中铁十二局集团电气化工程有限公司
摘要：提出了一种基于RS485的多回路电能监测及计量装置，并设计了装置的硬件电路和系统软件。此装置能够详细监测低压配电的总线及各出线的电能参数及电能消耗，保证了用电的经济性和安全性。
关键词：RS485；电能监测；傅里叶变换；多回路
Abstract：This paper presents a multi-loop electric parameter monitoring device，and designed hardware circuit and system software are given. Can detailed monitoring into line and electrical parameters and power consumption of each outlet to ensure the economy and safety of electricity.
Key words：RS485; Electricity monitoring; The Fourier transform;Multi-loop
0引言
电能的计量、监测与管理，是实现节能减排和保证用电质量的基础。基于网络的电能管理系统，就是通过通信网络对各类能耗实行精细计量、实时监测、智能处理和动态管控，达到精细化管理的目标。而低压配电出线较多，传统监测装置配线复杂，成本昂贵。因此，研制一种能够便捷组网并能精细测量多回路电能参数的电能监测及计量装置至关重要。
1系统概述
基于RS485的多回路电能监测及计量装置，可监测3路220V电压信号和36路电流信号。由RS485通信模组、电压电流采集单元、中央处理器、多回路CT条等功能模块组成。各个功能模块由中央处理器统一调度，将进线和各出线回路的电压电流信号进行信号分析，计算出功率因数、谐波分量等参数，对异常用电事件进行报警，并对消耗电能进行实时计量。装置通过RS485通信电缆将数据传送到后台监控室，实现了各回路的能耗计量、监控和管理。
2硬件设计
2.1 CPU模块
在装置中，CPU采用意法半导体微控制器中具备M4内核的STM32F303系列，实现数据采集和计算。M4核心（具备FPU和DSP指令）运行在72 MHz，大量集成模拟外设，内置RTC实时时钟、可编程flash、39路AD采集端口、DAC及串行数据总线。主要在应用程序级别较高，降低成本并简化应用程序设计的场合。谐波分析和多路电参数的测量，计算量较大，具备FPU和DSP指令的M4内核处理器可较好的满足需求。
CPU资源配置如下图：
2.2 RS485通信模块
RS485通信模块采用ADI公司的ADM2587芯片，ADM2587E采用isoPower?集成式隔离DC/DC技术，是一款隔离的RS-485/RS-422收发器，可配置成半双工或全双工模式，通信速率分别为数据速率：16 Mbps/500kbps，采用20引脚宽体SOIC封装，管脚兼容，其额定工作温度范围为工业温度范围（?40°C to +85°C）。ADM2582E/ADM2587E具备过热关断特性，能够防止输出短路，可防止温度过高时芯片因电源的过度损耗而毁坏。其性能稳定可靠，保证了通信的可靠性。通信接口增加了TVS保护电路，防止过压保护，电路图如下：
2.4多回路CT条
CT条具有36个精密微型电流互感器，可监测36路交流电流，变比可根据监测电流大小选配。采用穿心式结构便于现场的嵌入式安装。
3软件设计
3.1系统控制流程图
3.2应用快速傅里叶变换进行电压电流测量及谐波分析
傅里叶变换是数字信号处理领域一种很重要的算法。傅里叶原理表明：任何连续测量的时序或信号，都可以表示为不同频率的正弦波信号的无限叠加。而根据该原理创立的傅里叶变换算法利用直接测量到的原始信号，以累加方式来计算该信号中不同正弦波信号的频率、振幅和相位。
快速傅氏变换，是离散傅氏变换的快速算法，它是根据离散傅氏变换的奇、偶、虚、实等特性，对离散傅立叶变换的算法进行改进获得的。它对傅氏变换的理论并没有新的发现，但是对于在计算机系统或者说数字系统中应用离散傅立叶变换，可以说是进了一大步。
快速傅立叶变换FFT的C语言程序
// 入口参数：
// l：l = 0，傅立叶变换; l = 1，逆傅立叶变换
// il：il = 0，不计算傅立叶变换或逆变换模和幅角；il = 1，计算模和幅角
// n：输入的点数，为偶数，一般为32，64，128，...，1024等
// k：满足n=2^k（k>0），实质上k是n个采样数据可以分解为偶次幂和奇次幂的次数
// pr[]：l=0时，存放N点采样数据的实部
// l=1时，存放傅立叶变换的N个实部
// pi[]：l=0时，存放N点采样数据的虚部
// l=1时，存放傅立叶变换的N个虚部
//
// 出口参数：
// fr[]：l=0，返回傅立叶变换的实部
