一种电能质量监测装置

技术领域

本发明涉及电力系统的技术领域，特别是涉及一种电能质量监测装置。

背景技术

随着用电需求的不断增加，各种电力电子设备大量地接入电网，使得电网中产生谐波、电压波动和电压闪变等问题，严重影响了电力系统的安全与稳定，用户侧的电子设备也会受到电力系统电能质量的影响。此外，目前通用的分布式发电技术也会影响电力系统的供电质量，如分布式发电功率随机变化，会引起电压波动、电压闪变等电能质量问题，给电力系统的稳定运行带来新的挑战。因此，电网电能质量的监测尤为重要，研制满足电力工业需求的电能质量监测装置对研究电能质量问题具有重要意义。

目前，传统电能质量监测装置大多基于8位或16位单片机设计实现，存在处理速度慢，硬件结构不够完善等缺点。为了克服这个缺点，有些电能质量监测装置采用DSP处理器，虽然处理速度快、精度高，但成本较高，功耗太大。

因此，针对上述问题，有必要提供一种既能有效监测电能质量，又具有低功耗、合理的处理速度的电能质量监测装置。

发明内容

针对上述问题和缺陷，本发明实施例提出一种既能有效监测电能质量，又具有低功耗、合理的处理速度的电能质量监测装置。本发明实施例提供的电能质量监测装置基于高性能单片机STM32F405而设计的监测电路，可实现对电信号的基波电压、基波电流、功率因数、谐波电压、谐波电流和基波功率的有效测量。

为了实现上述目的，本发明一实施例提供的技术方案如下：一种电能质量监测装置包括信号采集电路，包括互感器和采样电阻，所述互感器的原边连接交流电，所述互感器的副边跨接所述采样电阻；信号调理电路，包括放大器电路，所述放大器电路的正输入端与所述采样电阻连接，所述放大器电路用于将信号采集电路的输出信号调理成控制电路可处理的信号；控制电路，基于单片机实现信号的计算处理，所述单片机的一个输入端口与所述放大器电路的输出端连接；人机交互电路，包括显示单元，所述显示单元与所述单片机的一个输出端口连接，用于接收并显示所述输出端口输出的信息。

作为本发明的进一步改进，所述单片机采用STM32F405。

作为本发明的进一步改进，基于所述STM32F405单片机的最小系统包括系统时钟、定时器、A/D采样单元和显示驱动单元。

作为本发明的进一步改进，所述A/D采样单元采用的采样算法为将非正弦周期信号的时间连续信号等间隔采样，将所述等间隔采样的采样值依次转换成数字序列，将所述数字序列等分成四个数字序列，对所述四个数字序列分别进行谐波分析。

作为本发明的进一步改进，所述互感器包括电流型电压互感器或者穿心式电流互感器。

作为本发明的进一步改进，所述互感器为电流型电压互感器时，所述互感器的原边跨接限流电阻。

作为本发明的进一步改进，所述信号调理电路中还包括电容，所述电容的两端分别连接在所述放大器电路的负端输入端和输出端。

作为本发明的进一步改进，所述放大器电路中的运算放大器采用TLV2371。

作为本发明的进一步改进，所述电能质量监测装置还包括基准电源模块，用于给所述运算放大器和所述单片机提供电能。

作为本发明的进一步改进，所述基准电源模块包括基于MC1403D芯片的电源电压电路。

本发明具有以下优点：

本发明实施例提供的电能质量监测装置基于高性能单片机STM32F405而设计的简易监测电路，并且采用基4FFT算法对输入信号进行计算，可以准确、快速地计算出工频交流电的基波电压、基波电流、功率因数、基波功率、谐波电压和谐波电流等参数，可实现对电信号的基波电压、基波电流、功率因数、谐波电压、谐波电流和基波功率的有效测量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种电能质量监测装置的结构示意图；

