基于MAXQ3180电能质量监测系统的研究

范利媛　吕常智　宋红卫　宋俊

摘 要：电能质量问题对国民经济的发展造成的损失是非常巨大的，电能质量的监测就显得非常重要。本文基于MAXQ3180的能质量监测系统的研制。以MAXQ3180为电力数据采集器件，以STM32为微处理器，能实时的监测电网的各项参数，并且将数据进行传输和保存，为电能质量控制和电力调度提供依据。

关键词：电能质量 监测 MAXQ3180

中图分类号：G64 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）02（c）-0008-04

Abstract：Loss of power quality problems caused by the development of the national economy is very great，and power quality monitoring is very important.Based on the MAXQ3180 development of quality monitoring systems.MAXQ3180-power data acquisition device，the STM32 is the microprocessor，can real-time monitoring of the parameters of the grid，and data transmission and preservation，to provide a basis for power quality control and power dispatch.

Key words：Power quality monitoring the MAXQ3180

随着智能电网技术的不断成熟和科学技术的发展。电力系统中的仪表仪器己经进入了智能化和自动化的时代[1]。智能化和自动化的特性不仅要求这些仪表仪器像传统的计量表计具有计量功能，并且还要具有测量、控制、保护、通信等功能，用来反映电气元件控制调节和运行状态。该文通过借鉴国内外成熟的研究学术成果，研制出具有较高性能价格比的、适应中国国情的，并同时具有计量、监测、通信等功能的电能质量监测系统。设计依据电能质量检测装置具有多功能的检测要求，提出了基于MAXQ3180的电能质量监测装置的设计方案，阐述了电能质量监测系统的硬件和软件设计，各种电能质量参数的测量以及选用的通讯方式等。本设计中的MCU（Micro Control Unit）为STM32，对MAXQ3180检测到的电能质量经过STM32的处理后进行显示、传输、储存和分析。组成了是个十分精确、低功耗、多功能的电能质量监测系统。

1 系统结构和功能

设计以ST公司的Cortex-M3内核的STM32为主控器，能够实现对电网参数的检测和监测。并将数据存储到SD卡中。通过CAN接口发送到控制主机，同时112*64液晶实时显示当前的状态。如果系统运行正常则将正常信息存储到SD卡中，便于以后查询。系统采用220 V市电供电方便了工程应用。本装置采用DSP+MCU技术，计量芯片选用MAXQ3180，MCU为STM32的整体设计方案，MAXQ3180除了含有AFE以外还有集成DSP精密脉冲发生器以及SPI接口，实现的功能如图1所示，硬件设计框图如图2所示。

2 硬件设计

2.1 电能质量数据收集模块

MAXQ3180的输入包括3个电压通道和4个电流通道，内部还有一个通道实际上用于温度传感器。3个电压通道使用电阻分压的方式，4个电流通道（3个为ABC三相电流，1个为零线电流）采用CT输入的方式。

本设计中采用了电阻分压的方式来作为电压通道测量电压。为了器件实用的方便我们使用了540∶1的分压比，电压通道上并联电容用来作为抗混叠的滤波器，如图3所示。

电流通道设计中采用了0.05级 1.5（6）A 的电流互感器[2]，在实际使用时为了避免计量芯片内部ADC饱和而使实际值不超过这个计算值，当然如图所示由于电流输入通道上并联了肖特二极管。二极管有保护的作用所以在一定程度上过载不会对检测芯片产生毁灭性的后果。为了防止混叠现象电流输入通道上也有用于抗混叠的滤波器。电流通道如图4所示。

2.2 微处理器模块

本设计中采用的MCU为STM32处理器，它具有3级流水线哈弗结构，3.3 V供电，Cortex-M3内核，最高工作频率为72 MHz，处理能力为1.25DMips/MHz，功耗为0.19 mW/MHz。软件采用ST公司提供的函数库，降低了开发的难度。内部集成12位高速ADC，转换一次时间仅为1 us，内含有CAN总线控制器，这样配合CAN收发器就可以实现CAN网络通信，通信距离可达10 km，通信速率最高可达1 Mbps。不同的外设可以配置成不同的速率，充分发挥中央处理单元的性能。

