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基于STM32的電力諧波測(cè)試儀的設(shè)計(jì)

2014-01-02 06:16任麗棉
唐山學(xué)院學(xué)報(bào) 2014年6期
關(guān)鍵詞:測(cè)試儀電信號(hào)互感器

任麗棉

(唐山學(xué)院 信息工程系,河北 唐山063000)

0 引言

電能已經(jīng)成為現(xiàn)代社會(huì)中不可缺少的重要能源,但是,隨著科技的發(fā)展,大量的非線性電力電子設(shè)備被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代電力系統(tǒng)中,使電網(wǎng)中的電壓電流波形產(chǎn)生畸變并伴隨著各種干擾。因此電網(wǎng)諧波對(duì)電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行構(gòu)成了潛在威脅,給周圍電氣環(huán)境也帶來(lái)了極大的影響[1]。電網(wǎng)諧波的抑制以諧波檢測(cè)和分析為前提。準(zhǔn)確、快速地檢測(cè)系統(tǒng)中的諧波成分,可以鑒定電力系統(tǒng)及諧波源用戶的實(shí)際諧波水平是否符合標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。在電力設(shè)備調(diào)試、投運(yùn)時(shí)進(jìn)行諧波測(cè)量,可以確保設(shè)備投運(yùn)后電力系統(tǒng)和設(shè)備的安全及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,因此諧波檢測(cè)的意義重大。本文基于FFT和相位差校正法設(shè)計(jì)一種較高精度的電力諧波測(cè)試儀,硬件設(shè)計(jì)采用目前在電力系統(tǒng)中比較流行的基于Cortex-M3內(nèi)核的STM32芯片為主要處理器,結(jié)合電流互感器、A/D采樣電路、液晶顯示屏等構(gòu)成。

1 電力諧波測(cè)試儀的硬件結(jié)構(gòu)

本文中電力諧波測(cè)試儀的硬件設(shè)計(jì)由以下幾部分構(gòu)成:STM32處理器、電流互感器、A/D采樣電路、LCD液晶顯示屏等,其中STM32處理器內(nèi)部包含電源、儲(chǔ)存器、復(fù)位和時(shí)鐘電路。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路是首先將高電壓的電力信號(hào)經(jīng)電流互感器轉(zhuǎn)換成低電壓信號(hào),然后經(jīng)A/D采樣電路,將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊TM32上進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,經(jīng)諧波參數(shù)測(cè)試得到的各次諧波的幅值和頻率顯示在液晶顯示屏上。硬件設(shè)計(jì)總體框圖如圖1所示。

圖1 硬件設(shè)計(jì)總體框圖

1.1 互感器處理電路

本設(shè)計(jì)最終要測(cè)量的是電網(wǎng)中的電信號(hào),而電網(wǎng)中的電信號(hào)是電壓有效值為220V的高電壓信號(hào),該信號(hào)在進(jìn)入采樣電路之前,需經(jīng)過(guò)互感器處理電路轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗妷盒盘?hào),而且波形保持不變。本設(shè)計(jì)采用的是1∶1的電流互感器,它的一端串聯(lián)一個(gè)330kΩ電阻,產(chǎn)生一個(gè)小電流,然后另一側(cè)感應(yīng)出一個(gè)小電流,并且并聯(lián)一個(gè)500Ω的電阻,產(chǎn)生一個(gè)小電壓,這就實(shí)現(xiàn)了高電壓向低電壓的轉(zhuǎn)換,但是這時(shí)的信號(hào)仍不能接在采樣電路上,它還需要與一直流小信號(hào)相加,將整個(gè)波形都上移到x軸的上側(cè),使電壓值在0~3.3V之內(nèi)。電網(wǎng)電信號(hào)轉(zhuǎn)換為低電壓信號(hào)框圖結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 電網(wǎng)電信號(hào)轉(zhuǎn)換為低電壓信號(hào)框圖

1.2 數(shù)據(jù)采樣處理部分

經(jīng)電流互感器處理后的低電壓信號(hào)為模擬信號(hào),需經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換電路變換成數(shù)字信號(hào)后,方能進(jìn)入控制器進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算。對(duì)輸入信號(hào)采樣時(shí),采樣頻率應(yīng)滿足奈奎斯特采樣定理,一般來(lái)說(shuō),采樣頻率越高,得到的離散信號(hào)就越好,然后把得到的離散信號(hào)量化,將十進(jìn)制的信號(hào)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制的信號(hào)。STM32F103ZET6處理器中的ADC為12位,內(nèi)部參考電壓為3.3V。

核心控制處理芯片STM32F103ZET6是一款基于Cortex-M3內(nèi) 核 的 處 理 芯 片,封 裝 為 LQFP-144。 速 度 為90MIPS,運(yùn)行速度快,能快速地處理數(shù)據(jù),閃存為512K,SRAM為64K,容量大、方便儲(chǔ)存大量數(shù)據(jù),有2個(gè)12位的ADC,能夠更好地采集數(shù)據(jù),具有體積小、功能強(qiáng)大和性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。其包含CAN,12C,SPI和USB等通信外圍接口,也便于以后系統(tǒng)的擴(kuò)展。

2 電力諧波測(cè)試儀的軟件實(shí)現(xiàn)