图2为图1所示实施例中的电压前端采集电路的示意图；

图3为图1所示实施例中的电流前端采集电路的示意图；

图4为图1所示实施例中的信号调理电路的示意图；

图5为图1所示实施例中的供电电路的示意图；

图6为图1所示实施例中的控制电路中单片机的主程序流程示意图。

附图中的标记说明：

100、电能质量监测装置 1、信号采集电路

2、信号调理电路 3、控制电路

4、人机交互电路

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供一种电能质量监测装置的结构示意图。在该实施例中，电能质量监测装置100包括信号采集电路1，信号调理电路2，控制电路3和人机交互电路4。位于信号前端的采集电路1采用电压互感器或者电流互感器和电阻电路变换电压或者电流信号，信号经处理后送入以运算放大器为主的信号调理电路2中，转换得到幅值大小合适的电压或者电流信号，再送入以单片机STM32F405组成的CPU电路(即控制电路)进行计算和显示，人机交互电路4采用LM240120BCW液晶显示模块(即显示单元)，显示当前测量的基波电流和电压、谐波电流和电压、基波功率值。

为便于控制电路3中单片机对交流信号的电压、电流幅值进行测量，待测信号首先需通过由电压互感器或者电流互感器和采样电阻组成的信号前端采集电路，得到幅值较小的交流信号。信号采集电路1包括互感器和采样电阻，其中，互感器的原边连接交流电(即待测信号)，互感器的副边跨接采样电阻。根据待测信号是交流电压或者交流电流，信号采集电路1分别采用对应的电压前端采集电路或者电流前端采集电路。

如图2所示，本实施例提供的一种电压前端采集电路的示意图。在该实施例中，电压前端采集电路采用2mA/2mA的电流型电压互感器DL-PT202H1，饱和电压为4V。电流型电压互感器原边跨接一个100KΩ的限流电阻，可将电压信号转换成2mA左右的电流信号送入电流型电压互感器，电流型电压互感器副边按1:1等比输出2mA左右的电流信号。电流型电压互感器副边上跨接一个200Ω采样电阻，采样电压小于电流型电压互感器饱和电压，可采用直接电阻采样法。高电压信号通过该电路转换成低电压信号，后续送入信号调理电路。电压信号转换前精度为千分之五，转换后精度提升为千分之一。根据图2所示电路设计，信号前端采集电路的输入输出信号的计算公式如公式1所示：

V

其中，V

如图3所示，本发明实施例提供的一种电流前端采集电路的示意图。在该实施例中，电流前端采集电路采用10A/5mA的穿心式电流互感器DL-CT1005AP，该穿心式电流互感器精度高，一致性好，主要用于电流精密测量与保护。原电流信号输入穿心式电流互感器，穿心式电流互感器副边按2000:1的变比输出电流小信号，穿心式电流互感器的副边上跨接一个200Ω采样电阻，采样电压小于穿心式电流互感器饱和电压2.8V，可采用直接电阻采样法。原电流信号通过该电路转换成低电压信号，后续送入信号调理电路。

本发明实施例中控制电路3中所采用的单片机STM32F405的ADC采样范围为0～3.3V，而经信号采集电路1处理输出的信号幅值范围是-1.5V～1.5V左右，不能直接送入单片机进行计算。因此，待检测信号经过信号采集电路1后，需要送入信号调理电路2进行处理，得到0～3.3V的电压信号。由于电压处理电路和电流处理电路中的信号调理电路相同，本发明实施例仅以电压信号为例进行详细阐述。

如图4所示，本发明实施例中的信号调理电路的示意图。在该实施例中，低电压信号送入信号调理电路2，经过放大器电路和一个电阻I/V转换，得到可供单片机STM32F405测量的电压信号。在该实施例中，运算放大器U4选用TLV2371，TLV2371具有满电源幅度输出功能，同时具有高阻抗传感器接口的CMOS输入特性以及低压运行功能，电源电压范围为2.7V～16V，供电电压范围广。优选地，信号调理电路2中增加C25用于对互感器产生的相位变化进行补偿。其中，R23和C26可滤除5KHz以上的信号。如图4所示的信号调理电路3中，电压转换的计算公式如公式2所示：

