基载波通信三相智电表设计
摘
智电表作电数采集基础设备智电网建设中起着非常关键作智电表求具备原始电数采集测量数传输功着智电网发展智电表提出新求越越非线性负荷接入电网导致电网中产生谐波污染仅浪费电电力部门带定济损失具谐波检侧功智电表应运生：着国家节减排号召提高居民节约电意识分时复费电价提出已部分区实施应求电表具分时计费功时提高户电便捷电力公司户间双通信受更关注
课题基徽处理器 STM32 强数处理力配合电采集电路控制器 STM32 外围电路实现智电表电计量功分时电价功双通信功谐波检测功课题研究 FFT 谐波分析中作插值加窗 FFT算法谐波分析减频谱泄漏栅栏效应带误差影响
课题完成智电表硬件软件程序设计硬件电路设计电压电流采集电路 ADC 采样电路 RS485 通信电路等通利MATLAB 仿真软件加窗插值 FFT 算法谐波信号进行仿真分析验证该算法谐波分析准确性搭建实验台智电表进行调试
关键词：智电表载波通信STM32谐波分析FFThttpsfanyisogoucomjavascript
abstract
As the basic equipment of electric energy data collection smart meter plays a very key role in the construction of smart grid Smart meters are required to have the functions of collecting measuring and transmitting raw power data With the development of smart grid new requirements are put forward for smart meters As more and more nonlinear loads are connected to the power grid harmonic pollution is generated in the power grid which not only wastes electric energy but also brings certain economic losses to the power sector Therefore smart meters with harmonic detection function have emerged at the historic moment with the call of national energy conservation and emission reduction in order to improve residents＇ awareness of saving electricity timeofuse electricity price has been proposed to be applied in some areas which requires the meters to have timeofuse charging function At the same time in order to improve the convenience of users twoway communication between power companies and users has also received more attention The subject is based on the powerful data processing capability of the smart meter STM32 which is combined with the power
acquisition circuit and the peripheral circuit of the main controller STM32 to realize the power metering function timeofuse electricity price function twoway communication function and harmonic detection function of the smart meter In this paper the effect of FFT on harmonic analysis is studied and the interpolation and windowing FFT algorithm is applied to harmonic analysis to reduce the influence of spectrum leakage and error caused by fence effect The subject mainly completed the design of hardware and software program of smart meter The hardware circuit mainly designed voltage and current acquisition circuit ADC sampling circuit RS485 communication circuit etc By using MATLAB simulation software the harmonic signal is simulated and analyzed by FFT algorithm with windowed interpolation and the accuracy of harmonic analysis by this algorithm is verified Finally an experimental platform was built to debug the smart meter
Key words：Smart meters Carrier communicationSTM32harmonic analysisFFT
第章绪
11引言
年国济态势呈现出相快速发展趋势工业信息化兴起正21世纪注入新生机活力程中引起领域相关员足够重视电切实效利成发展重中重传统形式源已满足行业进步发展需尤环境污染方面需相节环保源出现电工业领域效应定程度促社会着谐稳态层次进行长足性发展仅相应污染效降低够限满足物质文明发展需电动机身称种相较绿色源形式前应程中直受青睐相应科学技术稳步提升背景企业呈现出逐步规模集成网络现代化更加智动化尤智电网开发定程度较相应传统电力行业更加切实效仅操作便捷方面安全性方面切实应着相关智电网技术断完善类日常生活变更便捷具定节环保性功效
智电表出现说占着智电网中重中重位着传统形式电表基础技术断更新完善融入系列智化素形成谓智电表具特性结定程度更加稳定操作方面更精准说明确户电力部门实际利益化身传统形式电表集中电磁式相效降低工抄表工作量外效避免电表老化产生抄表误差精度方面更加准确前稳定新型智性电表效开发仅电计量功具传统形式保留集成系列电力信息存储功系列种形式费核算客户端定义
控制相互间双通信等层面新型智电表说智电网终极形式智终端电切实效利方面承载重中重方
智电网研究趋势断着前性智性发展程中需相应电表具定相较精准稳定计量方式电力电子相关发展呈现出逐步日趋完善趋势非线性负荷方面电网中皆程中谐波电流电压形式呈现出断升趋势系列发展需程中便会造成定谐波污染仅定程度带相应电形浪费直接导致相关电力部门济效益蒙受折损样前提背景必须效研制出种具谐波检测功效智电表产出国家日益加强节减排方面声明程中出台系列电费梯度征收政策目效提升国居民节约避免浪费意识切实响应国家相关号召襄阳智电表开发必须具备定分时分层计费功效外相关户提供出定操作便捷性定程度实现相关户电力部门进行双通信
12国外研究现状
121国外研究现状
针智型电表开发程中国外发达国家起步相较早前形势已呈现出高精尖等形式集成化特点仅硬件方面创新更加关注方面性稳步提升发展目前止相应研究重点集中智化应相关方面新型智电表系列基础性研究程中引入更先进较科学技术利智电表配合设备完成特定功
针通信应方面国外西方发达国家采形式属线传输相较常见程中效引入线传输功相关电力部门建立起定通信网络实现实时效通讯涉网络类型具体结：网状网络固定线形式者二者混合搭配外说潜资源开发譬WiFi形式应相关物联网够搭建台相关网络定程度仅够满足端网络进行切实效通信满足类日常生活种行需程中效Zigbee相应线技术相应新型智电表进行家庭局域网集成化改革定程度系列家电器譬电视空调洗衣机等相应新型智电表进行切实效交互程中仅够效监测电器单独运转状态够监测相互间协作运行状态外新型智电表仅仅局限户端效应电网相关设备中监测电气设备工作状态国外电力公司尤变压器中压馈线中引入相应智电表程中实时数采集监测功发挥淋漓致效反馈相应控制系统中相应障监测运行状态实时呈现相关操作员眼中
