供配电节能监测系统终端设计范文

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《电气应用杂志》2014年第十二期

一、节能监测系统总体结构及监测终端硬件结构

1.节能监测系统整体结构根据中华人民共和国GB/T16664—1996的要求，需要监测变压器日负荷率、变压器负载系数、线损率及企业用电体系功率因数。企业节能监测系统由上位机(计算机)、n个变压器检测终端及通信总线组成，其结构框图如图1所示。检测终端在一个检测周期内，将检测到的变压器用电体系最大负荷、平均负荷、变压器工作电压、电流、功率传送给计算机，由计算机计算日负荷率、负载系数线损率及用电体系的功率因数，以达到节能检测的目的。以上参数的计算参见GB/T16664—1996及附件。2.节能监测系统终端硬件结构及工作原理根据系统测量参数要求，变压器实际负荷在线检测系统主要由单片机电路及其外围器件、采样电路、A－D转换电路和电源电路等组成。系统总体框图如图2所示。三相电压、电流采样信号分别送入16位6通道同时采样AD芯片AD7656。处理器采用Cortex－M3家族的STM32F103。系统中，A相电压正弦信号经波形变换电路变换成矩形波，然后经锁相环电路进行倍频，该频率信号中断M3单片机，用以控制启动A－D转换。这样，一个周期内，AD7656－1对正弦信号进行等间隔采样N点数据，经单片机对采样的信息进行分析处理，得到需要的电压、电流有效值、有功功率、无功功率、功率因数，并在每个整点时刻，将测量的数据保存起来，以便上传上位机。

二、系统硬件设计

1.采样电路设计测试终端采样电路包括电压、电流采样，原理图如图3和图4所示。图3为电流采样电路(三相相同)，CT为采样电流信号的钳形互感器，CT输出的二次电流信号转换为电压信号以后，经跟随器送入同相放大器进行信号放大，使得输出信号达到A－D转换器的最佳工作状态。图4为电压采样电路(三相)，被测电压信号经过衰减，分两路信号送后续电路，一路经同相放大调整到A－D转换器最佳工作幅度VO2;另一路经比较器转换为矩形波VO1，送入后续锁相环电路，将该频率信号N倍频，以控制A－D转换器在一个交流周期内的采样点数。2.A－D转换器与M3处理器接口电路设计(1)AD7656－1与STM32接口电路设计由于AD7656－1产生的基础数据总量庞大，为了尽量少地占用CPU时间，采用并行接口方式连接，电路图如图5所示。AD7656－1是AD7656的升级版，内置三对六路采样保持器，使得三对ADC可同时采样，AD7656－1内置的16位快速、低功耗逐次逼近ADC，吞吐率高达250KSPS，引脚CONVSTA、CONVSTB、CONVSTC分别控制三对ADC进行同步采样，它们分别接在PB7、PB6、PB5上，单片机STM32每接收一次外部中断就同时启动A－D转换。AD7656－1的VDRIVE引脚接3.3V，使得STM32与AD7656－1的电平相匹配。(2)STM32中断配置锁相环的输出频率信号接入STM32的PB8，配置PB8为外部中断引脚，这样锁相环输出的频率信号每个脉冲的下降沿就中断一次单片机，单片机启动6路A－D转换器，在一个周期内完成N点的采样。首先将PB8设置为上拉输入工作状态，配置外部EXTICR寄存器开启复用时钟，将外部中断与单片机内部中断线连接起来，并将终端方式配置为脉冲下降沿触发，最后配置NVIC寄存器，开启中断。(3)电参量算法测试终端的电参量算法采用FFT算法进行计算，调用STM32程序库的子程序，很容易得到电压、电流、有功功率、无功功率及各电参数之间的相位。3.其他电路通信电路采用RS485接口电路，时钟电路采用DS1302时钟芯片，存储电路采用AT24C256，显示电路采用液晶显示器，按键输入采用专用键盘模块，在此不一一介绍。

三、终端软件设计

检测终端软件主要完成用一个测试周期(24h)用电系统整点电参数测量并将测试数据上传计算机，由计算机对数据进行处理。测试的参数包括电压、电流、平均功率、最大功率和功率因数。终端测试软件主流程图如图6所示。一个周期内测试N个点数据，调用STM32FFT子程序将所测试的电参数计算出来，在每个测试周期的整点时刻，将数据保存起来。一个测试周期完成时将数据上传上位机，由上位机完成数据的分析，得到变压器日负荷率、变压器负载系数、线损率、企业用电体系功率因数，从而分析企业用电体系的节能状况。

四、实验结果

在实验室，使用安捷伦公司的HP34401A标准表和郑州华特测控公司的三相测试电源WT360对检测终端进行了测试。对单相电压、电流测试结果如表1和表2所示。

五、结束语

用电节能检测端由Cortex－M3家族的STM32F103为核心控制器，应用六路同时采样A－D转换器，使得终端成本较低，功能适中，对电参数的实时在线测量正确反映了企业供配电节能情况。

作者：张祺单位：广东中烟工业有限责任公司