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《電氣應用雜志》2014年第十二期

一、節能監測系統總體結構及監測終端硬件結構

1.節能監測系統整體結構根據中華人民共和國GB/T16664—1996的要求，需要監測變壓器日負荷率、變壓器負載系數、線損率及企業用電體系功率因數。企業節能監測系統由上位機(計算機)、n個變壓器檢測終端及通信總線組成，其結構框圖如圖1所示。檢測終端在一個檢測周期內，將檢測到的變壓器用電體系最大負荷、平均負荷、變壓器工作電壓、電流、功率傳送給計算機，由計算機計算日負荷率、負載系數線損率及用電體系的功率因數，以達到節能檢測的目的。以上參數的計算參見GB/T16664—1996及附件。2.節能監測系統終端硬件結構及工作原理根據系統測量參數要求，變壓器實際負荷在線檢測系統主要由單片機電路及其外圍器件、采樣電路、A－D轉換電路和電源電路等組成。系統總體框圖如圖2所示。三相電壓、電流采樣信號分別送入16位6通道同時采樣AD芯片AD7656。處理器采用Cortex－M3家族的STM32F103。系統中，A相電壓正弦信號經波形變換電路變換成矩形波，然后經鎖相環電路進行倍頻，該頻率信號中斷M3單片機，用以控制啟動A－D轉換。這樣，一個周期內，AD7656－1對正弦信號進行等間隔采樣N點數據，經單片機對采樣的信息進行分析處理，得到需要的電壓、電流有效值、有功功率、無功功率、功率因數，并在每個整點時刻，將測量的數據保存起來，以便上傳上位機。

二、系統硬件設計

1.采樣電路設計測試終端采樣電路包括電壓、電流采樣，原理圖如圖3和圖4所示。圖3為電流采樣電路(三相相同)，CT為采樣電流信號的鉗形互感器，CT輸出的二次電流信號轉換為電壓信號以后，經跟隨器送入同相放大器進行信號放大，使得輸出信號達到A－D轉換器的最佳工作狀態。圖4為電壓采樣電路(三相)，被測電壓信號經過衰減，分兩路信號送后續電路，一路經同相放大調整到A－D轉換器最佳工作幅度VO2;另一路經比較器轉換為矩形波VO1，送入后續鎖相環電路，將該頻率信號N倍頻，以控制A－D轉換器在一個交流周期內的采樣點數。2.A－D轉換器與M3處理器接口電路設計(1)AD7656－1與STM32接口電路設計由于AD7656－1產生的基礎數據總量龐大，為了盡量少地占用CPU時間，采用并行接口方式連接，電路圖如圖5所示。AD7656－1是AD7656的升級版，內置三對六路采樣保持器，使得三對ADC可同時采樣，AD7656－1內置的16位快速、低功耗逐次逼近ADC，吞吐率高達250KSPS，引腳CONVSTA、CONVSTB、CONVSTC分別控制三對ADC進行同步采樣，它們分別接在PB7、PB6、PB5上，單片機STM32每接收一次外部中斷就同時啟動A－D轉換。AD7656－1的VDRIVE引腳接3.3V，使得STM32與AD7656－1的電平相匹配。(2)STM32中斷配置鎖相環的輸出頻率信號接入STM32的PB8，配置PB8為外部中斷引腳，這樣鎖相環輸出的頻率信號每個脈沖的下降沿就中斷一次單片機，單片機啟動6路A－D轉換器，在一個周期內完成N點的采樣。首先將PB8設置為上拉輸入工作狀態，配置外部EXTICR寄存器開啟復用時鐘，將外部中斷與單片機內部中斷線連接起來，并將終端方式配置為脈沖下降沿觸發，最后配置NVIC寄存器，開啟中斷。(3)電參量算法測試終端的電參量算法采用FFT算法進行計算，調用STM32程序庫的子程序，很容易得到電壓、電流、有功功率、無功功率及各電參數之間的相位。3.其他電路通信電路采用RS485接口電路，時鐘電路采用DS1302時鐘芯片，存儲電路采用AT24C256，顯示電路采用液晶顯示器，按鍵輸入采用專用鍵盤模塊，在此不一一介紹。

三、終端軟件設計

檢測終端軟件主要完成用一個測試周期(24h)用電系統整點電參數測量并將測試數據上傳計算機，由計算機對數據進行處理。測試的參數包括電壓、電流、平均功率、最大功率和功率因數。終端測試軟件主流程圖如圖6所示。一個周期內測試N個點數據，調用STM32FFT子程序將所測試的電參數計算出來，在每個測試周期的整點時刻，將數據保存起來。一個測試周期完成時將數據上傳上位機，由上位機完成數據的分析，得到變壓器日負荷率、變壓器負載系數、線損率、企業用電體系功率因數，從而分析企業用電體系的節能狀況。

四、實驗結果

在實驗室，使用安捷倫公司的HP34401A標準表和鄭州華特測控公司的三相測試電源WT360對檢測終端進行了測試。對單相電壓、電流測試結果如表1和表2所示。

五、結束語

用電節能檢測端由Cortex－M3家族的STM32F103為核心控制器，應用六路同時采樣A－D轉換器，使得終端成本較低，功能適中，對電參數的實時在線測量正確反映了企業供配電節能情況。

作者：張祺單位：廣東中煙工業有限責任公司