然国外发达国家方面研究相较早呈现出系列够规范适应性强等方面足相应项指标标准未成文统检失真方面数丢失层面皆难切实效避免
外谐波功率相应电效求解方面处相探索完善阶段想实现高度专门化效利需进行断摸索开发
122国研究现状
国针新型智电表方面研究国外西方发达国家相起步相较晚处开发探索初级阶段集中学效消化西方开发出技术验研发方面呈现出相薄弱态势系列工程应领域已定应西方发达国家注重层次存相较明显差异国方面研究中集中硬件相应功实现层面
前形势国研制出新型智电表定程度基相应结构结类：机电体化形式全电子形式谓前者传统机械式电表基础进行相应完善改造工作实现仅够保留传统机械表计数步相关层面功外相应电脉产出相应计量精度定程度够满足国前形势计量标准较传统机械形式电表相精度定程度效改善仅传统机械式电表改造程中切实效应成制造方面效降低便相关工操作安装者全电子形式融入更相关电力电子层面技术部核心数系列集成电路相应电子元器件封装方面实现更精体积精度层面说进行幅度改善外更突出功耗方面身功耗相较少传统机械表相制造工艺方面性稳定稳定呈现出相优势相信未段时间成电力应市场流产品
程中国针智新型电表方面研究切实效完善类物质文化发展需求效提升程中相关电力部门提出更高层次求具体结精度逐步提升功趋元化智化相应操作状态更加稳定定程度智化发展奠定定应基础想定全面性市场化应段长路走
13研究意义目
智电网开发已成衡量国际综合实力重素迫切需进行逐步完善成熟程中相应智终端谓新型智电表承载着重中重位未发展程中新型智化电表定代传统形式机械表方面操作交互更便捷求新型智电表进行效衔接进行户相关建立部门间进行方面实时效通讯样相应智电表设计更性化断满足种形式需求需引入定集成电路性相较高微处理芯片新型智电表开发程中低层次求进行相应计量核算功响应国家相应节减排号召需具备定分时分层全面动化计量功定程度相关户带相应体验便捷舒适性外需具备定数处理分析力时电网中产出系列谐波电流电压进行切实效监测电网环境维护层面相关电力部门切实效益方面定程度带相较促进功效
14课题研究容
文针载波通信形式进行相应三相智电表开发设计结合相关电力层面基理相关文献设计电表达测量三相电压电流功功功率功率数分时计量三相正反功电具计量显示通讯功时进行数测量量计算谐波电流电压相关实时检测方面实际应进行切实效分析程中针相应硬件电路软件编程相关算法展开系列研究
15文章节安排
第章 针新型智电表前形势国外呈现出研究状况进行相应总结纳切实效分析定确定出文展开研究框架
第二章 基相应智型式电表实现功进行相应硬件方案设计完善具体涵盖控芯片选取电流电压相关数采集计量芯片选择MCU存储模块设计电路设计等
第三章 基相应智型式电表实现相关功进行软件部分设计开发程中进行模块化设计
第四章 针电计量谐波电流电压检测方面进行总结纳分析针谐波分析算法够造成系列危害进行详细介绍分析通仿真选择傅立叶变换分析法外针插值加窗算法谐波进行切实效分析进行系列仿真进行加验证
第五章 总结展根相应设计指标完成效设计回顾前面问题解决办法做出效总结针文设计出新型智电表中足进行相应展
第2章智三相电表硬件方案设计
该硬件系统相关设计工作具体结：电源数采集计数信息储存通讯信息显示相应时钟模块
(1)电量计量方面引入芯片进行效计数部位进行切实效结合实现电量计量程中相关采集计算工作需系列参数效呈现出身数字信号处理方面表现出相优良效果具备定算法集成力形中相应降低定工作量
(2)模块采取控芯片旗核产品该种类型控芯片性价相较高仅够进行实时快速响应中断周期相较固定功相较齐全价格低廉美丽
(3)控芯片基协议相应校表数传送芯片部计量关相应参数样基协议反馈外部控芯片中时步进行相应信息记录存储部通信模块实现位机间数交换显示台加切实效分析
21电表硬件系统框图
引入进行电量效计量控芯片选取旗核产品图21示呈现出整体硬件框图
Acline
LCD面板
电压采样
LCD控制驱动
STM32F103RET6
电流采样
计量芯片
ATT7022C
载波
光电隔离
485
EEPROM
ACDC
FLASH
负载
电源理
电池
图21 整体硬件框图
智电表硬件系统搭建程中占重中重位结信号采集计算数处理相应通讯模块设计模块优良程度直接影响相应市场份额保量偷电漏电工查表计费等现象定程度效杜绝方面带定便捷相应电力部门带良效益
位机芯片选 公司高性芯片拥位控制器核整体封装紧凑价格低廉高频率片接口外部中断416定时器两口引入进行电量效计量身数字信号处理方面表现出相优良效果具备定算法集成力
形中相应降低定工作量搭载定载波通讯功定程度户实时监测电状况节省工抄表核算工作量外效避免偷电漏电现象产出
22 硬件电路部分相关设计
节集中相关硬件电路相关设计工作具体结：电源数采集计数信息储存通讯信息显示相应时钟载波通讯模块满足相应功前提抗扰动性效提升功耗方面效降低
221数采集计数模块
电量计量工作咎芯片进行完成说该模块重中重位该产品具备引脚形式身集成部六路分实现相应电压电路采样工作外路进行相应防偷电某种参数进行采样具定操作便捷性存电压监测电路够确保掉电维持常态运行外具备口进行切实效通讯相应外围电路结：电源通讯脉输出等
（1） 电源电路设计
进行电源电路设计中需定程度确保保定电磁兼容性三相电源供电原理图图22示：
图22 三相电源att7022c供电
（2）关脉输出电路设计
该功效校表服务代表功脉输出代表功脉输出基进行相应控制寄存器配置效选取基波表模式中代表基波功脉输出代表相应功输出生成脉输出信号程框图图示：
电脉输出信号程框图
（3） SPI通讯接口电路
控芯片间存条连接线部口占相应条余两条分复位相应握手信号线
部关读写方面具备相较完善检方式需保定抵抗扰动力满足设计需求条件连线跨度引底线包裹方式进行传输降扰工作确保高频干扰效压缩引入电阻串接信号线中外需输入端引入耦形式电容定程度理解低通滤波器程中耦电容适放确保抵御干扰功效较优良中串入电阻入电容离串入电阻入电容控芯片离执行电遭干扰复位时定通控芯片效口进行相应校表数相关更新工作定程度保证计量结果准确程度信号功效通知控芯片进行效握手程中进行实时监测确保执行电复位操作控芯片定程度实现步形式读写进行复位时候定确保信号高低电实现效复位操作程中呈现出高电紧接着控芯片信号进行相应拉高约持续宣告初始
化工作完成便呈现出低电进行相应读写分引入电容端口输入端切实效干扰程度降通讯电路图23示
图23 SPI通讯电路
222 相应数储存模块
选 公司高性芯片拥位控制器核整体封装紧凑价格低廉务处理机制新型智电表设计重中重众数信息均储存部基实现单双结算形式总电甚种关电相关费率
（1）MCU模块
控芯片身形式相应种数路径呈现出位形式程中包括相应寄存器存储接口部具备指令数总线呈现出相独立状态进行相关数访问程中便会指令状态局限性运转方面效提升样系统总线便干扰进行外设相应存访问中涉片片外系统部门存储单元相应片外扩展相应指令总线实现代码储存区域访问总线第项功取指第二项功完成相关查表工作基优运行速率完成相应优化工作运转电压约部具定调压
力实现调节外部电压调节器运作形式结种方式：
(1)运转模式：控芯片相应外设保持持续进行效供电
(2)停止模式：谓低功耗运行提供电源仅供进行保存数需
(3)机模式：该模式供电终止项数全面清空系列备份区域
控芯片部存电掉电复位电路相应电压实现维持运作定程度相应限位电压相较低时呈现出复位状态根形式外部复位电路高速形式外部时钟信号产生结外部谐振器户外部时钟相应失真状态启动稳定时间压低求谐振器负载电容器振荡器间距离断减相应外部时钟频率实现必须确保建立起效连接外确保呈现出悬空状态存控制器两部双存储间外设间实现相较高速传输程中执行干预仅仅数实现快速移动形中相关资源进行效节约中存通道然仅仅存通道负责外部请求专门化控外存仲裁器进行相应优先权协调工作
部模数转换功分辨率约位存通道够实现外部部信源相关测量通道转换功均实现单次连续扫描间断进行转化结果仅够实现左齐形式实现右齐形式进行位寄存器中存储模拟门狗功效允许程序检测中电压相应输入否高事先户规定高／低阀值值需条件工作相应转换时间：时钟呈现出基时钟呈现出基存位形式数字输入电压输出数字／模拟转换器进行位位形式布置外够控制器进行联合位模式运转时转化结果仅够实现左齐形式实现右齐形式存输出通道相应转换器独立存够双模式运转外保持通道步更新输出步完成够分单独完成脚完成参考电压录入确保相较高质量结果图24示呈现出硬件接口电路
图24 STM32F103RET6硬件接口电路
