基于ARM的微电网谐波分析仪的研究

麻志滨 谈加杰

(哈尔滨工业大学(威海)信息与电气工程学院，山东 威海 264209)

基于ARM的微电网谐波分析仪的研究

麻志滨 谈加杰

(哈尔滨工业大学(威海)信息与电气工程学院，山东 威海 264209)

针对微电网的电能供给相较于常规电网不稳定、谐波的干扰更加严重的情况，设计了一种新型的基于ARM-CortexM4内核的微电网谐波分析仪。详细阐述了微电网的发展与现状，论述了谐波检测对于微电网系统的必要性。介绍了微电网检测仪的硬件部分，包括前级电压电流转换电路、信号调理电路、单片机处理电路和显示电路。软件部分介绍了基于CortexM4内核的FPU单元的快速傅里叶变换系统和FIR滤波器系统，并阐述了整个软件系统的结构。最后分析了电网谐波检测仪的性能。

微电网 谐波检测 ARM-CortexM4 FFT FIR滤波

0 引言

随着工业的发展和科学技术水平的提高，在过去的几十年里人们对电的依赖程度愈来愈强，电能成为了人类社会生产生活中最重要的能源之一。传统的超大规模电网系统有着显著的缺点——运营成本高且运行难度大；20世纪世界范围内发生的几次大规模停电事件，严重影响了正常的生产生活秩序，造成了巨大的经济损失。因此21世纪人类将更多的目光倾注于新的电网系统[1]。

微电网系统是近些年来新兴的一种电网系统，它是指在常规的超大规模电网之外，建设新的小的电网系统。这些电网系统利用诸如风能、太阳能等新型能源技术，通过就近供电来缓解供电需求并提高供电的可靠性[2]。

但由于微电网的供电单元分散，且太阳能、风能等新型能源受外界环境影响较大，造成供电不稳定，进而产生电能质量下降等问题[3]。因此，为了满足人们对电能质量与供电安全的要求，对于新型的微电网系统，一种稳定可靠的谐波分析仪是必要的。使用电网谐波分析仪来检测电网的谐波量与电能质量，是预防和消除电网污染的前提[4]。

1 系统总体方案设计

传统的电网谐波检测仪主要有两种检测方案。一种是依托于专门的电网检测芯片进行谐波检测，这种方案的主要问题是造价高昂，灵活度不高，对于新型的微电网系统进行谐波检测显得力不从心。另一种方案是以单片机为核心，对电网信息进行采集处理分析。这种方案的主要问题是单片机的处理能力较弱，处理的信息量较少，仅仅是处理简单的检测尚可，一些复杂的要求很难达到[5]。

本文针对传统的设计分析，提出了一种基于新的ARM-CortexM4内核的处理器的微电网谐波检测技术。使用STM32F407系列的新型单片机作为主控核心进行数据的处理和分析，使用精密的前端信号调理电路对信号进行调理。同时,依托于M4内核强大的处理能力以及FPU单元来对信号进行FFT运算和数字FIR滤波，最终在7英寸(1英寸=25.4 mm)液晶显示屏上将结果显示出来，并通过串口将信息实时发送到单片机，系统的总体方案如图1所示。

图1 总体方案图

本设计选择的ARM-CortexM4内核的STM32F407微控制器。CortexM4内核是ARM公司在10年推出的最新的高性能低功耗的嵌入式方案。STM32F407系列微控制器是ST公司推出的应用于工业电子领域的中高端嵌入式处理核心，有着强大的性能。STM32F407是有着高达168 MHz主频的DSC，具有192 kB内存和高达1 MB的Flash。如此高的性能使其在信号处理领域有着广阔的应用前景。使用STM32F407的12位A/D对处理过后的信号进行采样，使用内部的FPU单元可以快速进行傅里叶变换和FIR滤波。硬件方案如图2所示。

图2 硬件方案图

2 系统硬件设计

本系统的硬件设计主要包括电源系统、信号采集系统和信号调理系统、单片机控制系统和外围电路系统等4部分组成。

2.1 电源系统设计

由于本设计的任务是对信号做精密的采集，因此一套合理稳定的电源系统是必须的[6]。电源方案如图3所示，本电源系统利用两片LM2596分别将+12 V电源输入转换为+6.8 V与-6.8 V，利用一片LM1117与一片L7805将-6.8 V转换为+5 V与+3.3 V，利用一片LM7905将-6.8 V转换为-5 V。其中+5 V与-5 V对运放进行双路电源供电，+3.3 V对单片机进行供电。

