環(huán)保、高效、安全、舒適、快捷、準(zhǔn)時(shí)等特點(diǎn)已成為世界鐵路的新潮流。電力機(jī)車作為大功率單相整流負(fù)荷，對(duì)于三相對(duì)稱的電力系統(tǒng)供電將產(chǎn)生三相不平衡的諧波電流和基波負(fù)序電流注入系統(tǒng)，引起公共連接點(diǎn)母線的諧波電流、諧波電壓、三相電壓不平衡度等多項(xiàng)電能質(zhì)量指標(biāo)超標(biāo)，嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)安全、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定運(yùn)行[1-2]。然而，傳統(tǒng)電能表以及回路狀態(tài)檢測(cè)設(shè)備缺乏實(shí)時(shí)性，再加之高速鐵路的間歇性負(fù)荷特點(diǎn)，使傳統(tǒng)電能計(jì)量方法無法實(shí)現(xiàn)[3-4]。

本文介紹了基于STM32F103的電能計(jì)量與遠(yuǎn)程通訊功能的監(jiān)測(cè)設(shè)備設(shè)計(jì)方案，充分利用STM32豐富的片上資源，在提高測(cè)量精度的同時(shí)也增強(qiáng)了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性。最后，對(duì)該監(jiān)測(cè)設(shè)備的檢測(cè)誤差進(jìn)行測(cè)試，并應(yīng)用于京滬高速鐵路華苑變電所實(shí)測(cè)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)成（如圖1所示），被測(cè)量的三相交流電壓和電流由傳感器輸出后經(jīng)信號(hào)處理后進(jìn)入微控制單元，實(shí)現(xiàn)電壓、電流、功率和頻率等電能指標(biāo)的計(jì)算[5]，并通過485和GPRS的通訊方式與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

1.1 測(cè)量電路

傳統(tǒng)測(cè)試設(shè)備大多采用基于磁耦合方式的電流互感器采集二次回路電流，而由電流互感器感應(yīng)得到的電流信號(hào)需轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)才能進(jìn)行測(cè)量或者模數(shù)轉(zhuǎn)換。本文選用儀表放大器AD623（如圖2所示）對(duì)電阻兩端電壓進(jìn)行放大，即將電流轉(zhuǎn)換信號(hào)為電壓信號(hào)后，由放大器將電壓信號(hào)進(jìn)行放大。具有較好的隨增益增大而增大的交流共模抑制比，進(jìn)而保持較小的誤差。

1.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換

采集到的信號(hào)需經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，再進(jìn)入微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。由于涉及三相電壓與電流，故選用亞德諾公司的AD7609 A/D轉(zhuǎn)換芯片，具有8路同步采樣差分輸入，18位電荷再分配逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，較為靈活的數(shù)字濾波方式，以及高速串行和并行接口。

1.3 CPU

選用ST公司的STM32F103VET6作為數(shù)字信號(hào)處理器，具有運(yùn)算速度快、處理能力強(qiáng)、接口豐富、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，適用于該便攜式監(jiān)測(cè)設(shè)備。其內(nèi)核為ARM的Cortex-M3 32位RISC，工作頻率72MHz。采用哈佛結(jié)構(gòu)，可同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問和指令操作，且集成乘法器，運(yùn)算效率高。

具有64K和512K字節(jié)的SRAM和閃存程序存儲(chǔ)器；3個(gè)轉(zhuǎn)換時(shí)間為1μs的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器；21個(gè)輸入通道，112個(gè)快速I/O口；11個(gè)定時(shí)器，其中高級(jí)定時(shí)器2個(gè)，看門狗定時(shí)器2個(gè)，及系統(tǒng)時(shí)間定時(shí)器1個(gè)；2個(gè)I2C接口，3個(gè)SPI接口，CAN、USB 2.0和SDIO接口各1個(gè)，5個(gè)USART接口。

在調(diào)試方面，同時(shí)支持單線調(diào)試和JTAG接口調(diào)試，且內(nèi)嵌跟蹤模塊。

1.4 通訊電路

為直觀地監(jiān)控電力數(shù)據(jù)，需將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至客戶端后臺(tái)服務(wù)器進(jìn)行分析，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況隨時(shí)由后臺(tái)管理軟件下達(dá)指令更改設(shè)備參數(shù)。

以GPRS通訊模式將采集到的電網(wǎng)電壓、電流等電能信息，通過無線傳輸?shù)姆绞絺魉椭梁蠖朔?wù)器。采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、通信距離和數(shù)據(jù)傳輸速率適當(dāng)?shù)腞S-485通信方式，將后臺(tái)服務(wù)器下發(fā)指令傳送至微處理器。

選用具有故障保護(hù)功能的SN65HVD1781作為RS-485通訊芯片，最高傳輸速度達(dá)10Mbps，設(shè)計(jì)電路如圖3所示。微處理器輸出信號(hào)經(jīng)過四通道DC-25Mbps信號(hào)隔離器ADUM5402后，再與RS-485芯片相連。

2 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

電能計(jì)量設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)的軟件主要由測(cè)量主機(jī)軟件和客戶端軟件組成。測(cè)量主機(jī)的嵌入式軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，包括主程序、數(shù)據(jù)處理程序和通信程序3個(gè)模塊。其中，主程序負(fù)責(zé)系統(tǒng)時(shí)鐘、GPIO口、嵌套中斷的配置，及定時(shí)器、ADC和通訊模塊的初始化等。

數(shù)據(jù)處理程序負(fù)責(zé)計(jì)算電壓、電流有效值以及頻率和功率等電力參數(shù)。由定時(shí)器每隔10ms觸發(fā)一次模數(shù)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換結(jié)束后進(jìn)入中斷服務(wù)，再讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)電力參數(shù)的計(jì)算。

客戶端軟件主要實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的本地顯示、誤差判斷、超差報(bào)警、參數(shù)設(shè)置以及存儲(chǔ)管理等功能，并提供WEB SERVER、IEC103等通信規(guī)約接口。主要分為數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)輸出三大部分（如圖4所示）。

3 結(jié)果與分析

為驗(yàn)證該電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)設(shè)備的準(zhǔn)確性，以BD-ID交直流校表儀（0.02級(jí)）為標(biāo)準(zhǔn)源，輸出交流電壓57.7V、電流0.5A/2.5A/5A、相位30°，供給標(biāo)準(zhǔn)表LC2010-3E三相標(biāo)準(zhǔn)功率電能表（0.05級(jí)），檢測(cè)的相對(duì)誤差小于0.045。

此外，將此監(jiān)測(cè)設(shè)備試用于京滬高速鐵路華苑變電所。圖5為某日22：10～00：40期間內(nèi)，該高鐵變電所三相線路的基頻視在功率變化趨勢(shì)；其中黃色實(shí)線為A相，綠色實(shí)線為B相，紅色實(shí)線為C相。

4 結(jié)語

準(zhǔn)確和快速是在線電能監(jiān)測(cè)的基本要求。數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的迅速發(fā)展，為復(fù)雜的沖擊電荷電能計(jì)算提供了良好的條件。本文研制的便攜式電能監(jiān)測(cè)與計(jì)量裝置，不僅能將計(jì)量誤差控制在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍以內(nèi)，滿足電能準(zhǔn)確計(jì)量的基本要求。并且，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控之間的信息交互，提高了現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)人員的工作效率。隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，這種基于數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的便攜式電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義以及應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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