（2）实时时钟RTC
称相较独立定时器部具备组相较连续计数器完成良软件配置便效显示相应时钟仅需简单变更初值实现前形势系统时间设定系统采取芯片具低电流功耗部配备相较稳定数字形式温度补偿晶体振荡器相应分频器够执行总线形式高速模式外搭载定定时报警功效进行天日期时分钟形式设定存固定周期形式定时中断相应时间更新中断搭载闰年调节功效接口电压相较宽泛：时间保持电压相较宽泛：处交流进行供电时进行相应软件配置确保进行标准时速出具体形式功效：基光耦隔离实现相应外部校时直接传送中路通道进行相应秒脉周期切实效检测进
完成部时钟振荡频率相关校准工作电池进行提供量时基软件配置完成秒脉输出关断降低量消耗图25示呈现出电路
图25 RTC电路图
（a）电池RTC供电（b）RTC电池电压
（3）串行外设接口相应数储存
谓串行外设接口允许芯片外设进行定通讯具体方式结：步半／全双工等形式定程度进行相应模式配备定程度提供通讯时钟协议需引脚部件进行切实效通讯：(1)：输入／输出引脚谓接收发送(2)：输出／输入引脚第项相反发送接收(3)：谓串口时钟代表输出输入(4)：片选定程度效避免相关数线呈现突现象
选取位串行功耗相较低位字节形式单元约引脚功效生成相应部时钟引脚功效全局数收发代表相应器件址输入旦悬空定程度够实现项级联针进行相应写保护限制允许进行读操作引脚构成总线寻址形式种状态实现悬空操作实现相连操作相应写保护引脚构成连接者呈现悬空状态开放相应器件完成读写操作
图26示呈现出连接电路：
图26 AT24C02BRX8025T接口电路
非易失性铁电存储器选取身具备定高速串行呈现出引脚高度集成封装值注意存定差异定程度够实现相应总线速率进行相应写操作功耗方面相较低相应读写次数基受限制工作状态仅需相低电流切实效运行电压范围相较宽图27示呈现出相应接口电路
图27 数存储接口电路
（a）FRAM接口电路（b）FLASH接口电路
223显示模块
文开发新型智电表显示模块具体选液晶屏实现相关数显示工作底色呈现出白色字体黑色显示相应背光谓明形式户进行相关操作时候呈现出背光形式便观察部显示项信息谓度说液晶屏相关参数中重中重定程度着度升相应呈现出色彩层次更加分明
显示层次进行模块化具体应插件形式进行衔接选取部驱动芯片显示段达文中利两块相芯片进行相应控制仅需引脚电形式加控制完成相应度调节变换该芯片干电池进行供电交流形式进行相应供电均效保持低耗状态进行类似休眠状态间够呈现出约压差定程度够保持度变电路设计方面相较简便较稳定图28示呈现出显示电路接口原理图
224 通信外置型电力线载波通信模块
文开发智电表身具备接口中接口相应外置载波通信模块进行效通讯实现相关抄表工作
（1） 通信
通信接口仅具备定高效性够满足定性外进行点形式通讯相应电路设计涉接口程中定进行相应电气隔离外具备定失效保护电路相应干扰压低实确保高效稳定相应通信速率达：图29示呈现出相应电路
RS485通信接口电路
（2）外置型电力线载波通信模块
谓外置型电力线载波通信模块定程度够实现插模块国专门电力部门进行系列标准化制造呈现出良互换性适范围相较广低压接口双建立起相应联系文开发智电表应弱电接口双插座够满足连接关系引脚代表该模块模拟电源相应电压极限瞬时电流达引脚代表该模块数字形式电源相应电压极限瞬时电流达呈现出接形式功效信息
发送电代表着种形式事件状况输出旦时钟障产生便会立呈现出高电意味着提醒执行相应异常查询结束恢复低电表征着电表基表输入信号旦相应高电标志着需进行载波通信程中通讯波特率相较局限保持变外具备定失效保护电路确保状况效避免身性相关计量失真智电表侧载波耦合接口应双插座进行相应效连接
（3） 通信协议
目前智电表均采DLT 645 2007 通信规约约定格式进行通信DLT 645智电表中需数进行非常详规定通信数校验方式进行规定字节采偶校验数帧采累加(CS)检验方式2校验方式实现错误检测
具体通讯协议具体结—半双工形式相应站涵盖手持单元系列形式数智形式电表承载着站位站间具备相应址编码站进行相应帧发送实现种联系效控中帧涵盖：起始符址码控制字数域相应长度帧容相应校验码截止符等
通常情况采取偶校验联合校验形式抵御干扰力相足然引入红外等短程通信性稳步提升起始校验定程度基够确保数进行准确传输进行较远距离通讯产出干扰相较强否准确需进步校验譬循环冗余校验进行代定程度效避免错误现象发生
23章结
章设计智电表功进行模块化设计进行模块硬件搭建功层面分析具体涵盖电源数采集计数信息储存通讯信息显示相应时钟载波通讯模块等相关硬件电路搭建
第三章三相智电表软件部分设计
前面已针硬件电路进行切实效全面设计控芯片该部分执行控制重中重接软件部分设计服务控芯片运作具体运作流程进行相应电流电压信号进行采样转化成够进行效运算数字信号紧接着中进行相应处理满足相关指标需求项参数完成相应电量消耗情况系列求解外针相应谐波信号需完成步切实效谐波分析第步进行线性插值处理紧接着完成加窗处理次进行变换便呈现出电网项幅值相位致参数进行效存储程中串口进行效通讯基分段时间函数确定分时分层计费显示屏中进行实时数呈现
31总体软件设计流程
进行相关软件部分设计程中融入系列模块化构想程中利清晰读定程度具相较强移植性效率方面提升智电表相关功实现功块子程序进行联合具体涵盖计量谐波分析储存通讯子程序等
1首先需做系列初始化问题整体形式初始化定程度结相应寄存器相应子模块进行效配置外涉定时器相应时钟初始化配置
2系统程序系列子程序进行效调实现智电表方面功
3运行程中务必保证相较合理先序进定程度进行稳态运转
图31 程序框图
旦进行效电需完成系列初始化换句话说项参数效配置具体结相应晶振承载着体时钟位针意附类型含义完成相应初始化便采集相关信号实行谐波分析外针相应谐波信号需完成步切实效谐波分析第步进行线性插值处理紧接着完成加窗处理次进行变换便呈现出电网项幅值相位致参数进行效存储程中串口进行效通讯基分段时间函数确定分时分层计费显示屏中进行实时数呈现
针分时分层计费根相关文件求具体确定程中区呈现出定分时差异绝数时段进行整天划分中部分占着时具体划分：高峰期般性时期低谷时期等程序编写程中进行简化实际操作中两部分进行计算谓高峰期低谷时期分进行针化编程中
效状态标志位进行时段变更做出相应判低谷时期运行时候旦呈现出跳变相应计量模式便会跳转高峰期规定运算方式进行相应计费完成前项数存储显示液晶屏中
32模块程序设计
321 耗电量计量谐波分析程序框图
电计量流程图图32图示：
图32
项参数信息刷新频率周期约左右时伴着相应标志位设定程序相应数进行切实效处理完成更新周期需进行标志位重置工作否便会陷入谓空循环形式
旦程序成功接受相应标志位够转入谐波分析运行程中完成更新项参数便会转移具连续性质数组中便事进行谐波分析时调外系统会数组项信息进行定判否达满存状态关效进行相应谐波分析
旦谐波分析条件已达成时候相应子程序便运行首先需做针连续周期数定程度完成线性插值便产出幂指数形式相关信号次需进行相应加汉宁窗处理处理完成调函数实现相应谐波分析分析完成相应存储器中进行保存外项参数数转移缓存器中样串口发送带定便利
判结果足进行谐波分析时程序便会跳出执行续安排程中相应瞬时电流电压完成相应转化外需瞬时值进行功率数耗电累积情况求解
322 存储模块程序
图33示存储模块相应间总线完成效通信相应存储电路功效项电数效存储具体涵盖分时谐波参数存储等程中总线效配备说存储设计重中重环节控芯片需完成数字信号转化需夹杂系列处理加工工序需快速转移中进行效存储外确保传输程够准确误进行前提芯片身具备快速应答处理力址分配方面定程度保证相合理判力讲强力考验紧接着总线进行号入座相应址单元便实现相应参数读取工作
图33 存储单元流程图
323通信模块程序
文开发智电表具备定信息收发功具备创新性够定程度实现双通讯程中种形式电表始终界士青睐研究热点通信布局具体结电表接口电路相应采样单元行采样单元效进行项智电表信息参数进行切实效采集程中具体涵盖：电流电压谐波参数功功率等时接收电力部门发布项通知保障户间进行切实效信息流沟通
图34 串口通信发送流程图
图34示呈现出串口通信发送形式带系统完全跳入中断进行相应数发送首先发数转移部次执行相应标志位清空操作总体中断进行开启然退出发送中断程序需注意针发送完毕状态进行相应判已完毕便相应中断标志位清空操作否完成址指针加操作
33章结
章基智电表预期功指标完成相应软件部分设计工作采取模块化思想着手实施首先进行程序设计次完成功模块相关子程序设计终完成相应功程序编写工作定程度具备相较强移植性
第四章电计谐波分析理基础
文设计智电表方面确保相关电消耗准确误计算存储外服务电网中项参数实时监控具体涵盖电流电压效值功功功率频率参数相应谐波参数等章针系列参数进行切实效推导
41 关电计量
