STM32框架下的三相智能电表设计分析

本文对三相智能电表的硬件系统和软件算法进行设计。其中，三相智能电表硬件设计主要从智能电表的控制核心 STM32 的最小系统设计，高精度电能计量芯片电路设计，智能电表电源硬件电路设计，计量电能模块电路设计，抗电磁干扰电路设计完成硬件电路原理图与 PCB 版的设计。通过硬件电路实现三相智能电表的测量精度的提升，并为软件设计部分提供硬件电路的支持
第 1 章 绪论

1.1 课题的研究背景

随着世界工业快速发展，能源消耗日趋加剧，尤其是传统能源消耗所造成的大气、水体等污染也给人类的生态环境造成了非常恶劣的影响。为了人类的可持续发展，更好地做好环境保护工作，人们不断地开发和利用新型能源，同步地倡导节能减排。进入 2021 年来，国际社会日渐对“碳中和” “碳达峰”概念达成共识[1]，绿色清洁能源逐步推向前台，我国作为能源消耗大国，长期致力于绿色可持续发展，电力能源作为我国新型绿色能源项目，已经成为我国现代工业发展当中非常重要的一部分[2]。“碳中和”核心技术关键就是能源消耗的检测，尤其是电力能源消耗的检测，智能电表作为电力检测未来发展的趋势，日益引起人类社会重视。近年来，随着物联网技术快速发展，基于“智能云平台+大数据管理”电力能源监管，已经成为智能电网发展趋势[3]。智能电表是从传统的电表上发展起来的，与传统的电表相比有着很大的不同，于智能电网而言更是一个发展的基础。智能电表的性能对电力部门与用户的切身利益关系还是非常大的，而如果与之比较的是传统的电磁式电表，那么它其实不需要专门的工作人员来抄表，这就可以减少因人工抄表失误等带来的问题，并且也能避免电磁表老化或故障等隐患，所以智能电表的稳定性更强，精确性也远远高于传统电磁式电表[4]。与过去使用的旧式电能表相比，现代化智能电表也有很多优势，比如因其智能性强，可以高效而精确地计量每段时间内的电能大小，同时具备保存电能数据与计算双向多种费率等功能，利用智能电表还可以实现用户和电力部门间的信息共享与相互通信目标。从当前智能电表的发展情况来看，未来其将会朝着节约型、物联网的趋势进一步优化[5]。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国外研究现状

最早的电表是在 1880 年由美国人爱迪生利用电解原理制成了直流电能表；1889 年匈牙利岗兹公司一位德国人布朗泰制作成第一块感应式电能表；1905 年出现了增加非工作磁路的改进 90°方法，使电能表各项参数得到了很大的提高；上世纪三十年代对电表进行了机械性能的改进，提高了电表的测量精度。机械电表的使用越来越广泛，但是由于机械结构原因，电表的测量精度会越来越低，会给电网公司造成比较大的经济损失。随着科技的发展，在上世纪六十年代日本发明了全电子的电能计量装置，电子计量表从此有了飞速的发展。在智能电表的研究上，西方发达国家开始的相对较早，并且研究成果也十分丰富。从现有的研究文献中来看，西方发达国家采用智能电表的时间较长，电表的智能化水平也明显高于不发达国家，这些发达国家的电表除了有高速率、高精度、高集成化的特征之外，还有完善的硬件系统与良好的应用功能。国外智能电表研究重点放在应用方面，利用现代化新型科技成果与传统电表有机融合在一起，研发出具有更多特殊功效的智能电表，再通过测试后将其应用于电力产业中。

第 2 章总体方案设计及原理分析

2.1 引言

本章首先从电能计量的最基本参量入手，引出智能电表电能计量芯片的采样方式。并通过比较分析智能电表各个模块的优缺点以及设计成本，选定了适合本课题的总体方案。并对电力系统中的高频谐波滤波方式原理进行分析，选择最优方案应用于本设计。
2.2 总体方案设计