开关电源具有效率高、过电流能力强等优点，但纹波较大；与之相反，线性电源具有纹波小的优点，但有功耗大的问题，且压差越大，其产生的热功率损耗也就越大。因此，将开关电源和线性电源配合使用，开关电源将输入电压降低为一个比较低的电压并输出给线性电源进行第二步降压，从而达到了既能保证纹波，又能解决功耗与散热问题的目的。

图3 电源方案图

LM2596是Buck型开关降压芯片，只要将LM2596芯片的Vout管脚接地，此时由于Vout管脚的电平不会被改变，则相对的GND管脚的电压会下降到设定值，此时GND管脚的电压相对于GND管脚低6.8 V，即产生了-6.8 V电压。图4为LM2596产生6.8 V电压的电路图。

图4 LM2596电压产生电路

2.2 信号采集与调理系统

由于市电信号电压高、干扰大，无法直接处理检测，因此需要由采集和调理电路来完成这个任务。系统利用霍尔型电压电流传感器采集市电的电压和电流，并将采集到的信号经过调理和滤波输入到单片机进行A/D采集。电压转换部分的电路图如图5所示。

图5 电压信号采集调理图

图5中，电压互感器选择的是0～1 000 V转0～5 mA的电压互感器，作I-U转换即可将副边线圈的电流信号转换为比例缩小的电压信号，选取R5=100 kΩ、R3=680 kΩ，可得到大约150∶1的转换比例，也就是220V市电的Vpp大约622V，转换过后可以在Uin处获得Vpp4V左右的可测量信号。

由于转换得到的Uin仍旧是一个交流信号，所以需要将其转换为0～3.3 V的可测量电压信号才可以输入测量。运放U1的作用就是起到转换的作用，同时二极管D1和电容C3可以起到滤波调理的作用。

2.3 单片机电路的设计

单片机部分将经过处理的电压和电流信号分别输入到STM32F407单片机的PA0和PA1口，用来进行A/D转换。彩屏接入FSMC接口，FSMC是STM32独有的一种总线技术，可以实现对彩屏的快速控制，加快处理速度。同时将串口接入PA2和PA3口，将按键接入PG1和PG2口，使用外部中断捕获。

3 系统软件设计

微电网谐波检测仪的软件部分主要由采集程序、FIR滤波程序、FFT变换程序和显示通信程序组成。系统使用Keil MDK 4.72作为主要编译器。程序主要流程图如图6所示。

图6 系统流程图

3.1 FIR滤波器的设计

由于需要测得的微电网谐波的频率大约在8 kHz以下，而8 kHz以上的谐波多是电路噪声或是A/D转换的噪声，因此为了保证结果的精确性，需要对采集的结果进行滤波。FIR滤波器是一种简单可靠的滤波器，同时借助Cortex-M4内核的DSP协处理器以及FPU协处理器，可以高速地完成浮点FIR滤波器的运算[7]。

FIR滤波器的种类有多种，需要的处理结果是将8 kHz以上的干扰去掉，且8 kHz以下的谐波信息要保存下来并且不要有失真，因此选择窗函数法来设计FIR滤波器是一个合理的选择。汉宁窗可以明显地减小泄漏，性能优于矩形窗，因此最终选择汉明窗函数来设计FIR滤波器[8]。

借助Matlab的Fdatool来设计FIR滤波器的系数。选择截止频率为8 kHz，FIR汉宁窗函数，同时选择滤波器的阶数为8阶。滤波器的阶数越高，其滤波性能越好，但其需要的运算量也越大。综合考虑选择8这个阶数，从而平衡运算量和滤波特性，图7为设计的FIR滤波器的幅频特性曲线。

图7 FIR滤波器幅频特性

3.2 FFT转换函数

快速傅里叶变换是微电网谐波检测仪的最重要的操作之一，只有通过傅里叶变换将信号从时域转换到频域，才能够将不同频率的谐波分离出来，以进行分析[9]。传统意义上快速傅里叶变换在微控制器领域需要占用大量的运算时间，尤其是浮点快速傅里叶变换和复数傅里叶变换。ARM CortexM4系列的芯片则提供了一个很好的解决方案，基于STM32F407内部的DSP和FPU提供了一套速度很快的复数快速傅里叶变换(CFFT)方法[10]。