谓功功率结某周期负载消耗者电网呈现出相应瞬态功率进行积分操作求解结果均值瞬时功率表达式示：
(45)
(46)
式（41）中代表相应电压效值
式（42）中代表相应电流效值
相应瞬态结果：
(47)
谓功功率结：
(48)
相应功功率表示推导程：
(49)
(410)
(411)
(412)
式中代表相位位移定程度理解功形式负债造成
功功率均值表示：
(413)
结合式（49）够知仅需电流进行相移相移电压进行积产出相应功功率
文设计智电表仅需电流电压采集加分析现实相应电参数效控托便实现项电信号进行数字化转换次衔接控芯片部完成相应运算相应功率形式参数测定着控芯片处理力断提升前形势进行相较复杂方式计量运算
图41 AD采样计算原理框图
具体实际交流电路部相应交流电压电流效值求解：
(414)
(415)
相应功功功率求解：
(416)
(417)
程中针交流电压电流完成周期等分托完成切实效采样工作定程度形成相应离散数值等分效果足够细采样离散数值越逼真实值图42示呈现出相应拟合波形方求方式积分求解进行等效代：
(418)
(419)
相应功功率均值描述：
(420)
图42示电压完成移相相应功功率具体表达式：
(421)
图42 电压电流功率瞬时值采样
42关谐波基概念
谓电网中谐波定程度指相应电流电压呈现正弦变化趋势部具备频率呈现出基波整数倍形式电系列周期性变化信号完成傅立叶变换程中相应频率超基波电量电网领域进行供电时呈现出固频率日常生活中常说50赫兹50赫兹呈现出变化频率信号谓谐波通常情况非线性负载电路中旦引入正弦电压相应电流会造成定畸变呈现出非正弦态势进造成负载电压电流间值呈现出非正形式定程度造成类似正弦变化谐波发生畸变信号定程度呈现出周期正弦致基傅立叶进行相应展开便会相应直流分量系列50赫兹整数倍正弦波谓畸变信号具体形式示：
(422)
中直流分量基波角频率
通式分析相应谐波进步分解具体形式包括直流分量种样频率相正弦波幅值相位角频率存定差异基频率差异结偶奇次形式谐波理解成谐波频率分基波频率奇偶次倍
旦电网中产出定谐波便会良电网环境造成极严重威胁污染甚会造成系列电气设备正常运转外会周围系列通信设备造成定影响谐波电压产出定程度会造成供电质量逐步降导致传输方面方面效率相较低外谐波会相应电气设备造成热颤抖噪声现象情节严重话造成机器损坏甚报废
43傅里叶变换
431关傅里叶变换推导
类似电流电压周期变化信号引入周期函数进行表示：
(423)
式（419）中字符代表相应变化周期频率表示角频率表示
(424)
周期函数：
(425)
中代表该周期函数周期
进行傅里叶展开：
(426)
中代表直流分量分代表第次谐波余弦正弦系数
(427)
(428)
(429)
(430)
相应谐波频率已知：
(431)
(432)
(433)
般情况电网中畸变波形基满足傅立叶级数相应展开条件进行切实效傅立叶变换呈现出次谐波基波代数
432离散形式傅立叶变换
通常情况电网中非周期信号呈现出没规律循畸变波形解析式方式进行傅立叶变换够运行定程度进行效截断切实效处理种问题出现然针相应截断信号完成相应采样进步转化成数字信号形式便控芯片进行运算完成谐波分析
针连续信号进行相应采样呈现出离散序列理解相应周期序列部周期限长序列：
(434)
(435)
DFT矩阵方程：
(436)
(437)
式中
称蝶形子根式（430）清晰出求解全部需完成次求次法
433快速博里叶变换
基离散傅里叶变换定程度独称周期性实现相快速简便操作质层面存较范围创新程中明显特性更加快速精准程度相较高实现运算效托具备称周期特性完成相较点数进行切实效分解操作转变成相应系列较点数组合形式定程度限度降低运算量
定程度算法结成两种时域抽取法谓二频域抽取法谓文针智电表研究程中仅仅局限时域抽取法进行分析处频域抽取法进行赘述谓时域抽取法定程度点输入序列进行相应奇偶分类：
令n2rn 2r+1r 012N21
(438)
式（434）中
令
(439)
(440)
(441)
根相应称性：推导出：
(442)
时候便够进行代表式(435)(436)式运算图43进步说明谓蝶形运算间关系图44示
图43 蝶形运算符号
图44 FFT 运算流程图
根图44知完成次分解计算点程中需求解两点蝶形运算计算N2点DFT需(N2)²次复数法(N2)(N21)次复数加法图44求解点时需法次数
(443)
需复数加运算次数约：
(444)
出完成次分解相应计算量降半左右
44谐波检测
441 请波信号分析
定程度拥定选频特性相应信号形式结连续性质模拟量相应运算处理前需进行相应模数转换定程度模拟量进行相应离散化处理进完成数字量形式转化根相应功实现形式进行切实效截短操作成长度效序列针终形式进行相应离散傅里叶变换结果记 说分析频谱终结果
信号采样流程具体结：针连续形式信息进行相应采集转化离散形式基等间隔采集需固定周期进行相应采样工
作代表相应采样周期代表相应采样频率代表相应角频率
文涉采样器结电子开关组合形式逢采样周期便会形成相应间歇性质关断完成次采样工作程中似作激函数表示：
(445)
针激函数进行相应傅里叶变换：
(446)
式（442）中代表采样频率激函数积结果谓采样信号
(447)
众周知时域相应频域卷积：
(448)
结合相应激函数卷积特性：
(449)
相应信号截断流程：截短进行矩形窗口做法运算：
(450)
傅里叶变换流程总结：针截断信号展开离散形式傅里叶变换：
(451)
进行列截断处理定程度便会造成系列误差产出具体误差形势结：频谱混叠泄露相应栅栏效应
(1)混叠现象针连续模拟形式信号执行采集时相应采样频率采样频率倍时定程度会频谱中呈现出相互重叠现象谓频谱混叠程中采样频率切实效控两倍定程度效避免该类误差产出率中低
采样频率( )谓奈奎斯特采样频率具体操作程中需根实际情况做出具体判断满足产出混叠时确保相应采样频率相较高通常情况难效确定原频率需引入定滤波操作混叠现象效压低
(2)频谱泄漏针相应采样信号进行快速傅立叶变换时候保证精确度需作出定截断处理程中非周期阶段会伴着拖尾现象产出定程度造成谱线相较分散谓频谱泄漏截断信号相较长时相应误差量会呈现出相较趋势时频谱泄漏会伴着混叠现象产出进频谱展宽呈现出旦高频高时会导致混叠现象产出尤进行家装阶段条件相应表现较明显需注意加装彻底避免频谱泄漏加窗函数选取定程度直接影响谐波分析准确度
(3)栅栏效应针相应采样信号进行时相应频率结时域条件针离散信号进行点等间距采样时候会造成采样点遮挡现象产出类成透栅栏缝隙进行相应观察终定频谱值谓栅栏效应确保漏掉部分频谱够切实效检测般情况针限长度引入定插值处理关限长度序列采取提升信号截取长度方式者提升变换区间范围
种情况产生相应运算结果定程度会造成相应误差尤相位层面相较严重会造成精度达设计需必须相应变换进行断完善确保精度够满足设计需求
442谐波检测FT算法
算法通常情况相应采样时间求相较高必须确保高度步性针电网信号进行采样时相应频率发生着规变化确保定需采样频率整数倍理想状态默认电路中时间呈现出限长趋势实际操作中仅仅局限某区间段外系列混叠现象加注意文程中进行改进效引入插值加窗函数确保相应谐波分析够定范围相较准确
插值函数刷新频率处赫兹条件求需整周期进行相应采集通常情况基波频率般保持赫兹采样周期完成点采集程中选取周期进行相应谐波分析终够样值需注意文采取基算法二指数形式程中选取恰差值数量效降低相应计算量终确定完成插值数约程中基线性插值方式进行具体结相应目标数采样数建立起相较明确应关系终实验结果曲线相较吻合程中出相应结引入线性插值仅够降低频谱泄漏栅栏效应够达预期精准度求
窗函数完成相应差值需进行加窗处理混叠现象切实效压低表1中呈现出相应加工参数续仿真实验进行效
结合文智电表设计目标项需求功实现终选取海宁窗形式进行加窗处理定程度效避免频谱混叠泄漏现象产出相应表达式：
式中 代表采样点数目
文采谐波分析算法呈现图中相应连续模拟信号切实效转化成数字信号形式接着整采周期执行谐波分析需注意需引入插值窗函数进行快速傅立叶变换终串口进行相关参数输出
443 插值加窗FFT仿真
根相关文献资料知加窗目相应信号够呈现出相较良周期性定程度够频谱泄漏现象进行效压低形式窗函数频谱特征相程中差异呈现瓣宽度旁瓣衰减速率幅值失真程度定程度确保截断时域信号相应波形突变效缓解通旁瓣变减少旁瓣泄漏分采矩形窗汉宁窗N512时原始信号进行加窗FFT处理
仿真实验中原始信号
图45 FFT仿真结果图
图45示加矩形窗情况信号频谱谱线周围呈现出定旁瓣现象程中造成频率差异层次分量干扰程中会伴误判现象产出定程度相应准确度造成降加汉宁窗情况谱相集中旁瓣相滑出引入汉宁窗定程度效避免频谱泄漏
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摘
