崔華 陳北辰 趙月蕾

摘要：本文介紹了一種基于STM32F407嵌入式處理器和RN7302智能傳感器的電能質(zhì)量檢測(cè)儀設(shè)計(jì)方法。文中對(duì)儀器結(jié)構(gòu)、硬件實(shí)現(xiàn)方法、三項(xiàng)不平衡度檢測(cè)原理進(jìn)行了闡述，該檢測(cè)儀可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率、視在功率、電網(wǎng)頻率、三相不平衡度等電能參數(shù)精確測(cè)量，具有良好的工程應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：STM32F407;RN7302;電能質(zhì)量檢測(cè);三相不平衡度

中圖分類號(hào)：TM933 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）12-0184-01

結(jié)合對(duì)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)的需求，本文提出了一種基于STM32嵌入式處理器和電能質(zhì)量計(jì)量芯片的智能電能質(zhì)量檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)方案;可以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電壓、電流、功率、頻率以及三相不平衡度的精確測(cè)量，同時(shí)可以采用有線/無(wú)線方式將測(cè)量結(jié)果上傳至用戶終端;對(duì)比傳統(tǒng)基于ADC的同類儀器，該檢測(cè)儀具有測(cè)量精度高、低成本、低功耗、高可靠性、智能化等優(yōu)點(diǎn)。

1 檢測(cè)儀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能電能質(zhì)量檢測(cè)儀主要由信號(hào)采集與調(diào)理模塊、計(jì)量模塊、主控模塊、觸摸屏模塊、通訊模塊組成，其總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

檢測(cè)儀采用RN7302智能電能計(jì)量模塊，完成電網(wǎng)電壓、電流、頻率、功率因數(shù)的精確計(jì)量;選用嵌入式處理器STM32F407完成數(shù)據(jù)管理單元設(shè)計(jì)，主要完成電能計(jì)量數(shù)據(jù)的讀取與處理、人機(jī)接口和通信單元的控制等功能;儀器具備Bluetooth和GPRS通信接口，方便使用者完成對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程/本地讀取。

2 檢測(cè)儀硬件方案設(shè)計(jì)

根據(jù)電能質(zhì)量檢測(cè)的需求，完成了儀器硬件方案設(shè)計(jì)，主要包括信號(hào)采集與調(diào)理模塊、計(jì)量模塊和主控模塊。

2.1 主控模塊

檢測(cè)儀采用STM32F407處理器作為主控制器，以電阻式觸摸屏作為數(shù)據(jù)顯示與控制信號(hào)輸入設(shè)備。通過(guò)SPI總線，主控制器獲得RN7302中的電能計(jì)量數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算獲得相應(yīng)的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，根據(jù)用戶在觸摸屏中的操作指令，完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和顯示，并可通過(guò)有線/無(wú)線通信接口完成本地/遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)傳輸。

2.2 計(jì)量模塊

計(jì)量模塊電路原理如圖2所示，該模塊共有7對(duì)差分信號(hào)輸入引腳，每對(duì)引腳差分量程為800mV，分別為IAP/IAN、IBP/IBN、ICP/ICN、INP/INN，VAP/VAN、VBP/VBN、VCP/VCN，可以完成三項(xiàng)電壓、電流及中位電流的監(jiān)測(cè)功能。在電壓基準(zhǔn)REFV引腳使用10μF、0.1μF電容并聯(lián)進(jìn)行對(duì)地退耦。SCSN、SCLK、SDI、SDO引腳為SPI接口，主控模塊通過(guò)對(duì)該接口的讀寫完成系統(tǒng)配置和數(shù)據(jù)讀取。

2.3 信號(hào)采集與調(diào)理模塊

信號(hào)采集與調(diào)理模塊主要包括電流采樣和電壓采樣電路單元。電流采樣電路單元包括LCTA2DCC 5A/2.5mA電流互感器和抗混疊電路，電壓信號(hào)通過(guò)分壓電阻，經(jīng)由采樣電路送入RN7302電流采樣通道，信號(hào)范圍如下式。

（1）

電壓采樣電路單元包括LCTV3PCE 2mA/2mA電壓互感器和抗混疊電路，電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)限流電阻，經(jīng)由采樣電路送入RN7302電壓采樣通道，信號(hào)范圍如下式。

（2）

3 三相不平衡度檢測(cè)原理

三相不平衡度，指由負(fù)序分量所引起的三相不平衡的程度。εU和εI分別表示電壓和電流的不平衡度，其值為電壓或電流的負(fù)序分量與正序分量的方均根值商的百分比，如下式所示。

（3）

式中 U1為三相電壓的正序分量方均根值;U2為三相電壓的負(fù)序分量的方均根值，如果將式中的U1、U2分別換成I1、I2，即為三相電流的不平衡度。

為了計(jì)算三相不平衡度，需要引入正序、負(fù)序、零序分量;以便在電壓、電流出現(xiàn)不對(duì)稱現(xiàn)象時(shí)，將不對(duì)稱的三相分解成對(duì)稱的三序分量。本設(shè)計(jì)采用對(duì)稱分量法，將任何三相不平衡的電流、電壓或阻抗分解成為三個(gè)平衡的相量成分即正相序（、、）、負(fù)相序（、、）和零相序（、、），這樣獲得三個(gè)對(duì)稱相量與三組不對(duì)稱的相量中A相量的關(guān)系。

基于以上對(duì)A相的正序、負(fù)序、零序的分析方法，可以得出各相正序、負(fù)序、零序電壓和電流，使用RN7302獲得的數(shù)據(jù)，即可完成不平衡度檢測(cè)值的計(jì)算。

4 結(jié)語(yǔ)

基于文中提出方案，對(duì)檢測(cè)儀實(shí)體進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，電壓、電流、頻率及不平衡度等檢測(cè)結(jié)果誤差均可控制在1%以內(nèi)。該檢測(cè)儀具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、可靠性強(qiáng)、擴(kuò)展能力好等特點(diǎn)，具有良好的工程應(yīng)用價(jià)值，可以為公用配電網(wǎng)的能源監(jiān)測(cè)、無(wú)功補(bǔ)償、諧波治理等場(chǎng)合的應(yīng)用設(shè)計(jì)提供參考。

參考文獻(xiàn)

[1] 張娜.智能化電能質(zhì)量檢測(cè)儀設(shè)計(jì)[D].南京：南京理工大學(xué)，2013.

[2] 金皓.基于MSP430單片機(jī)的電能質(zhì)量檢測(cè)儀設(shè)計(jì)[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2015.

[3] 何湘黔，陳華浦.電力系統(tǒng)電能質(zhì)量檢測(cè)研究綜述[J].貴州電力技術(shù)，2013，16（11）：55-57.

[4] 徐濤.智能電網(wǎng)電能質(zhì)量檢測(cè)終端的設(shè)計(jì)[D].成都：成都理工大學(xué)，2017.

Design of? Smart Power Quality Detector

CUI Hua，CHEN Bei-chen，ZHAO Yue-lei

（College of? Information and Control Engineering， Jilin Institute of? Chemical Technology， Jilin? Jilin? 132022）

Abstract：A design of smart power quality detector based on STM32-ARM and RN 7302 is introduced in this paper，the architecture， and the realization of hardware as well as method of three-phase unbalance detector is presented. The detector can realize measurement of grid voltage， current， active power， reactive power， apparent power， grid frequency， three-phase unbalance accurately， which has good application value in engineering.

Key words：STM32F407;RN7302;power quality detector;three-phase unbalance