对于FFT变换尤其重要的是选择合适的转换点数和采样频率。转换点数和采样频率决定了结果的精度[11]。为了获得最大的步进长度，选择1 024点FFT，对于1 024点FFT，需要选择一个合适的采样频率才可以获得一个良好的精度[12]。对于FFT的结果中的某一点的频率，由式(1)可得：

Fn=(n-1)Fs/N

(1)

式中:Fn为第n点的频率;Fs为采样频率；N为总的采样点数。频率范围为0～8 kHz，当n=512时，Fn≤8 kHz。因此，可得转换频率为10 kHz时可以达到要求，同时每一个频率点的数字也便于处理。

4 测试结果分析

针对本检测仪的性能和准确性做了相应的实验，对实验室的主供电回路上的电压和电流作了检测并通过谐波检测仪进行分析，同时使用XY194AC-2SY型号的31次谐波表作为数据比对。电压谐波的测试结果如表1所示，表中对谐波分量大于1 V的结果进行了显示。

表1 测试结果

通过对测量结果的分析可以得出结论：本设计的测量结果稳定可靠，精度更高，同样的性能其造价远低于传统电表。

5 结束语

针对新兴的微电网，谐波检测仪尤为重要，采用谐波检测获得的参数对微电网进行调节有着很大的作用。同时ARM-CortexM4系列的新型微控制器性能先进，数字运算能力强且成本低，完全可以适应微电网谐波检测的需求。本文设计的基于ARM的微电网谐波检测仪可以实现检测微电网的电压谐波和电流谐波，为微电网的调节控制提供信息，设计稳定可靠。

[1] 鲁宗相，王彩霞，闵勇，等.微电网研究综述[J].电力系统自动化，2007，31(19)：100-105.

[2] 郑漳华，艾竿.微电网的研究现状及在我国的应用前景[J].电网技术，2008，16(3)：27-31.

[3] 鄢文清.微电网电能质量与谐波抑制技术研究[D].长沙：中南大学，2012.

[4] 罗德凌，唐朝晖.电力系统谐波检测方法的研究现状及其发展[J].国外电子测量技术，2006(4)：5-8.

[5] 谢苗苗，李华龙，李能菲.基于STM32的谐波参数实时获取便携装置设计[J].仪表技术，2013(2)：32-34.

[6] 马惠，刘静芳.基于瞬时无功功率理论的三相电路谐波、无功和不平衡电流检测[J].四川电力技术，2004(4)：4-7.

[7] 陈泽旭.基于加窗插值FFT的电力谐波检测技术研究[D].沈阳：沈阳工业大学，2012.

[8] 周峰.基于准同步采样的电力系统谐波与间谐波在线检测方法研究[D].上海：上海交通大学，2012.

[9] 王平，丁力.加窗插值FFT的电网谐波分析算法研究[J].江苏电机工程，2008(2)：46-50.

[10]陈媛.基于STM32的谐波检测仪的开发及谐波检测算法研究[D].扬州：扬州大学，2013.

[11]杨阳.窗函数特性及加窗插值FFT算法的研究[D].郑州：郑州大学，2010.

[12]唐亮.嵌入式电力谐波检测系统的研究与实现[D].北京：华北电力大学，2012.

Research on the ARM-based Harmonics Analyzer for Micro Grid

The power supply of micro grid is less stable than of conventional grid, and the harmonic interference is more severe, aiming at this situation, the new harmonic analyzer based on ARM-CortexM4 core has been designed for micro grid. The development and current status of micro grid are described in detail, and the necessity of harmonic detection of micro grid system is expounded. The hardware of the micro grid harmonic analyzer is introduced, including the front stage voltage current conversion circuit; signal conditioning circuit; single chip computer processing circuit and display circuit. For the software, the FFT system and FIR system based on FPU (floating point unit) of CortexM4 core are presented, and the structure of overall software system are described. In addition, the performance of the harmonic analyzer is also analyzed.

Micro grid Harmonic detection ARM-CortexM4 FFT FIR filter

麻志滨(1960-)，男，1987年毕业于哈尔滨理工大学电气自动化专业，高级工程师；主要从事电气自动化与测控方面的研究。

TH83;TP216

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201510021

修改稿收到日期：2014-01-04