智电表作电数采集基础设备智电网建设中起着非常关键作智电表求具备原始电数采集测量数传输功着智电网发展智电表提出新求越越非线性负荷接入电网导致电网中产生谐波污染仅浪费电电力部门带定济损失具谐波检侧功智电表应运生：着国家节减排号召提高居民节约电意识分时复费电价提出已部分区实施应求电表具分时计费功时提高户电便捷电力公司户间双通信受更关注
课题基徽处理器 STM32 强数处理力配合电采集电路控制器 STM32 外围电路实现智电表电计量功分时电价功双通信功谐波检测功课题研究 FFT 谐波分析中作插值加窗 FFT算法谐波分析减频谱泄漏栅栏效应带误差影响
课题完成智电表硬件软件程序设计硬件电路设计电压电流采集电路 ADC 采样电路 RS485 通信电路等通利MATLAB 仿真软件加窗插值 FFT 算法谐波信号进行仿真分析验证该算法谐波分析准确性搭建实验台智电表进行调试
关键词：智电表载波通信STM32谐波分析FFThttpsfanyisogoucomjavascript
abstract
As the basic equipment of electric energy data collection smart meter plays a very key role in the construction of smart grid Smart meters are required to have the functions of collecting measuring and transmitting raw power data With the development of smart grid new requirements are put forward for smart meters As more and more nonlinear loads are connected to the power grid harmonic pollution is generated in the power grid which not only wastes electric energy but also brings certain economic losses to the power sector Therefore smart meters with harmonic detection function have emerged at the historic moment with the call of national energy conservation and emission reduction in order to improve residents＇ awareness of saving electricity timeofuse electricity price has been proposed to be applied in some areas which requires the meters to have timeofuse charging function At the same time in order to improve the convenience of users twoway communication between power companies and users has also received more attention The subject is based on the powerful data processing capability of the smart meter STM32 which is combined with the power
acquisition circuit and the peripheral circuit of the main controller STM32 to realize the power metering function timeofuse electricity price function twoway communication function and harmonic detection function of the smart meter In this paper the effect of FFT on harmonic analysis is studied and the interpolation and windowing FFT algorithm is applied to harmonic analysis to reduce the influence of spectrum leakage and error caused by fence effect The subject mainly completed the design of hardware and software program of smart meter The hardware circuit mainly designed voltage and current acquisition circuit ADC sampling circuit RS485 communication circuit etc By using MATLAB simulation software the harmonic signal is simulated and analyzed by FFT algorithm with windowed interpolation and the accuracy of harmonic analysis by this algorithm is verified Finally an experimental platform was built to debug the smart meter
Key words：Smart meters Carrier communicationSTM32harmonic analysisFFT
第章绪
11引言
年国济态势呈现出相快速发展趋势工业信息化兴起正21世纪注入新生机活力程中引起领域相关员足够重视电切实效利成发展重中重传统形式源已满足行业进步发展需尤环境污染方面需相节环保源出现电工业领域效应定程度促社会着谐稳态层次进行长足性发展仅相应污染效降低够限满足物质文明发展需电动机身称种相较绿色源形式前应程中直受青睐相应科学技术稳步提升背景企业呈现出逐步规模集成网络现代化更加智动化尤智电网开发定程度较相应传统电力行业更加切实效仅操作便捷方面安全性方面切实应着相关智电网技术断完善类日常生活变更便捷具定节环保性功效
智电表出现说占着智电网中重中重位着传统形式电表基础技术断更新完善融入系列智化素形成谓智电表具特性结定程度更加稳定操作方面更精准说明确户电力部门实际利益化身传统形式电表集中电磁式相效降低工抄表工作量外效避免电表老化产生抄表误差精度方面更加准确前稳定新型智性电表效开发仅电计量功具传统形式保留集成系列电力信息存储功系列种形式费核算客户端定义
控制相互间双通信等层面新型智电表说智电网终极形式智终端电切实效利方面承载重中重方
智电网研究趋势断着前性智性发展程中需相应电表具定相较精准稳定计量方式电力电子相关发展呈现出逐步日趋完善趋势非线性负荷方面电网中皆程中谐波电流电压形式呈现出断升趋势系列发展需程中便会造成定谐波污染仅定程度带相应电形浪费直接导致相关电力部门济效益蒙受折损样前提背景必须效研制出种具谐波检测功效智电表产出国家日益加强节减排方面声明程中出台系列电费梯度征收政策目效提升国居民节约避免浪费意识切实响应国家相关号召襄阳智电表开发必须具备定分时分层计费功效外相关户提供出定操作便捷性定程度实现相关户电力部门进行双通信
12国外研究现状
121国外研究现状
针智型电表开发程中国外发达国家起步相较早前形势已呈现出高精尖等形式集成化特点仅硬件方面创新更加关注方面性稳步提升发展目前止相应研究重点集中智化应相关方面新型智电表系列基础性研究程中引入更先进较科学技术利智电表配合设备完成特定功
针通信应方面国外西方发达国家采形式属线传输相较常见程中效引入线传输功相关电力部门建立起定通信网络实现实时效通讯涉网络类型具体结：网状网络固定线形式者二者混合搭配外说潜资源开发譬WiFi形式应相关物联网够搭建台相关网络定程度仅够满足端网络进行切实效通信满足类日常生活种行需程中效Zigbee相应线技术相应新型智电表进行家庭局域网集成化改革定程度系列家电器譬电视空调洗衣机等相应新型智电表进行切实效交互程中仅够效监测电器单独运转状态够监测相互间协作运行状态外新型智电表仅仅局限户端效应电网相关设备中监测电气设备工作状态国外电力公司尤变压器中压馈线中引入相应智电表程中实时数采集监测功发挥淋漓致效反馈相应控制系统中相应障监测运行状态实时呈现相关操作员眼中
