简易电能质量检测仪的设计

南华大学电气工程学院 董招辉 阳璞琼 欧阳宏志 陈文光

简易电能质量检测仪的设计

南华大学电气工程学院 董招辉 阳璞琼 欧阳宏志 陈文光

本文以2016年湖南省大学生电子设计竞赛C题为依据，设计的简易电能质量监测电路以STM32F407ZGT6单片机为控制核心，通过STM32F407芯片内部的A/D转换器、32位定时器采集、捕获经过硬件衰减电路及波形变换电路的输入交流电压、电流信号，结合STM32F407的DSP处理功能（FFT）对输入信号进行计算，可以快速、准确地实现对工频交流电的频率、相位差、电压有效值、电流有效值、有功功率、无功功率、功率因素、谐波等参数进行测量，测量的参数、波形等均可显示在TFT显示屏上。

电能质量监测；STM32F407；移相网络

0 引言

2016年湖南省大学生电子设计竞赛C题要求设计并制作一个能同时对工频交流电各参量进行测量的数字式单相电能质量检测仪。能测量并显示电压、电流有效值，频率，功率因数，有功功率P，无功功率Q，视在功率S；并能同时显示一个周期的输入电压、输出电流曲线，并在曲线上计算并标出它们的相位差，指出负荷性质；测量并显示电压、电流各次谐波有效值和各次谐波含量（测量至5次谐波）；要求测量准备度在±1%以内，测量误差≤1%。为方便设计与制作，待测的100～500V交流输入电压（有效值）、10～50A交流输入电源（有效值）均已经由相应的变换器转换为对应的1～5交流电压（有效值）。到单片机定时器中进行捕获实现频率和相位的测量。单片机处理完数值后将结果显示在液晶屏上。

主控制器采用ST公司的STM32F407，其内部具有FPU浮点运算功能，结合内部外设能够简单有效的对外部信号进行数字处理及显示。

移相电路采用全通滤波器模拟移相电路。一阶全通滤波器的移相范围接近180°，所以通过设计两级滤波则可使移相范围接近360°，此电路简单可靠。

图1 系统总体框图

1 方案设计与论证

2 理论分析与计算

根据设计任务的要求，该系统选用的整体方案框图如图1所示。首先，由信号发生器输出的等效1～5V交流电压分成两路，一路直接进行信号处理，另一路经过移相电路得到等效的交流电流信号后再进行信号处理。每一路信号经过两次信号变换，一次变换为：先经过衰减电路，衰减到单片机能够处理的电压范围，再进行电压抬升，使输入单片机的电压为正电压，最后通过滤波网络，滤掉高频分量后送入单片机，然后在单片机的控制下进行A/D采样、计算及软件FFT运算，进行有效值和各次谐波的测量；另一次变换为：将交流变换为矩形波，输送

2.1 电能质量指标分析

根据题目要求，通过硬件中的波形变换电路，将工频交流电信号变换为电流和电压的等效方波信号送至STM32F4，由STM32F4内置定时器捕获模式计算出相位差和频率。通过硬件中的衰减电路、抬升电路及抗混叠滤波[1]后送至STM32F4，由STM32F4内部A/D采样计算出输入电压电流信号的有效值。根据相位差和电压电流的有效值计算出有功功率、无功功率、视在功率、功率因数，利用FFT（快速傅里叶变换）[2]计算谐波电压含有率及谐波电流含有率[3]。应用取点法，采集波形显示的相应点，在液晶屏上显示出来。

图2 信号调理电路

具体公式如下所示：

有效值电压U：

同理有效值电流I：

移相是指两种同频的信号，以其中一路为参考，另一路相对于该参考做超前或滞后的移动，即称为相位的移动。模拟移相电路的放大倍数：

写成模和相角的形式为：

其中：

合理的设计R、C参数即可实现-90度到90度的移相。

3 系统硬件和软件设计

3.1 硬件电路设计

3.1.1 前级信号调理电路设计

题目中给出输入信号为1V～5V，为使A/D能够有效采样信号，需要对输入信号进行衰减，即两个电阻串联分压；再对衰减了的信号进行抬升，使其没有负的信号；最后经过滤波电路滤除干扰信号将有用信号送入单片机中进行A/D采样。其原理图如图2所示。

3.1.2 移相电路和波形转换电路设计

本设计采用模拟移相电路。模拟移相电路其实是一个全通滤波器，其相移范围接近180°，所以本设计采用2个一阶全通滤波器串联，使得整个移相电路能接近360°的相移范围。

由于系统需要监测电路的功率与频率，而测量功率需要检测输入电路电压与电流之间的相位差，单片机实现对两路正弦波相位差的监测比较麻烦，而对方波信号的检测相对比较容易，因此我们把正弦波整形成同频率的方波，通过对方波上升沿的采样，计算可以得出输入信号的频率与相位差。两者原理图如图3所示。

3.2 软件设计

软件设计的内容主要是对键盘进行扫描、A/D采样、FFT变换、有效值电压电流等各参数的计算、显示波形及各测量值的显示。流程图如图4所示。

图4 软件流程图

4 结论

本系统以STM32F407ZGT6单片机为控制核心，设计并制作了简易电能质量检测仪，利用波形变换法（将正弦波变成矩形波）可以快速获得频率和相位差，利用FFT（快速傅立叶变换）对输入信号进行处理，能快速计算输入电压电流有效值等参数。整个系统运行稳定可靠，完成了任务要求的所有功能。

[1]郭红玉.一种抗混叠滤波器的设计[J].电子设计工程,2015,23(03): 110-112.

[2]解蕾,解大,张延迟.新型电能质量表的算法及实现[J].电测与仪表,2008,45(09):1-4,10.

[3]国家质量都督检验检疫总局,国家标准化管理委员会.电能质量.公用电网谐波:GB/T 14549-1993[S].北京:中国标准出版社,1993.

通迅作者：阳璞琼，男，博士，南华大学电气工程学院讲师。

董招辉（1980—），女，硕士，讲师，从事电子技术理论教学、电力电子技术、仪器仪表研究工作。

课题项目：2016年南华大学校级教改课题“电子设计竞赛培训与大学生创新创业培养协调运行机制研究”（项目编号：2016XJG-ZZ01）。