智能电能质量检测仪设计
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摘要：本文介绍了一种基于STM32F407嵌入式处理器和RN7302智能传感器的电能质量检测仪设计方法。文中对仪器结构、硬件实现方法、三项不平衡度检测原理进行了阐述，该检测仪可以实现对电网电压、电流、有功功率、无功功率、视在功率、电网频率、三相不平衡度等电能参数精确测量，具有良好的工程应用价值。
关键词：STM32F407;RN7302;电能质量检测;三相不平衡度
中图分类号：TM933 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）12-0184-01
结合对电能质量监测的需求，本文提出了一种基于STM32嵌入式处理器和电能质量计量芯片的智能电能质量检测仪的设计方案;可以实现电网电压、电流、功率、频率以及三相不平衡度的精确测量，同时可以采用有线/无线方式将测量结果上传至用户终端;对比传统基于ADC的同类仪器，该检测仪具有测量精度高、低成本、低功耗、高可靠性、智能化等优点。
1 检测仪结构设计
智能电能质量检测仪主要由信号采集与调理模块、计量模块、主控模块、触摸屏模块、通讯模块组成，其总体结构设计如图1所示。
检测仪采用RN7302智能电能计量模块，完成电网电压、电流、频率、功率因数的精确计量;选用嵌入式处理器STM32F407完成数据管理单元设计，主要完成电能计量数据的读取与处理、人机接口和通信单元的控制等功能;仪器具备Bluetooth和GPRS通信接口，方便使用者完成对检测数据的远程/本地读取。
2 检测仪硬件方案设计
根据电能质量检测的需求，完成了仪器硬件方案设计，主要包括信号采集与调理模块、计量模块和主控模块。
2.1 主控模块
检测仪采用STM32F407处理器作为主控制器，以电阻式触摸屏作为数据显示与控制信号输入设备。通过SPI总线，主控制器获得RN7302中的电能计量数据，通过计算获得相应的电能质量数据，根据用户在触摸屏中的操作指令，完成数据的存储和显示，并可通过有线/无线通信接口完成本地/远程的数据传输。
2.2 计量模块
计量模块电路原理如图2所示，该模块共有7对差分信号输入引脚，每对引脚差分量程为800mV，分别为IAP/IAN、IBP/IBN、ICP/ICN、INP/INN，VAP/VAN、VBP/VBN、VCP/VCN，可以完成三项电压、电流及中位电流的监测功能。在电压基准REFV引脚使用10μF、0.1μF电容并联进行对地退耦。SCSN、SCLK、SDI、SDO引脚为SPI接口，主控模块通过对该接口的读写完成系统配置和数据讀取。
2.3 信号采集与调理模块
信号采集与调理模块主要包括电流采样和电压采样电路单元。电流采样电路单元包括LCTA2DCC 5A/2.5mA电流互感器和抗混叠电路，电压信号通过分压电阻，经由采样电路送入RN7302电流采样通道，信号范围如下式。
（1）
电压采样电路单元包括LCTV3PCE 2mA/2mA电压互感器和抗混叠电路，电压信号经过限流电阻，经由采样电路送入RN7302电压采样通道，信号范围如下式。
（2）
3 三相不平衡度检测原理
三相不平衡度，指由负序分量所引起的三相不平衡的程度。εU和εI分别表示电压和电流的不平衡度，其值为电压或电流的负序分量与正序分量的方均根值商的百分比，如下式所示。
（3）
式中 U1为三相电压的正序分量方均根值;U2为三相电压的负序分量的方均根值，如果将式中的U1、U2分别换成I1、I2，即为三相电流的不平衡度。
为了计算三相不平衡度，需要引入正序、负序、零序分量;以便在电压、电流出现不对称现象时，将不对称的三相分解成对称的三序分量。本设计采用对称分量法，将任何三相不平衡的电流、电压或阻抗分解成为三个平衡的相量成分即正相序（、、）、负相序（、、）和零相序（、、），这样获得三个对称相量与三组不对称的相量中A相量的关系。
基于以上对A相的正序、负序、零序的分析方法，可以得出各相正序、负序、零序电压和电流，使用RN7302获得的数据，即可完成不平衡度检测值的计算。
4 结语
基于文中提出方案，对检测仪实体进行了测试。测试结果表明，电压、电流、频率及不平衡度等检测结果误差均可控制在1%以内。该检测仪具有结构简单、成本低、可靠性强、扩展能力好等特点，具有良好的工程应用价值，可以为公用配电网的能源监测、无功补偿、谐波治理等场合的应用设计提供参考。
参考文献
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Design of Smart Power Quality Detector
CUI Hua，CHEN Bei-chen，ZHAO Yue-lei
（College of Information and Control Engineering， Jilin Institute of Chemical Technology， Jilin Jilin 132022）
Abstract：A design of smart power quality detector based on STM32-ARM and RN 7302 is introduced in this paper，the architecture， and the realization of hardware as well as method of three-phase unbalance detector is presented. The detector can realize measurement of grid voltage， current， active power， reactive power， apparent power， grid frequency， three-phase unbalance accurately， which has good application value in engineering.
Key words：STM32F407;RN7302;power quality detector;three-phase unbalance
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