本文采用物联网技术设计三相智能电表，该方案关键节点主要包括三相电表电力采集设计、STM32 控制器、WIFI 模块通讯、云服务器平台设计、手机APP 终端显示等。

第 3 章 三相智能电表硬件设计..................................................................16

3.1 引言..................................................................................................16

3.2 主控系统设计.................................................................................16

3.3 高精计量电路设计........................................................................19

3.4 电能检测电路底板设计............................................................... 22

3.5 抗电磁干扰设计............................................................................ 23

3.6 AT24C02 设计.................................................................................24

3.7 电能检测电路总体实现............................................................... 25

第 4 章 三相智能电表软件设计..................................................................27

4.1 引言..................................................................................................27

4.2 软件整体框架设计........................................................................27

4.3 软件算法设计流程........................................................................28

4.4 电能计量模块软件设计............................................................... 30

4.5 显示模块软件设计........................................................................34

4.6 通信模块软件设计........................................................................36

4.7 本章小结......................................................................................... 39

第 5 章 物联网平台设计与实现..................................................................40

5.1 引言..................................................................................................40

5.2 硬件设备 MQTT 协议设计.............................................................40

5.3 物联网云平台设计........................................................................44

5.4 手机 APP 设计................................................................................ 46

5.5 本章小结......................................................................................... 49

第 6 章 实验测试结果................................................................................... 50

6.1 引言..................................................................................................50

6.2 电力参数的测试............................................................................ 50

6.3 物联网平台测试............................................................................ 51

6.4 本章小结......................................................................................... 53

第 6 章 实验测试结果

6.1 引言

在第 3、4、5 章节对三相智能电表的硬件电路和软件算法进行了设计，能够完成三相智能电表的各项功能，并且本设计的三相智能电表的测量精度比普通智能电表要高，而且在软件算法层面进行了相应设计，也提高了相应的测量精度，并实现软件算法滤除高频谐波的干扰。所以，本章使用设计的三相智能电表进行相应的数据测试和实验验证。对电能进行性能上的检测，检测的内容包括电压、谐波分量含量，以及电流电力参数。

6.2 电力参数的测试

为了保证实验当中输入的准确度，以及实验结果的可靠性，在实验中，采用三相标准源来作为实验电力当中所需要的信号发生器。三相标准源其实是一款精度非常高的功率源，在电力系统当中用作电力检测是十分合适的。将三相智能电表接入三相标准电源中，对三相智能电表的各项性能进行测试。

本课题设计实物图片如图 6.1 所示。

第 7 章 总结和展望

本文对三相智能电表的硬件系统和软件算法进行设计。其中，三相智能电表硬件设计主要从智能电表的控制核心 STM32 的最小系统设计，高精度电能计量芯片电路设计，智能电表电源硬件电路设计，计量电能模块电路设计，抗电磁干扰电路设计完成硬件电路原理图与 PCB 版的设计。通过硬件电路实现三相智能电表的测量精度的提升，并为软件设计部分提供硬件电路的支持。软件设计主要对控制核心软件算法进行开发，并通过 MATLAB 对 FFT 算法进行仿真，得出仿真结论，并优化控制算法，最终实现滤除电网中高频谐波，从而提高智能电表的测量精度。主要的设计内容包括：软件整体框架设计和软件算法设计流程。通过使用仿真工具 MATLAB 对 FFT 算法进行仿真，得出仿真结果能够有效的滤除电网中的高频谐波干扰。同时，本文采用最新的物联网技术将智能云终端，通过云服务器将数据传递至用户手机 APP，手机 APP 能够更好监控用电情况，做的错峰用电和绿色用电。最后，通过实验测试验证了硬件电路设计和软件算法设计的有效性，通过有力的实验数据，实现了本设计的研究目标，有效的提高了三相智能电表的测量精度。综上，本设计通过理论分析确定研究目标，通过对硬件电路和软件算法的设计来实现相应的研究目标，最终通过实验验证确定了本设计的研究目标已经达成，最终实现了三相智能电表的测量精度提升和智能电力系统检测。