论文部分内容阅读
摘要：为实现低成本检测电力线谐波，开发基于STM32F103RBT6嵌入式微控制器的电力谐波采样设备，使用CS5463电量采集芯片及以Zigbee传输参数的无线电参数检测器，实现0.4 kV农村低压电网的电参数采集检测及电量计量。介绍设备的总体架构、软硬件设计思路以及实现方案。测试结果表明：设备能够在短时间内进行谐波采样和分析，具有稳定性强、可扩展性强、成本低廉等优点。
关键词：STM32F103RBT6；CS5463；电力谐波；Zigbee
中图分类号：TM727 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2015）01-0051-03
目前，国家电网对电力传输线参数的检测工作做得很全面，但是在0.4 kV的负荷电网中，电能质量检测的普及程度仍然很小。从前期分析可知：国家电网的用户量大，一般的检测系统耗电量和成本都比较高，所以相应普及度很小。
平板智能电视、平板电脑、智能手机、全自动空调等微电子产品不断的涌现，对电能质量的要求越来越高，负载端电能质量的检测与优化势在必行。为此，提出以下设计与实现方案：有效的检测电力线谐波，并在实现功能的基础上控制到最低的成本。低成本的电能参数检测系统主要检测0.4 kV网络的电参数和计量电量，并传输给以Zigbee传输参数的无线电参数检测器，以最低的成本实现终端电力网络负荷统计和电能质量检测的网络化与智能化，方便电力公司部门提供高质量电能。
1 采样设备的整体结构
系统由单片机控制系统、电力供应系统、分布式信号采样与调理系统、Zigbee无线传输与组网系统等组成。分布式信号采集与调理系统作为系统采样设备的前端，负责采集220 V的实时电压和电流，并将供给电压电流通过信号调理模块调制到0～3 V的范围内，供后端的AD转换器使用。单片机控制系统控制AD转换器的采样频率，并将采取数据进行FFT，通过无线传输与组网模块将最终数据打包发送出去。无线传输模块主要进行数据的传输和自组网，保证与上位机进行数据交换可靠。设备供电系统将110～240 V的交流转换为5 V和3 V的直流电，供给其他模块使用。系统结构如图1所示。
2 采样设备的设计方案
2.1 采样与调理电路的设计
采样电路作为前端信号输入端，需要满足的要求是： 1） 采样电路能安全采样，接入采样点后不会对电力线路造成影响；2） 采样电路的采样电压和电流能够在调理电路中顺利调理；3） 调理电路需要对采集的电压信号进行偏置实现，将交流信号转换为直流信号，并且调节电压最大值不超过3.3 V。调理模块的结构如图2所示。经过调理的信号各电路的输出波形如图3所示。信号采样电路、信号偏置电路和信号放大电路如图4—6所示。
2.2 控制器模块的设计
控制器的主要作用是信号采集和数据处理。由于采集设备没有实时要求，所以采用性能比较优越的STM32F103RBT6单片机，通过自身外设DMA进行数据传输，将数据存到自身的SRAM里。采集数据是6400 次/s，所以自带的SRAM有足够的空间进行计算和暂存，运算效率高，单片机电能损耗少。硬件电路设计如图7所示。
2.3 无线通讯模块的设计
单片机将经过处理过的数据进行打包，通过无线的Zigbee模块发送出去；无线通讯模块在空闲时段处于接受模式，随时接收上位机下达的命令。硬件电路如图8所示。
3 采集设备软件设计
采样设备自动进行外部设备的初始化和对上位机的注册，注册成功后自动切换到命令等待状态，等待上位机的命令。接收到上位机的查询命令后，采集终端设备立即开启定时器和AD转换器进行6400 hZ的电压取样。存储到SRAM中，采集500 ms的数据进行FFT计算，将计算结果和原始数据封包发送给上位机，完成一次远程采样分析。
4 结论
本次设计具有低功耗、环保的特性。当关闭主机软件时，终端机可以单独的脱机运行，在不进行大数据处理的时候，单片机处于待机状态，只有CS5463处于持续的电能计量状态，能耗相对很低。电路板避免使用电解电容，且每个电容的设计都在22 uf以下，符合国家防爆标准。同时电路器中镍铬器件很少，对环境污染少，且滑轨式的安装形式使得安装更加方便。采集设备与上位机通讯稳定，比专业的谐波测试仪器价格便宜，且设备简单、可复制性非常强。通讯模式节点容量大，由Zigbee自组蜂窝式拓扑结构的网络，通讯距离，远功耗小，市场应用前景广阔。
参考文献
[1] 刘艳利.电力系统谐波检测算法研究与实现[D].济南：山东大学，2012.
[2] 严晓丹.基于改进的FFT电力系统谐波检测算法研究与实现[D]. 成都：西华大学，2012.
[3] 朱文文.电力系统谐波检测与去噪方法研究[D].南京：南京邮电大学，2013.
[4] 杨冠鲁，姚若苹，余尤好.采用加窗插值FFT与逐幅谐波消去法的电机谐波算法[J].福州大学学报（自然科学版），2006（3）：352-356.
