久久久国产综合视频_免费国产高清a在线视频_亚洲不卡AV影片在线播放_豆洲成人a∨视频在线

客戶服務(wù)

02月22日 2020

基于STM32的電能質(zhì)量監(jiān)測記錄分析技術(shù)研究

發(fā)布者:虹潤集團

引言

       隨著電力系統(tǒng)規(guī)模不斷擴大以及現(xiàn)代化設(shè)備的不斷增加,尤其是大量非線性電力負荷的應(yīng)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(diào)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)量的問題越來越重視,因此,有必要對電網(wǎng)供電的各項參數(shù)進行監(jiān)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(jiān)測記錄分析系統(tǒng)設(shè)計方案,集基本電量測量、電能計量、電能質(zhì)量分析、電量監(jiān)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(wǎng)中的多相測量。能精確、可靠地記錄各個電量參數(shù),提供用于評估工廠用電狀態(tài)和配電網(wǎng)質(zhì)量的重要數(shù)據(jù)。STM32F4是基于ARM Cortex-M4內(nèi)核的32位高效數(shù)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(tài)功耗控制和豐富的片上資源,方便了硬件設(shè)計并降低了硬件成本,使設(shè)計更簡單可靠,具有較高的應(yīng)用價值。

       1  電能質(zhì)量監(jiān)測分析記錄儀總體設(shè)計方案

       本系統(tǒng)根據(jù)國家制定的電能質(zhì)量相關(guān)標準進行設(shè)計,系統(tǒng)框圖如圖1所示。 系統(tǒng)通過信號采樣AD轉(zhuǎn)換模塊采集電壓、電流,數(shù)字信號控制器獲得采樣數(shù)據(jù)后進行實時電參數(shù)計算和分析,將結(jié)果顯示到TFT液晶屏上,并根據(jù)計算出的參數(shù)觸發(fā)相應(yīng)的邏輯控制,通過SD卡、NAND FLASH和鐵電存儲器記錄參數(shù),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(shù)據(jù),提供USB接口用以轉(zhuǎn)存歷史數(shù)據(jù),預留DB9打印接口擴展微型打印機打印輸出歷史數(shù)據(jù)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(shù)、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(qū)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(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/不對稱電壓/電流等;

       6)電量監(jiān)視與記錄:可監(jiān)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(shù)等;

       7)事件報警與事件記錄,可對各個電量設(shè)置報警參數(shù),包括最大事件數(shù)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(shè)計方案

       2.1 STM32 F4數(shù)字信號控制器簡介

       系統(tǒng)以意法半導體突出的以基于ARM® Cortex™-M4為內(nèi)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(shù)運算單元,內(nèi)置512M字節(jié)閃存和192K字節(jié)SRAM,具有豐富的片上外設(shè),包括本系統(tǒng)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(nèi)部時鐘等。較市場上同類微處理器具有功能強,價格低,開發(fā)使用方便等優(yōu)勢。

       2.2 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)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(zhuǎn)換為小信號后,經(jīng)二階低通濾波送至AD芯片進行轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換速率滿足系統(tǒng)對快速采樣轉(zhuǎn)換的需求,且信噪比達到91.5dB。


       2.3 存儲設(shè)計

       系統(tǒng)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(tǒng)參數(shù)和各種事件,當系統(tǒng)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(xiàn),用于存儲歷史電量記錄數(shù)據(jù),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(shè)實現(xiàn),用于數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)存及程序、圖庫、參數(shù)的現(xiàn)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(shù)據(jù)并為電量記錄提供斷電記憶功能。

       2.4 顯示模塊設(shè)計

       系統(tǒng)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(shù)據(jù)和曲線。運用RA8875作為顯示驅(qū)動芯片,提供低成本的8080并列式微控制器接口,內(nèi)建768K顯示內(nèi)存,支持2D的BTE引擎可處理大量圖形數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換與傳送,同時內(nèi)建幾何圖形加速引擎,可大量節(jié)省使用者軟件開發(fā)的時間,并提升微控制器軟件的執(zhí)行效率。

