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摘要：介绍了一种以STM32F103ZG单片机技术的电能质量检测系统，给出了本系统硬件的结构框图和软件的流程图。通过实验观察，该系统能良好的对电网中电能质量的各项参数进行数据采集、处理和分析，具有较强的实用性。
关键词：电能质量；检测；STM32F103ZG单片机
前言
在现代信息化社会里，一方面，现代用电设备对电能质量的要求比传统设备更高，许多新的装置都带有基于微处理器的控制器和功率电子器件，对电能质量的要求比以前要高得多。而另一方面，由于大量非线性电力电子设备、非对称性用电设备、冲击性用电设备的逐年增多，使电能质量出现了恶化的趋势，越来越不能满足现代用电的要求，而且严重影响了电网发、供、用电设备的安全稳定运行。为此应研制相应的电能质量检测装置，以便对电能质量指标进行检测分析，更好地进行电能质量的治理，保证电网和供电设备的安全可靠运行。本文介绍了一种以 STM32F103ZG 单片机技术的电能质量检测系统，给出了本系统硬件的结构框图和软件的流程图。
STM32F103ZG1 系统硬件设计
1.1 电能质量检测装置的硬件框图
该装置由电压互感器、模拟低通滤波器、采样保持器、多路转换开关、A/D 转换器、单片机、LCD 液晶显示模块、键盘等组成，如图1所示。
它以STM公司32位单片机STM32F103ZG为核心，测试时，从电压互感器的次级引入输入信号，通过模拟低通滤波电路、采样保持器，同时对三相电压信号进行采 样，然后送入A/D 转换器中进行转换，在通过STM32 位单片机 STM32F103ZG 对采集到的信号进行数据处理和分析，定时检测电能质量的各参数，在利用LCD 液晶显示器将电压、频率的变化以及谐波含量显示出来。
1.2 检测装置的功能
该装置可以对变电站的母线电压进行检测，也可以对某出线的三相电压进行检测，可以测量计算出三相电压的有效值、电网的频率、电压中各次谐波的含量及谐波的总含量，三相电压的不平衡度，在出现电压闪变的情况下对闪变的性质进行分析，并记录闪变暂态过程中的电压波形。该装置完成如下基本的实时任务：
1.2.1 数据采集：电压信号的采样点由采样保持器采集，并通过 A/D转换器 AD574 获得数字信号。单片机的硬件电路在信号的50 Hz的周期中，每周期设置64个采样点。对应于基波频率50 Hz 实际的采样频率为3200 Hz。
1.2.2 数据暂存：6264 数据存储器用于存放采样获得的数据和分析后的实时数据。
1.2.3 数据分析：由于采样点不与输入信号的基波频率严格同步会带来频谱泄漏现象，给分析带来误差。
1.2.4 数据通讯：将分析结果传给工控机。工控机能以多种方式与变电站微机监控系统、调度自动化系统等进行通讯。
1.3 数据的采样与转换
1.3.1 采样保持电路
该装置采用的采样保持电路芯片为LF-398。其原理图如图2所示。
该芯片主要由2个高性能运算放大器 A1、A2 构成的跟随器组成。A2 是典型的跟随器接法，芯片的输出端直接与 A2 的反相端连接。因运算放大器的开环放大倍数非常高，两个输入端之间的电位差实际上为0，所以输出端对地电压能跟踪上输入端对地电压，也就是保持电容Cb两端的电压。A1 的接法和 A2 实质相同，在采样状态其反相输入端从输出端经电阻R获得负反馈，使输出跟踪输入电压。在 Ak 断开后的保持阶段，A2的模拟量输入在变化，输出电压不再变化，A1不能再从A2的输出端获得负反馈，为此在A1 的输出端和反相输入端之间跨接了两个反向并联的二极管，配合电阻 R，起到隔离第1级与第2 级输出的联系，而直接从A1的输出端经过二极管获得负反馈，以防止A1进入饱和区。
1.3.2 A/D 转换器
该装置可对变电站母线或出线的三相电压共3路模拟输入信号在同一时刻进行采样，保证了一次采样中的电压同步。3路模拟输入信号分别通过3个采样保持器LF398 同时采样并保持，然后由多路模拟转换开关依次送入AD574 中进行A/D 转换。
1.4 通讯方式的选择
考虑到现场的需要、成本的高低、维修的方便，本设计中选用 RS-485 总线方式来实现单片机板和工控机之间的通讯。
1.5 数据处理模块
数据处理模块的功能是实现实时处理和计算数据，提供给存储和显示模块，由单片机板上传的数据为原始采样数据和分析得到的谐波数据，根据这些数据可进一步分析得到所需的电能质量指标的值。
1.6 数据存储和显示模块
数据存储模块的功能是定时从输入缓冲器中读取数据，并存放起来以供方便的分析。
数据显示模块的功能是将检测结果以曲线、表格等形式显示给用户，让用户对当前的电能质量状况有一了解，还可以通过它得到电压的幅值，发现信号的主要变化和明显的畸变，使用户一目了然。
2 软件的设计
2.1 系统软件的功能
2.1.1 硬件自动检测并开中断进行数据采集和处理。
2.1.2 将处理过的数据通过显示器显示出来。
2.1.3 若发现采集到的数据有错误时，发出故障处理信号，显示故障的类型并报警。
2.2 主程序流程图
主程序的功能：系统启动后首先进行系统初始化操作，然后依据主程序的设定和采集到的各参数进行分析，依次判断电压、频率、三相电压不平衡度是否正常，如果都正常则显示出来，供工作人员进一步研究。如果某项参数不正常，则转入故障处理子程序，显示故障的类型并报警。主程序流程图如图3所示。
3 结语
电能质量检测技术的研究是一个涉及面比较广的问题，本论文阐述了改善电能质量的重要性和迫切性，并提出了基于 STM32F103ZG单片机技术的电能质量检测系统，经多次实验观察，该系统能良好地对电网中电能质量的各项参数进行数据采集、处理和分析，具有较强的实用性。
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论文作者:张建才,史俊滔
论文发表刊物:《电力设备》2015年8期供稿
论文发表时间:2016/3/10
标签：电能论文; 质量论文; 电压论文; 相电压论文; 数据论文; 单片机论文; 信号论文; 《电力设备》2015年8期供稿论文;