然国外发达国家方面研究相较早呈现出系列够规范适应性强等方面足相应项指标标准未成文统检失真方面数丢失层面皆难切实效避免
外谐波功率相应电效求解方面处相探索完善阶段想实现高度专门化效利需进行断摸索开发
122国研究现状
国针新型智电表方面研究国外西方发达国家相起步相较晚处开发探索初级阶段集中学效消化西方开发出技术验研发方面呈现出相薄弱态势系列工程应领域已定应西方发达国家注重层次存相较明显差异国方面研究中集中硬件相应功实现层面
前形势国研制出新型智电表定程度基相应结构结类：机电体化形式全电子形式谓前者传统机械式电表基础进行相应完善改造工作实现仅够保留传统机械表计数步相关层面功外相应电脉产出相应计量精度定程度够满足国前形势计量标准较传统机械形式电表相精度定程度效改善仅传统机械式电表改造程中切实效应成制造方面效降低便相关工操作安装者全电子形式融入更相关电力电子层面技术部核心数系列集成电路相应电子元器件封装方面实现更精体积精度层面说进行幅度改善外更突出功耗方面身功耗相较少传统机械表相制造工艺方面性稳定稳定呈现出相优势相信未段时间成电力应市场流产品
程中国针智新型电表方面研究切实效完善类物质文化发展需求效提升程中相关电力部门提出更高层次求具体结精度逐步提升功趋元化智化相应操作状态更加稳定定程度智化发展奠定定应基础想定全面性市场化应段长路走
13研究意义目
智电网开发已成衡量国际综合实力重素迫切需进行逐步完善成熟程中相应智终端谓新型智电表承载着重中重位未发展程中新型智化电表定代传统形式机械表方面操作交互更便捷求新型智电表进行效衔接进行户相关建立部门间进行方面实时效通讯样相应智电表设计更性化断满足种形式需求需引入定集成电路性相较高微处理芯片新型智电表开发程中低层次求进行相应计量核算功响应国家相应节减排号召需具备定分时分层全面动化计量功定程度相关户带相应体验便捷舒适性外需具备定数处理分析力时电网中产出系列谐波电流电压进行切实效监测电网环境维护层面相关电力部门切实效益方面定程度带相较促进功效
14课题研究容
文针载波通信形式进行相应三相智电表开发设计结合相关电力层面基理相关文献设计电表达测量三相电压电流功功功率功率数分时计量三相正反功电具计量显示通讯功时进行数测量量计算谐波电流电压相关实时检测方面实际应进行切实效分析程中针相应硬件电路软件编程相关算法展开系列研究
15文章节安排
第章 针新型智电表前形势国外呈现出研究状况进行相应总结纳切实效分析定确定出文展开研究框架
第二章 基相应智型式电表实现功进行相应硬件方案设计完善具体涵盖控芯片选取电流电压相关数采集计量芯片选择MCU存储模块设计电路设计等
第三章 基相应智型式电表实现相关功进行软件部分设计开发程中进行模块化设计
第四章 针电计量谐波电流电压检测方面进行总结纳分析针谐波分析算法够造成系列危害进行详细介绍分析通仿真选择傅立叶变换分析法外针插值加窗算法谐波进行切实效分析进行系列仿真进行加验证
第五章 总结展根相应设计指标完成效设计回顾前面问题解决办法做出效总结针文设计出新型智电表中足进行相应展
第2章智三相电表硬件方案设计
该硬件系统相关设计工作具体结：电源数采集计数信息储存通讯信息显示相应时钟模块
(1)电量计量方面引入芯片进行效计数部位进行切实效结合实现电量计量程中相关采集计算工作需系列参数效呈现出身数字信号处理方面表现出相优良效果具备定算法集成力形中相应降低定工作量
(2)模块采取控芯片旗核产品该种类型控芯片性价相较高仅够进行实时快速响应中断周期相较固定功相较齐全价格低廉美丽
(3)控芯片基协议相应校表数传送芯片部计量关相应参数样基协议反馈外部控芯片中时步进行相应信息记录存储部通信模块实现位机间数交换显示台加切实效分析
21电表硬件系统框图
引入进行电量效计量控芯片选取旗核产品图21示呈现出整体硬件框图
Acline
LCD面板
电压采样
LCD控制驱动
STM32F103RET6
电流采样
计量芯片
ATT7022C
载波
光电隔离
485
EEPROM
ACDC
FLASH
负载
电源理
电池
图21 整体硬件框图
智电表硬件系统搭建程中占重中重位结信号采集计算数处理相应通讯模块设计模块优良程度直接影响相应市场份额保量偷电漏电工查表计费等现象定程度效杜绝方面带定便捷相应电力部门带良效益
位机芯片选 公司高性芯片拥位控制器核整体封装紧凑价格低廉高频率片接口外部中断416定时器两口引入进行电量效计量身数字信号处理方面表现出相优良效果具备定算法集成力
形中相应降低定工作量搭载定载波通讯功定程度户实时监测电状况节省工抄表核算工作量外效避免偷电漏电现象产出
22 硬件电路部分相关设计
节集中相关硬件电路相关设计工作具体结：电源数采集计数信息储存通讯信息显示相应时钟载波通讯模块满足相应功前提抗扰动性效提升功耗方面效降低
221数采集计数模块
电量计量工作咎芯片进行完成说该模块重中重位该产品具备引脚形式身集成部六路分实现相应电压电路采样工作外路进行相应防偷电某种参数进行采样具定操作便捷性存电压监测电路够确保掉电维持常态运行外具备口进行切实效通讯相应外围电路结：电源通讯脉输出等
（1） 电源电路设计
进行电源电路设计中需定程度确保保定电磁兼容性三相电源供电原理图图22示：
图22 三相电源att7022c供电
（2）关脉输出电路设计
该功效校表服务代表功脉输出代表功脉输出基进行相应控制寄存器配置效选取基波表模式中代表基波功脉输出代表相应功输出生成脉输出信号程框图图示：
电脉输出信号程框图
（3） SPI通讯接口电路
控芯片间存条连接线部口占相应条余两条分复位相应握手信号线
部关读写方面具备相较完善检方式需保定抵抗扰动力满足设计需求条件连线跨度引底线包裹方式进行传输降扰工作确保高频干扰效压缩引入电阻串接信号线中外需输入端引入耦形式电容定程度理解低通滤波器程中耦电容适放确保抵御干扰功效较优良中串入电阻入电容离串入电阻入电容控芯片离执行电遭干扰复位时定通控芯片效口进行相应校表数相关更新工作定程度保证计量结果准确程度信号功效通知控芯片进行效握手程中进行实时监测确保执行电复位操作控芯片定程度实现步形式读写进行复位时候定确保信号高低电实现效复位操作程中呈现出高电紧接着控芯片信号进行相应拉高约持续宣告初始
化工作完成便呈现出低电进行相应读写分引入电容端口输入端切实效干扰程度降通讯电路图23示
图23 SPI通讯电路
222 相应数储存模块
选 公司高性芯片拥位控制器核整体封装紧凑价格低廉务处理机制新型智电表设计重中重众数信息均储存部基实现单双结算形式总电甚种关电相关费率
（1）MCU模块
控芯片身形式相应种数路径呈现出位形式程中包括相应寄存器存储接口部具备指令数总线呈现出相独立状态进行相关数访问程中便会指令状态局限性运转方面效提升样系统总线便干扰进行外设相应存访问中涉片片外系统部门存储单元相应片外扩展相应指令总线实现代码储存区域访问总线第项功取指第二项功完成相关查表工作基优运行速率完成相应优化工作运转电压约部具定调压
力实现调节外部电压调节器运作形式结种方式：
(1)运转模式：控芯片相应外设保持持续进行效供电
(2)停止模式：谓低功耗运行提供电源仅供进行保存数需
(3)机模式：该模式供电终止项数全面清空系列备份区域
控芯片部存电掉电复位电路相应电压实现维持运作定程度相应限位电压相较低时呈现出复位状态根形式外部复位电路高速形式外部时钟信号产生结外部谐振器户外部时钟相应失真状态启动稳定时间压低求谐振器负载电容器振荡器间距离断减相应外部时钟频率实现必须确保建立起效连接外确保呈现出悬空状态存控制器两部双存储间外设间实现相较高速传输程中执行干预仅仅数实现快速移动形中相关资源进行效节约中存通道然仅仅存通道负责外部请求专门化控外存仲裁器进行相应优先权协调工作
部模数转换功分辨率约位存通道够实现外部部信源相关测量通道转换功均实现单次连续扫描间断进行转化结果仅够实现左齐形式实现右齐形式进行位寄存器中存储模拟门狗功效允许程序检测中电压相应输入否高事先户规定高／低阀值值需条件工作相应转换时间：时钟呈现出基时钟呈现出基存位形式数字输入电压输出数字／模拟转换器进行位位形式布置外够控制器进行联合位模式运转时转化结果仅够实现左齐形式实现右齐形式存输出通道相应转换器独立存够双模式运转外保持通道步更新输出步完成够分单独完成脚完成参考电压录入确保相较高质量结果图24示呈现出硬件接口电路
图24 STM32F103RET6硬件接口电路