       2.5 通信模塊設(shè)計

       系統(tǒng)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行隔離,穩(wěn)定通信波特率最高可達38.4K,并通過瞬態(tài)抑制二極管對接口做了過壓保護,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(shè)通過簡化介質(zhì)獨立接口 (RMII)和外部快速物理層LAN8720A芯片實現(xiàn),RJ45接口內(nèi)部集成了1:1變比的信號變壓器,實現(xiàn)信號的隔離保護,提高通訊的抗干擾性能,具體實現(xiàn)原理如圖2.5.2所示。

       3  軟件設(shè)計方案

       3.1 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計

       軟件設(shè)計基于RealView MDK4.23開發(fā)平臺,通過JLINK V8與目標板連接調(diào)試代碼。系統(tǒng)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(tǒng)各個功能模塊和所有參數(shù)的初始化及自檢,系統(tǒng)參數(shù)采用帶校驗因子的和校驗方式進行自檢,并設(shè)有兩個備份區(qū),當參數(shù)校驗出錯時將獲取備份參數(shù),如果兩份備份參數(shù)都無效,系統(tǒng)進行故障報警并顯示故障代碼,將系統(tǒng)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(jié)果執(zhí)行相應(yīng)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(shù)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(shù)據(jù)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)的輪詢處理,并處理UDP和TCP數(shù)據(jù)報文[4],數(shù)據(jù)報文同樣采用Modbus-RTU協(xié)議;

       中斷處理程序:負責進行快速的AD采樣、485通訊數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送以及邏輯處理。

       3.2 采樣數(shù)據(jù)處理

       3.2.1基本電量參數(shù)計算

       系統(tǒng)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(jiān)測每一個周波,處理器必須在一個周波之內(nèi)完成電量的計算,保證出現(xiàn)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(shù)據(jù)。

       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(shù)組,N=256為每周波采樣點數(shù),下同。

       有功功率計算公式:

       注:式中u[n]為電壓采樣值數(shù)組,i[n]為電流采樣值數(shù)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(tǒng)參數(shù)選擇。其他基本參數(shù)可通過以上參數(shù)計算得出,不再贅述。

 

       3.2.2 電能質(zhì)量參數(shù)計算

       諧波的測量在電能質(zhì)量分析中至關(guān)重要,在進行數(shù)字采樣頻譜分析時,由于電網(wǎng)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(tǒng)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(tǒng)采用軟件頻率跟蹤技術(shù),根據(jù)測得的頻率實時調(diào)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(qū)別暫態(tài)現(xiàn)象和諧波,每次測量結(jié)果可取3S內(nèi)的平均值[2]。采用式(3)計算:

       式中:Uhk為3s內(nèi)第k次測得的h次諧波的均方根植;m≥6為3s內(nèi)取均勻間隔的測量次數(shù)。

       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(shù),這里取63。

       相應(yīng)的電流參數(shù)以此類推,此外系統(tǒng)還可提供電流電壓波峰系數(shù)、電流K系數(shù)等參數(shù)作為電能質(zhì)量優(yōu)劣的參考。

       3.3  電量記錄

       系統(tǒng)能記錄測量到的基本電量參數(shù),記錄的間隔固定為1S。系統(tǒng)不間斷的向鐵電存儲器寫入記錄的數(shù)據(jù)(斷電后在上電初始化時將數(shù)據(jù)補足),當數(shù)據(jù)量達到4K字節(jié)時再以文件形式寫入NAND FLASH,若NAND FLASH存儲空間已經(jīng)寫滿,將寫入外部存儲器SD卡,若SD卡未檢測到,將循環(huán)覆蓋NAND FLASH空間。

       4  結(jié)束語

       本文介紹了一種儀表式的電能質(zhì)量監(jiān)測記錄分析儀的硬件和軟件實現(xiàn)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(tǒng)的處理速度和數(shù)據(jù)采樣速度,提供了全面的、高精度的電網(wǎng)參數(shù),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)投入也方便了用戶使用??傊撓到y(tǒng)具有功能全面、測量精準、操作便捷和易于安裝等優(yōu)勢,有著十分廣闊的應(yīng)用前景。

咨詢電話 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

? 版權(quán)所有 福建順昌虹潤精密儀器有限公司 閩ICP備05020565號-1