軟件系統(tǒng)主要有五大模塊。分別為系統(tǒng)初始化模塊,ADC(包括AD采樣和數(shù)據(jù)處理)模塊,F(xiàn)FT和相位差校正模塊,結(jié)果計(jì)算模塊以及液晶顯示模塊。軟件設(shè)計(jì)的整體程序框圖如圖3所示。

圖3 軟件程序框圖

軟件處理中,利用FFT進(jìn)行信號(hào)頻譜分析,并利用相位差校正法對(duì)所測(cè)參數(shù)作進(jìn)一步的校正。相位差校正法一般有三種[2,3]:第一種做法是采連續(xù)兩段長(zhǎng)為N的樣本并分別進(jìn)行FFT,利用對(duì)應(yīng)譜線的相位差值校正出譜峰處的準(zhǔn)確頻率和相位;第二種做法是只采樣一段時(shí)域信號(hào),對(duì)這段序列分別進(jìn)行N點(diǎn)和N/2點(diǎn)的FFT,利用其相位差校正出峰值譜的準(zhǔn)確頻率和相位;第三種做法是先將原時(shí)域序列前N/2點(diǎn)平移N/4點(diǎn),再將前、后的N/4點(diǎn)置零形成一新序列,分別對(duì)原序列和新序列進(jìn)行FFT分析,利用對(duì)應(yīng)峰值譜線的相位差進(jìn)行頻譜校正,這些相位差校正方法各有特點(diǎn),可應(yīng)用在不同的工程實(shí)際中。經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),后兩種相位差法的頻率校正精度遠(yuǎn)不如第一種方法[4],而且第一種方法的實(shí)時(shí)性并不比其他兩種差,因此本設(shè)計(jì)采用傳統(tǒng)的第一種校正法。其校正流程如圖4所示。

圖4 第一類相位差法的頻率校正流程

3 仿真、實(shí)測(cè)驗(yàn)證與結(jié)果分析

表1 實(shí)測(cè)結(jié)果與理論結(jié)果對(duì)比表

從表1可以看出,前10次諧波(包括直流成分)的誤差均在1%左右,表明此系統(tǒng)誤差非常小。系統(tǒng)的準(zhǔn)確性驗(yàn)證后,就要測(cè)電網(wǎng)中的電信號(hào)。電網(wǎng)電信號(hào)經(jīng)過(guò)互感器處理電路接入到設(shè)計(jì)所用開(kāi)發(fā)板上,液晶顯示屏上能夠正常顯示出各次諧波的參數(shù)值。因?yàn)橹C波產(chǎn)生的原因及其特點(diǎn),決定了諧波并不是一成不變的,它是隨時(shí)隨地變化的,測(cè)試的地點(diǎn)不同,結(jié)果就不同,唯一大致不變的是基波成分,其電壓幅值為311 V,而測(cè)量的結(jié)果與這個(gè)值大致相等,并且諧波成分都非常地小,證明電網(wǎng)中的諧波成分含量很小,這也很符合實(shí)際,所以此系統(tǒng)測(cè)試電網(wǎng)中的電信號(hào)是比較準(zhǔn)確的。

系統(tǒng)在測(cè)試的時(shí)候首先選用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的三角波信號(hào)去驗(yàn)證系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和精度,同時(shí)與該實(shí)際值相比較的理論值是利用Matlab仿真測(cè)得的。由于電網(wǎng)中的電信號(hào)的基波頻率為50Hz,諧波頻率為50Hz的整數(shù)倍,而三角波的頻譜是由基波和很多次諧波組成,因此設(shè)計(jì)中用峰值3.3V,頻率50Hz的三角波信號(hào)來(lái)代替。信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的三角波信號(hào)輸入到本測(cè)試儀所測(cè)結(jié)果與Matlab仿真結(jié)果按照對(duì)應(yīng)諧波進(jìn)行對(duì)比,如表1所示。

4 結(jié)論

針對(duì)電網(wǎng)諧波的檢測(cè)和分析,設(shè)計(jì)了基于STM32的電力諧波測(cè)試系統(tǒng),可以較高精度檢測(cè)諧波的頻率和幅值。系統(tǒng)利用多通道的并行AD進(jìn)行信號(hào)采集,采用頻譜分析的方法提取信號(hào)的幅值和頻率信息,并采用相位差校正法對(duì)其作進(jìn)一步校正以提高精度。相位差校正法在硬件平臺(tái)上易于實(shí)現(xiàn),且實(shí)施硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,所得結(jié)果準(zhǔn)確性較高,有一定的參考實(shí)用價(jià)值。

[1] 劉晨曦.電力系統(tǒng)諧波檢測(cè)全相位頻譜分析研究[D].沈陽(yáng):東北大學(xué),2012.

[2] 丁康,羅江凱,謝明.離散頻譜時(shí)移相位差校正法[J].應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué),2002,23(7):729-735.

[3] 謝明,張曉飛,丁康.頻譜分析中用于相位和頻率校正的相位差校正法[J].振動(dòng)工程學(xué)報(bào),1999,12(4):454-459.

[4] 王兆華,黃翔東.數(shù)字信號(hào)全相位譜分析與濾波技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2009:52-53.

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