（2）实时时钟RTC
称相较独立定时器部具备组相较连续计数器完成良软件配置便效显示相应时钟仅需简单变更初值实现前形势系统时间设定系统采取芯片具低电流功耗部配备相较稳定数字形式温度补偿晶体振荡器相应分频器够执行总线形式高速模式外搭载定定时报警功效进行天日期时分钟形式设定存固定周期形式定时中断相应时间更新中断搭载闰年调节功效接口电压相较宽泛：时间保持电压相较宽泛：处交流进行供电时进行相应软件配置确保进行标准时速出具体形式功效：基光耦隔离实现相应外部校时直接传送中路通道进行相应秒脉周期切实效检测进
完成部时钟振荡频率相关校准工作电池进行提供量时基软件配置完成秒脉输出关断降低量消耗图25示呈现出电路
图25 RTC电路图
（a）电池RTC供电（b）RTC电池电压
（3）串行外设接口相应数储存
谓串行外设接口允许芯片外设进行定通讯具体方式结：步半／全双工等形式定程度进行相应模式配备定程度提供通讯时钟协议需引脚部件进行切实效通讯：(1)：输入／输出引脚谓接收发送(2)：输出／输入引脚第项相反发送接收(3)：谓串口时钟代表输出输入(4)：片选定程度效避免相关数线呈现突现象
选取位串行功耗相较低位字节形式单元约引脚功效生成相应部时钟引脚功效全局数收发代表相应器件址输入旦悬空定程度够实现项级联针进行相应写保护限制允许进行读操作引脚构成总线寻址形式种状态实现悬空操作实现相连操作相应写保护引脚构成连接者呈现悬空状态开放相应器件完成读写操作
图26示呈现出连接电路：
图26 AT24C02BRX8025T接口电路
非易失性铁电存储器选取身具备定高速串行呈现出引脚高度集成封装值注意存定差异定程度够实现相应总线速率进行相应写操作功耗方面相较低相应读写次数基受限制工作状态仅需相低电流切实效运行电压范围相较宽图27示呈现出相应接口电路
图27 数存储接口电路
（a）FRAM接口电路（b）FLASH接口电路
223显示模块
文开发新型智电表显示模块具体选液晶屏实现相关数显示工作底色呈现出白色字体黑色显示相应背光谓明形式户进行相关操作时候呈现出背光形式便观察部显示项信息谓度说液晶屏相关参数中重中重定程度着度升相应呈现出色彩层次更加分明
显示层次进行模块化具体应插件形式进行衔接选取部驱动芯片显示段达文中利两块相芯片进行相应控制仅需引脚电形式加控制完成相应度调节变换该芯片干电池进行供电交流形式进行相应供电均效保持低耗状态进行类似休眠状态间够呈现出约压差定程度够保持度变电路设计方面相较简便较稳定图28示呈现出显示电路接口原理图
224 通信外置型电力线载波通信模块
文开发智电表身具备接口中接口相应外置载波通信模块进行效通讯实现相关抄表工作
（1） 通信
通信接口仅具备定高效性够满足定性外进行点形式通讯相应电路设计涉接口程中定进行相应电气隔离外具备定失效保护电路相应干扰压低实确保高效稳定相应通信速率达：图29示呈现出相应电路
RS485通信接口电路
（2）外置型电力线载波通信模块
谓外置型电力线载波通信模块定程度够实现插模块国专门电力部门进行系列标准化制造呈现出良互换性适范围相较广低压接口双建立起相应联系文开发智电表应弱电接口双插座够满足连接关系引脚代表该模块模拟电源相应电压极限瞬时电流达引脚代表该模块数字形式电源相应电压极限瞬时电流达呈现出接形式功效信息
发送电代表着种形式事件状况输出旦时钟障产生便会立呈现出高电意味着提醒执行相应异常查询结束恢复低电表征着电表基表输入信号旦相应高电标志着需进行载波通信程中通讯波特率相较局限保持变外具备定失效保护电路确保状况效避免身性相关计量失真智电表侧载波耦合接口应双插座进行相应效连接
（3） 通信协议
目前智电表均采DLT 645 2007 通信规约约定格式进行通信DLT 645智电表中需数进行非常详规定通信数校验方式进行规定字节采偶校验数帧采累加(CS)检验方式2校验方式实现错误检测
具体通讯协议具体结—半双工形式相应站涵盖手持单元系列形式数智形式电表承载着站位站间具备相应址编码站进行相应帧发送实现种联系效控中帧涵盖：起始符址码控制字数域相应长度帧容相应校验码截止符等
通常情况采取偶校验联合校验形式抵御干扰力相足然引入红外等短程通信性稳步提升起始校验定程度基够确保数进行准确传输进行较远距离通讯产出干扰相较强否准确需进步校验譬循环冗余校验进行代定程度效避免错误现象发生
23章结
章设计智电表功进行模块化设计进行模块硬件搭建功层面分析具体涵盖电源数采集计数信息储存通讯信息显示相应时钟载波通讯模块等相关硬件电路搭建
第三章三相智电表软件部分设计
前面已针硬件电路进行切实效全面设计控芯片该部分执行控制重中重接软件部分设计服务控芯片运作具体运作流程进行相应电流电压信号进行采样转化成够进行效运算数字信号紧接着中进行相应处理满足相关指标需求项参数完成相应电量消耗情况系列求解外针相应谐波信号需完成步切实效谐波分析第步进行线性插值处理紧接着完成加窗处理次进行变换便呈现出电网项幅值相位致参数进行效存储程中串口进行效通讯基分段时间函数确定分时分层计费显示屏中进行实时数呈现
31总体软件设计流程
进行相关软件部分设计程中融入系列模块化构想程中利清晰读定程度具相较强移植性效率方面提升智电表相关功实现功块子程序进行联合具体涵盖计量谐波分析储存通讯子程序等
1首先需做系列初始化问题整体形式初始化定程度结相应寄存器相应子模块进行效配置外涉定时器相应时钟初始化配置
2系统程序系列子程序进行效调实现智电表方面功
3运行程中务必保证相较合理先序进定程度进行稳态运转
图31 程序框图
旦进行效电需完成系列初始化换句话说项参数效配置具体结相应晶振承载着体时钟位针意附类型含义完成相应初始化便采集相关信号实行谐波分析外针相应谐波信号需完成步切实效谐波分析第步进行线性插值处理紧接着完成加窗处理次进行变换便呈现出电网项幅值相位致参数进行效存储程中串口进行效通讯基分段时间函数确定分时分层计费显示屏中进行实时数呈现
针分时分层计费根相关文件求具体确定程中区呈现出定分时差异绝数时段进行整天划分中部分占着时具体划分：高峰期般性时期低谷时期等程序编写程中进行简化实际操作中两部分进行计算谓高峰期低谷时期分进行针化编程中
效状态标志位进行时段变更做出相应判低谷时期运行时候旦呈现出跳变相应计量模式便会跳转高峰期规定运算方式进行相应计费完成前项数存储显示液晶屏中
32模块程序设计
321 耗电量计量谐波分析程序框图
电计量流程图图32图示：
图32
项参数信息刷新频率周期约左右时伴着相应标志位设定程序相应数进行切实效处理完成更新周期需进行标志位重置工作否便会陷入谓空循环形式
旦程序成功接受相应标志位够转入谐波分析运行程中完成更新项参数便会转移具连续性质数组中便事进行谐波分析时调外系统会数组项信息进行定判否达满存状态关效进行相应谐波分析
旦谐波分析条件已达成时候相应子程序便运行首先需做针连续周期数定程度完成线性插值便产出幂指数形式相关信号次需进行相应加汉宁窗处理处理完成调函数实现相应谐波分析分析完成相应存储器中进行保存外项参数数转移缓存器中样串口发送带定便利
判结果足进行谐波分析时程序便会跳出执行续安排程中相应瞬时电流电压完成相应转化外需瞬时值进行功率数耗电累积情况求解
322 存储模块程序
图33示存储模块相应间总线完成效通信相应存储电路功效项电数效存储具体涵盖分时谐波参数存储等程中总线效配备说存储设计重中重环节控芯片需完成数字信号转化需夹杂系列处理加工工序需快速转移中进行效存储外确保传输程够准确误进行前提芯片身具备快速应答处理力址分配方面定程度保证相合理判力讲强力考验紧接着总线进行号入座相应址单元便实现相应参数读取工作
图33 存储单元流程图
323通信模块程序
文开发智电表具备定信息收发功具备创新性够定程度实现双通讯程中种形式电表始终界士青睐研究热点通信布局具体结电表接口电路相应采样单元行采样单元效进行项智电表信息参数进行切实效采集程中具体涵盖：电流电压谐波参数功功率等时接收电力部门发布项通知保障户间进行切实效信息流沟通
图34 串口通信发送流程图
图34示呈现出串口通信发送形式带系统完全跳入中断进行相应数发送首先发数转移部次执行相应标志位清空操作总体中断进行开启然退出发送中断程序需注意针发送完毕状态进行相应判已完毕便相应中断标志位清空操作否完成址指针加操作
33章结
章基智电表预期功指标完成相应软件部分设计工作采取模块化思想着手实施首先进行程序设计次完成功模块相关子程序设计终完成相应功程序编写工作定程度具备相较强移植性
第四章电计谐波分析理基础
文设计智电表方面确保相关电消耗准确误计算存储外服务电网中项参数实时监控具体涵盖电流电压效值功功功率频率参数相应谐波参数等章针系列参数进行切实效推导
41 关电计量