[5] 姚旭东.基于ARM的电力系统谐波检测仪的研究与设计[D].沈阳：东北大学，2008.
[6] 赵靖.基于STM32的具有谐波分析功能的智能电表设计[D].上海：上海交通大学，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
关键词：STM32F103RBT6；CS5463；电力谐波；Zigbee
中图分类号：TM727 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2015）01-0051-03
目前，国家电网对电力传输线参数的检测工作做得很全面，但是在0.4 kV的负荷电网中，电能质量检测的普及程度仍然很小。从前期分析可知：国家电网的用户量大，一般的检测系统耗电量和成本都比较高，所以相应普及度很小。
平板智能电视、平板电脑、智能手机、全自动空调等微电子产品不断的涌现，对电能质量的要求越来越高，负载端电能质量的检测与优化势在必行。为此，提出以下设计与实现方案：有效的检测电力线谐波，并在实现功能的基础上控制到最低的成本。低成本的电能参数检测系统主要检测0.4 kV网络的电参数和计量电量，并传输给以Zigbee传输参数的无线电参数检测器，以最低的成本实现终端电力网络负荷统计和电能质量检测的网络化与智能化，方便电力公司部门提供高质量电能。
1 采样设备的整体结构
系统由单片机控制系统、电力供应系统、分布式信号采样与调理系统、Zigbee无线传输与组网系统等组成。分布式信号采集与调理系统作为系统采样设备的前端，负责采集220 V的实时电压和电流，并将供给电压电流通过信号调理模块调制到0～3 V的范围内，供后端的AD转换器使用。单片机控制系统控制AD转换器的采样频率，并将采取数据进行FFT，通过无线传输与组网模块将最终数据打包发送出去。无线传输模块主要进行数据的传输和自组网，保证与上位机进行数据交换可靠。设备供电系统将110～240 V的交流转换为5 V和3 V的直流电，供给其他模块使用。系统结构如图1所示。
2 采样设备的设计方案
2.1 采样与调理电路的设计
采样电路作为前端信号输入端，需要满足的要求是： 1） 采样电路能安全采样，接入采样点后不会对电力线路造成影响；2） 采样电路的采样电压和电流能够在调理电路中顺利调理；3） 调理电路需要对采集的电压信号进行偏置实现，将交流信号转换为直流信号，并且调节电压最大值不超过3.3 V。调理模块的结构如图2所示。经过调理的信号各电路的输出波形如图3所示。信号采样电路、信号偏置电路和信号放大电路如图4—6所示。
2.2 控制器模块的设计
控制器的主要作用是信号采集和数据处理。由于采集设备没有实时要求，所以采用性能比较优越的STM32F103RBT6单片机，通过自身外设DMA进行数据传输，将数据存到自身的SRAM里。采集数据是6400 次/s，所以自带的SRAM有足够的空间进行计算和暂存，运算效率高，单片机电能损耗少。硬件电路设计如图7所示。
2.3 无线通讯模块的设计
单片机将经过处理过的数据进行打包，通过无线的Zigbee模块发送出去；无线通讯模块在空闲时段处于接受模式，随时接收上位机下达的命令。硬件电路如图8所示。
3 采集设备软件设计
采样设备自动进行外部设备的初始化和对上位机的注册，注册成功后自动切换到命令等待状态，等待上位机的命令。接收到上位机的查询命令后，采集终端设备立即开启定时器和AD转换器进行6400 hZ的电压取样。存储到SRAM中，采集500 ms的数据进行FFT计算，将计算结果和原始数据封包发送给上位机，完成一次远程采样分析。
4 结论
本次设计具有低功耗、环保的特性。当关闭主机软件时，终端机可以单独的脱机运行，在不进行大数据处理的时候，单片机处于待机状态，只有CS5463处于持续的电能计量状态，能耗相对很低。电路板避免使用电解电容，且每个电容的设计都在22 uf以下，符合国家防爆标准。同时电路器中镍铬器件很少，对环境污染少，且滑轨式的安装形式使得安装更加方便。采集设备与上位机通讯稳定，比专业的谐波测试仪器价格便宜，且设备简单、可复制性非常强。通讯模式节点容量大，由Zigbee自组蜂窝式拓扑结构的网络，通讯距离，远功耗小，市场应用前景广阔。
参考文献
[1] 刘艳利.电力系统谐波检测算法研究与实现[D].济南：山东大学，2012.
[2] 严晓丹.基于改进的FFT电力系统谐波检测算法研究与实现[D]. 成都：西华大学，2012.
[3] 朱文文.电力系统谐波检测与去噪方法研究[D].南京：南京邮电大学，2013.
[4] 杨冠鲁，姚若苹，余尤好.采用加窗插值FFT与逐幅谐波消去法的电机谐波算法[J].福州大学学报（自然科学版），2006（3）：352-356.
[5] 姚旭东.基于ARM的电力系统谐波检测仪的研究与设计[D].沈阳：东北大学，2008.
[6] 赵靖.基于STM32的具有谐波分析功能的智能电表设计[D].上海：上海交通大学，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