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两种谐波分析仪设计方案的对比分析
李维翰
（安徽理工大学电气与信息工程学院，安徽淮南232000）
科技论坛
摘要：针对智能电表谐波分析功能的研发，本文提出了两种不同的设计方案，一种是通过STM32软件编程实现谐波分析，另一种是通过具有谱波分析功能的专业计量芯片实现谱波分析。通过实验记录了两种方策的测量数据并进行了比较分析，同时考虑到成本、精度
以及稳定性，对两种设计产品的应用场合给出了合理的定位。关键调:STM32；谐波分析；智能电表
Abstract:For research and development of smart meters harmonic analysis, we propose two diferent designs, one is to achieve har monic analysis by STM32 software programming, the other is realized by having a harmonic analysis of professional metering chip. Ex perimental measurement data record two programs and a comparative analysis, taking into account cost, accuracy and stabiliry, the rwo product design applications gives a reasonable positioning through.
Key words:STM32; Hamonic analysis;Smart meters
由于谱波间题越来越引起人们的重视，谐波分析功能逐渐被加人到智能电表中，不同的设计方法也开始出现。智能电表因具数字化、智能化等特点，已经成为智能电网中不可缺少的一部分，而谐波分析对改善电能质量至关重要。智能电表在不断完善自身功能的过程中，加人谱谐波分析功能无疑是一个跨越性的进步。
1方案一：STM32编程实现谐波分析
系统设计：本智能电表主要由模数转换、数字信号分析处理、电能数据计算、谐波分析处理以及串口输出测量值等几部分组成。在智能电表系统设计中，MCU是不可缺少的部件，它用于完成数字信号分析处理、谐波分析处理、串口数据输出等功能。它同时还产生控制ADC传送数据的时钟信号。整个智能电表结构简单、成本低廉，同时通过串口可以向上传输测量数据，因此在智能电网中是最为关键的神经末梢
硬件电路设计：主要工作包括STM32F103最小电路的设计，实时时钟芯片PCF8563电路的设计，电源模块的设计，采样电路及AD转换电路设计，触摸屏控制芯片
测量方案
0 1 2
善方案
0 2
次基波 N
221.6 220.4
液(%)
0.363 0.486 0.399
ADS7843芯片以及液晶屏电路的设计，EEPROM芯片AT24Cxx电路设计，以及Flash芯片M25P80电路设计。
软件设计：根据上一节的功能分析和算法设计以及硬件电路设计，本节主要完成系统的软件部分设计。MCU中的流程即为数据处理的流程，于是按数据处理方式在MCU软件设计中分为两部分：中断部分以及系统主函数循环部分。中断部分主要完成MCU的数据输人与输出部分的功能，系统主函数循环部分则是完成数据处理、能量值计算、脉冲输出、谱谐波分析以及串口数据整理等其他功能。根据以上分析不难对系统做出了逐步的软件流程设计。
2方累案二：ADE7880+MCU实现谐波分析
系统设计：本设计以单片机作为整个系统的控制核心，重点介绍了I2C总线、ADE7880的驱动、HSDC和审口等模块程序以保证数据采集和传输准确。而本设计的特色在于专业测量芯片的选取， ADE7880具有高精度的特点，电压电流有效值误差、有功功率和基波无功功率误差均小于0.1%，同时具有强大的谐波分析功能
硬件电路设计：硬件部分重点介绍采样电路模块，ADE7880最小系统、单片机最小系统、RS485电路设计，其余的部分包括触屏显示电路和存储单元设计都和方案一采取一样的设计。
软件设计：主要包括ADE7880软件设计、审口软件设计和高速数据采集接口(HSDC)的软件设计。
3谐波实验及结果对比
为了分别测试两种方案的谱波测量精度，这里采用基准信号发生器STR3030A三相电力标准源来提供一个有谐波的信号。
为了测试智能电表对于谱谐波分析的准确性，这里采用 PM3000A电力分析仪作为谐波分析仪。谐波分析仪测量出来的谐波信号值可以认为就是电网中诺波分析的标准值，因此用此值与智
万方数据
2次诺波(%)
0.026 0.053 1E00 12次潜被(%)
0.016 0.050 0.032
3次话激(%)
890 0.776
谱波(%)
0.178 0.212 0.189
4次谱波(%)
0.033 0.069 6600 14 次
(%) 0.013 0.049 0.036
表1
s 波(%)
0.511 8 15 次请被(%)
0.091 318
6次诺波(%)
0. 88 16 次谱被(%)
0.012 0.063 0.09
了次谱激(%)
0.183 8 17次诺液(%)
0.079 8g
8次诺被(%)
6to0 8 18次请液(%)
0.008 a2
9次谱波(%)
0.132 or 19 次谱激(%)
0.062 0.092 60o
10次谱液(%)
to(%).006
能电表进行谱波分析所得到的谐波值进行比较就可以计算出智能电表谱波分析的误差为多大，是否满足国家对于谐波分析仪表所规定的误差限制。
这里分别用谐波分析仪、方案1和方案2所设计的仪表对给定
信号进行谐波分析。以下将谐波分析仪的测量称为方案0。 4结论
通过计算分析表格中的实验数据可以得出结论，两种设计方案设计出的产品，对谐波的测量精度均满足国家的相应标准。在精度方面，方案二具有更高的测量精度，测量数据更可靠；在稳定性方面，方案一和方案二均使用了增强版的STM32芯片，实现功能的同时能保证很高的稳定性；在成本方面，方案一很大程度上节省了硬件的成本。综合比较的话，方案一更适合对精确度要求不是太高，对成本相对敏感的应用场合，而方案二更适合工业上的应用。
参考文献
[1]冯文霞.智能电网中智能电表的应用分析[1]中国高新技术企业， 2014,35
[2]赵靖.基于STM32的具有谐波分析功能的智能电表设计[D],上海：上海交通大学,2012
[3]王贝.基于ADE7880三相智能电表的设计[D]杭州:杭州电于科技大学,2014.