谓功功率结某周期负载消耗者电网呈现出相应瞬态功率进行积分操作求解结果均值瞬时功率表达式示：
(45)
(46)
式（41）中代表相应电压效值
式（42）中代表相应电流效值
相应瞬态结果：
(47)
谓功功率结：
(48)
相应功功率表示推导程：
(49)
(410)
(411)
(412)
式中代表相位位移定程度理解功形式负债造成
功功率均值表示：
(413)
结合式（49）够知仅需电流进行相移相移电压进行积产出相应功功率
文设计智电表仅需电流电压采集加分析现实相应电参数效控托便实现项电信号进行数字化转换次衔接控芯片部完成相应运算相应功率形式参数测定着控芯片处理力断提升前形势进行相较复杂方式计量运算
图41 AD采样计算原理框图
具体实际交流电路部相应交流电压电流效值求解：
(414)
(415)
相应功功功率求解：
(416)
(417)
程中针交流电压电流完成周期等分托完成切实效采样工作定程度形成相应离散数值等分效果足够细采样离散数值越逼真实值图42示呈现出相应拟合波形方求方式积分求解进行等效代：
(418)
(419)
相应功功率均值描述：
(420)
图42示电压完成移相相应功功率具体表达式：
(421)
图42 电压电流功率瞬时值采样
42关谐波基概念
谓电网中谐波定程度指相应电流电压呈现正弦变化趋势部具备频率呈现出基波整数倍形式电系列周期性变化信号完成傅立叶变换程中相应频率超基波电量电网领域进行供电时呈现出固频率日常生活中常说50赫兹50赫兹呈现出变化频率信号谓谐波通常情况非线性负载电路中旦引入正弦电压相应电流会造成定畸变呈现出非正弦态势进造成负载电压电流间值呈现出非正形式定程度造成类似正弦变化谐波发生畸变信号定程度呈现出周期正弦致基傅立叶进行相应展开便会相应直流分量系列50赫兹整数倍正弦波谓畸变信号具体形式示：
(422)
中直流分量基波角频率
通式分析相应谐波进步分解具体形式包括直流分量种样频率相正弦波幅值相位角频率存定差异基频率差异结偶奇次形式谐波理解成谐波频率分基波频率奇偶次倍
旦电网中产出定谐波便会良电网环境造成极严重威胁污染甚会造成系列电气设备正常运转外会周围系列通信设备造成定影响谐波电压产出定程度会造成供电质量逐步降导致传输方面方面效率相较低外谐波会相应电气设备造成热颤抖噪声现象情节严重话造成机器损坏甚报废
43傅里叶变换
431关傅里叶变换推导
类似电流电压周期变化信号引入周期函数进行表示：
(423)
式（419）中字符代表相应变化周期频率表示角频率表示
(424)
周期函数：
(425)
中代表该周期函数周期
进行傅里叶展开：
(426)
中代表直流分量分代表第次谐波余弦正弦系数
(427)
(428)
(429)
(430)
相应谐波频率已知：
(431)
(432)
(433)
般情况电网中畸变波形基满足傅立叶级数相应展开条件进行切实效傅立叶变换呈现出次谐波基波代数
432离散形式傅立叶变换
通常情况电网中非周期信号呈现出没规律循畸变波形解析式方式进行傅立叶变换够运行定程度进行效截断切实效处理种问题出现然针相应截断信号完成相应采样进步转化成数字信号形式便控芯片进行运算完成谐波分析
针连续信号进行相应采样呈现出离散序列理解相应周期序列部周期限长序列：
(434)
(435)
DFT矩阵方程：
(436)
(437)
式中
称蝶形子根式（430）清晰出求解全部需完成次求次法
433快速博里叶变换
基离散傅里叶变换定程度独称周期性实现相快速简便操作质层面存较范围创新程中明显特性更加快速精准程度相较高实现运算效托具备称周期特性完成相较点数进行切实效分解操作转变成相应系列较点数组合形式定程度限度降低运算量
定程度算法结成两种时域抽取法谓二频域抽取法谓文针智电表研究程中仅仅局限时域抽取法进行分析处频域抽取法进行赘述谓时域抽取法定程度点输入序列进行相应奇偶分类：
令n2rn 2r+1r 012N21
(438)
式（434）中
令
(439)
(440)
(441)
根相应称性：推导出：
(442)
时候便够进行代表式(435)(436)式运算图43进步说明谓蝶形运算间关系图44示
图43 蝶形运算符号
图44 FFT 运算流程图
根图44知完成次分解计算点程中需求解两点蝶形运算计算N2点DFT需(N2)²次复数法(N2)(N21)次复数加法图44求解点时需法次数
(443)
需复数加运算次数约：
(444)
出完成次分解相应计算量降半左右
44谐波检测
441 请波信号分析
定程度拥定选频特性相应信号形式结连续性质模拟量相应运算处理前需进行相应模数转换定程度模拟量进行相应离散化处理进完成数字量形式转化根相应功实现形式进行切实效截短操作成长度效序列针终形式进行相应离散傅里叶变换结果记 说分析频谱终结果
信号采样流程具体结：针连续形式信息进行相应采集转化离散形式基等间隔采集需固定周期进行相应采样工
作代表相应采样周期代表相应采样频率代表相应角频率
文涉采样器结电子开关组合形式逢采样周期便会形成相应间歇性质关断完成次采样工作程中似作激函数表示：
(445)
针激函数进行相应傅里叶变换：
(446)
式（442）中代表采样频率激函数积结果谓采样信号
(447)
众周知时域相应频域卷积：
(448)
结合相应激函数卷积特性：
(449)
相应信号截断流程：截短进行矩形窗口做法运算：
(450)
傅里叶变换流程总结：针截断信号展开离散形式傅里叶变换：
(451)
进行列截断处理定程度便会造成系列误差产出具体误差形势结：频谱混叠泄露相应栅栏效应
(1)混叠现象针连续模拟形式信号执行采集时相应采样频率采样频率倍时定程度会频谱中呈现出相互重叠现象谓频谱混叠程中采样频率切实效控两倍定程度效避免该类误差产出率中低
采样频率( )谓奈奎斯特采样频率具体操作程中需根实际情况做出具体判断满足产出混叠时确保相应采样频率相较高通常情况难效确定原频率需引入定滤波操作混叠现象效压低
(2)频谱泄漏针相应采样信号进行快速傅立叶变换时候保证精确度需作出定截断处理程中非周期阶段会伴着拖尾现象产出定程度造成谱线相较分散谓频谱泄漏截断信号相较长时相应误差量会呈现出相较趋势时频谱泄漏会伴着混叠现象产出进频谱展宽呈现出旦高频高时会导致混叠现象产出尤进行家装阶段条件相应表现较明显需注意加装彻底避免频谱泄漏加窗函数选取定程度直接影响谐波分析准确度
(3)栅栏效应针相应采样信号进行时相应频率结时域条件针离散信号进行点等间距采样时候会造成采样点遮挡现象产出类成透栅栏缝隙进行相应观察终定频谱值谓栅栏效应确保漏掉部分频谱够切实效检测般情况针限长度引入定插值处理关限长度序列采取提升信号截取长度方式者提升变换区间范围
种情况产生相应运算结果定程度会造成相应误差尤相位层面相较严重会造成精度达设计需必须相应变换进行断完善确保精度够满足设计需求
442谐波检测FT算法
算法通常情况相应采样时间求相较高必须确保高度步性针电网信号进行采样时相应频率发生着规变化确保定需采样频率整数倍理想状态默认电路中时间呈现出限长趋势实际操作中仅仅局限某区间段外系列混叠现象加注意文程中进行改进效引入插值加窗函数确保相应谐波分析够定范围相较准确
插值函数刷新频率处赫兹条件求需整周期进行相应采集通常情况基波频率般保持赫兹采样周期完成点采集程中选取周期进行相应谐波分析终够样值需注意文采取基算法二指数形式程中选取恰差值数量效降低相应计算量终确定完成插值数约程中基线性插值方式进行具体结相应目标数采样数建立起相较明确应关系终实验结果曲线相较吻合程中出相应结引入线性插值仅够降低频谱泄漏栅栏效应够达预期精准度求
窗函数完成相应差值需进行加窗处理混叠现象切实效压低表1中呈现出相应加工参数续仿真实验进行效
结合文智电表设计目标项需求功实现终选取海宁窗形式进行加窗处理定程度效避免频谱混叠泄漏现象产出相应表达式：
式中 代表采样点数目
文采谐波分析算法呈现图中相应连续模拟信号切实效转化成数字信号形式接着整采周期执行谐波分析需注意需引入插值窗函数进行快速傅立叶变换终串口进行相关参数输出
443 插值加窗FFT仿真
根相关文献资料知加窗目相应信号够呈现出相较良周期性定程度够频谱泄漏现象进行效压低形式窗函数频谱特征相程中差异呈现瓣宽度旁瓣衰减速率幅值失真程度定程度确保截断时域信号相应波形突变效缓解通旁瓣变减少旁瓣泄漏分采矩形窗汉宁窗N512时原始信号进行加窗FFT处理
仿真实验中原始信号
图45 FFT仿真结果图
图45示加矩形窗情况信号频谱谱线周围呈现出定旁瓣现象程中造成频率差异层次分量干扰程中会伴误判现象产出定程度相应准确度造成降加汉宁窗情况谱相集中旁瓣相滑出引入汉宁窗定程度效避免频谱泄漏
参考文献
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