// l=1，返回逆傅立叶变换的实部
// fi[]：l=0，返回傅立叶变换的虚部
// l=1，返回逆傅立叶变换的虚部
// pr[]：il = 1，l = 0 时，返回傅立叶变换的模
// il = 1，l = 1 时，返回逆傅立叶变换的模
// pi[]：il = 1，l = 0 时，返回傅立叶变换的辐角
// il = 1，l = 1 时，返回逆傅立叶变换的辐角
void kbfft（double *pr，double *pi，int n，int k，double *fr，double *fi，int l，int il）
{
int it，m，is，i，j，nv，l0;
double p，q，s，vr，vi，poddr，poddi;
//排序
for（ it=0; it<=n-1; it++）
{ m=it; is=0;
for（ i=0; i<=k-1; i++）
{ j=m/2; is=2*is+（m-2*j）; m=j;
fr[it]=pr[is]; fi[it]=pi[is];
}
}
//蝶形运算
pr[0]=1.0; pi[0]=0.0;
p=6.283185306/（1.0*n）;
pr[1]=cos（p）; pi[1]=-sin（p）;
if（ l!=0）pi[1]=-pi[1];
for（ i=2; i<=n-1; i++）
{ p=pr[i-1]*pr[1]; q=pi[i-1]*pi[1];
s=（pr[i-1]+pi[i-1]）*（pr[1]+pi[1]）;
pr[i]=p-q; pi[i]=s-p-q;
}
for（ it=0; it<=n-2; it=it+2）
{ vr=fr[it]; vi=fi[it];
fr[it]=vr+fr[it+1]; fi[it]=vi+fi[it+1];
fr[it+1]=vr-fr[it+1]; fi[it+1]=vi-fi[it+1];
}
m=n/2; nv=2;
for（ l0=k-2; l0>=0; l0--）
{ m=m/2; nv=2*nv;
for（ it=0; it<=（m-1）*nv; it=it+nv）
for（ j=0; j<=（nv/2）-1; j++）
{ p=pr[m*j]*fr[it+j+nv/2];
q=pi[m*j]*fi[it+j+nv/2];
s=pr[m*j]+pi[m*j];
s=s*（fr[it+j+nv/2]+fi[it+j+nv/2]）;
poddr=p-q; poddi=s-p-q;
fr[it+j+nv/2]=fr[it+j]-poddr;
fi[it+j+nv/2]=fi[it+j]-poddi;
fr[it+j]=fr[it+j]+poddr;
fi[it+j]=fi[it+j]+poddi;
}
}
if（ l!=0）
for（ i=0; i<=n-1; i++）
{ fr[i]=fr[i]/（1.0*n）;
fi[i]=fi[i]/（1.0*n）;
}
if（ il!=0）
for（ i=0; i<=n-1; i++）
{ pr[i]=sqrt（fr[i]*fr[i]+fi[i]*fi[i]）;
pr[i]=（pr[i]/（n/2））; //各次谐波幅值，其中pr[1]为基波幅值
if（ fabs（fr[i]）<0.000001*fabs（fi[i]））//fabs（）是取绝对值函数，浮点型的0 在内存中并不是严格等于0，可以认为当一个浮点数离原点足够近时，也就是f>0.00001 && f<-0.00001，认为f是0
{ if（（ fi[i]*fr[i]）>0）pi[i]=90.0;
else pi[i]=-90.0;
}
else
pi[i]=atan（fi[i]/fr[i]）*360.0/6.283185306;
}
return;
}
4 结语
基于RS485通信的多回路电能监测装置具有可靠性、灵敏性、灵活性、快速性等特点，可监测3路交流电压回路和36路交流电流回路，具备RS485通信接口，能够便捷组网并能精细测量多回路电能参数。解决低压配电出线较多，传统监测装置配线复杂，成本昂贵的问题。
参考文献：
[1] 肖湘宁.电能质量分析与控制. 中国电力出版社.2010.
[2] 程浩忠.电能质量概论.中国电力出版社，2013.
[3] Loukas Grafakos. Classical and Modern Fourier analysis. 2006
[4] 黄勤.单片机原理及应用.清华大学出版社.2010.
[5]〔德〕顾樵.数学物理方法.2012.
论文作者:李进
论文发表刊物:《北方建筑》2016年12月第36期
论文发表时间:2017/3/31
标签：傅立叶论文; 电能论文; 回路论文; 装置论文; 通信论文; 信号论文; 电流论文; 《北方建筑》2016年12月第36期论文;