式中，V

优选的，在该实施例中，电能质量监测装置100还包括基准电源模块，用于给上述运算放大器和单片机提供电能。如图5所示，本发明实施例中的供电电路的示意图。供电电路的基准电源模块包括MC1403D芯片。该供电电路是高精度低温度漂移的基准电压电路，输出电压+2.5V，输出电流10mA。MC1403D芯片输出电压的温度系数为零，即输出电压与温度无关，可作为参考电压源。

本发明实施例中，控制电路3中的主处理器采用ST公司开发的单片机STM32F405。单片机STM32F405与前代STM32系列单片机相比，其具有功耗低、速度快、性能强的优势。STM32F405是基于ARM Cortex-M4内核的32位闪存微控制器，处理速度为168MHz/210DMIPS，集成1MB的Flash和多达192+4KB的RAM，具有高性能的信号处理和浮点运算能力。同时，STM32F405带有多重AHB总线矩阵，DMA控制器和3路I2C接口，集成了单周期的DSP指令和FPU并行计算功能，支持程序执行和数据传输并行处理。数据可以通过DMA直接传输，在I2C总线读取数据到缓冲区，提高数据的采样和处理速度，使程序的执行效率显著提高。

基于STM32F405单片机的最小系统包括系统时钟、定时器、A/D采样单元和显示驱动单元。如图6所示，本发明实施例中的控制电路中单片机的主程序流程示意图。待测信号通过信号采集电路1和信号调理电路2的转换后送至单片机STM32F405，由单片机内部STM32F405的A/D采样和基4FFT计算出输入信号的有效值和各频率分量，再根据电压、电流的有效值和相位差计算出基波功率、基波功率因数，在液晶屏上将测量结果显示出来。

在该实施例中，单片机内部STM32F405的A/D采样采用DMA双缓冲结构，程序主要步骤如下：分配两块同样大小的内存作为DMA目标地址，分别称为缓存1、缓存2；配置DMA模式，缓存1或缓存2作为目标地址接收数据；接收到DMA中断，则转换DMA配置模式，如此不断循环，缓存1、缓存2轮流作为目标地址接收数据，同时处理、应用另一缓存区内已接收到的数据。由此可见，使用DMA双缓冲结构不仅可以实现同时接收和处理数据，从时域上保证采样的连续性，而且具有循环特性，对存储区的空间容量要求大大降低，减少CPU的负荷。

如本领域技术人员所知，FFT的基本思想是对非正弦周期信号的时间连续信号用采样装置等间隔采样，并把采样值依次转换成数字序列，然后借助计算机进行谐波分析。FFT充分利用DFT计算式中指数因子的对称性和周期性，删除重复计算，减少乘法运算，计算速度更为高效。基2FFT算法是把序列每次一分为二，最后分割成两点DFT。本发明实施例，在FFT算法的基础上，每次将序列一分为四，得到了计算效率更高的基4FFT算法。基4FFT算法的处理结构由蝶形运算单元组成，通过将运算过程中的复数操作数和旋转因子重新排列，将流水线方式与并行结构思想相结合，可以用循环序列表示基4FFT计算结构的递推关系，大量减少计算过程中的加法和乘法次数，节省大量的逻辑资源，减小核心单元的面积，提高设计的灵活性。由此可见，基4FFT算法具有运算量较少，运算效率较高等优点。

程序设计中，输入信号经A/D采样后，采样数据被放入FFT输入缓冲区，进行基4FFT运算。基4FFT子程序找到输入信号的极大值点数，将其对应的下标存在数组中，通过寻找极大值得到各频率分量，根据数组中存放的傅里叶变换的实部和虚部求出信号的有效值及相角等数据，在LCD屏上显示测量结果。

本发明实施例提供的电能质量监测装置基于高性能单片机STM32F405而设计的简易监测电路，并且采用基4FFT算法对输入信号进行计算，可以准确、快速地计算出工频交流电的基波电压、基波电流、功率因数、基波功率、谐波电压和谐波电流等参数，可实现对电信号的基波电压、基波电流、功率因数、谐波电压、谐波电流和基波功率的有效测量。该电能质量监测装置结构简单，性能稳定，操作便捷，测量准确，测量速度快，具有较强的实用价值。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。