STM32与MAXQ3180的连接

STM32与MAXQ3180的 SPI协议进行通讯连接方式如图5所示。一般情况下为了安全问题考虑MAXQ3180需要使用光耦和MCU隔离开来[3]。MAXQ3180和MCU之间的通讯有时能达到1Mbps，本设计采用的光电藕隔离芯片为6N137光耦合器[4]，6N137是一种用于单通道的光耦合器，它的内部有一个集成检测器和一个波长为850nm的AIGAAs LED，集成检测器有三部分组成分别为高增益线性运放、光敏二极管和三极管（肖特基钳位的集电极开路），有电压、电流补偿和温度补偿的功能，非常高的输入输出隔离，并且传输速度很高等优点。

2.3 通讯电路模块

选择一个合适的通信方式对整个配电系统是极其重要的，在本系统中，将选择CAN总线作为这个系统的通信方式，其中，通信介质为双绞线[5]，采用CAN2.0B协议。由于传统馈线终端设备的通信方式大都采用RS485，所以在本系统中，附加了RS485接口，同时为了现场调试方便，又加了RS232接口作为当地通信接口。当采用分散式多点监测时我们设计了采用CAN总线的通讯方式。使用单点监测时我们设计了RS232通讯和RS485通讯，因此系统的应用非常广泛。

2.3.1 CAN通信

典型的CAN通信电路图如图6所示，与STM32相连接无需电平转换，通信速率可达1 Mbit/s，三种工作模式：等待模式、斜率控制模式、高速模式，三种工作模式可通过RS端进行调节，在高输入阻抗时总线上可挂接120个节点。TXD、RXD分别于CAN控制器的RXD、TXD相连接。STM32CAN控制器，支持CAN2.0A、CAN2.0B，3个发送邮箱，2个3级深度的接收FIFO。可以工作在测试模式、环回模式、静默模式等，调试时可将控制器配在环回模式，在环回模式下CAN内核忽略确认错误（在数据/远程帧的确认位时刻，不检测是否有显性位）。在环回模式下，BXCAN在内部把TX输出回馈到Rx输入上，而完全忽略CANRX引脚的实际状态。发送的报文可以在CANTX引脚上检测到。

2.3.2 RS232通信模块

为了方便就地调试和通讯，引入了232串口，如图7所示，该电路采用MAX232驱动芯片，该芯片是+3.3V供电，具有两个接收和发送通道，且功耗低、集成度比较高。

2.3.3 RS485通信模块

传统自动化系统的通信方式大都是RS485，为了与传统设备兼容，在本系统中加了RS485接口，RS485采用双工工作方式，只能有一个节点作为主机，应用RS485可以联网成分布式系统，其允许最多并联32台驱动器和32台接收器，一般为主从方式，常用波特率有19200，9600，4800，通讯距离小于1200 m[6]。

图8是485通信电路，RE和DE为接收、发送使能，分别接STM32的IO管脚，RO为串行数据输出，RI为串行数据输入，在装置末端，闭合开关SW_1时接120Ω电阻，主要目的是达到终端匹配，另外，2.5 V稳压管起到保护MAX485芯片的作用。

3 系统软件设计

3.1 系统软件实现的主流程图

主程序是一个无限的循环，首先进行各个模块的初始化处理，然后显示出界面，进行按键的扫描，当按下每一个按键之后，系统执行所要操作的项目进行数据的采集，然后行数据的存储和通讯，整个流程图如图9所示。

3.2 电能数据采集设计

MAXQ3180的内部的DSP（数字信号处理器）可以对每一相的原始电流就行处理和电压采样，进行连续大量计算数据，比如有功、无功电能、功率因数、RMS电流、RMS电压、视在功率、还有电压和电流的基波和谐波等。

MAXQ3180对采集的电流电压进行数字滤波、校正、计算和换算，外部主处理器通过SPI串行接口读取各种参数和检测结果。MAXQ3180处理所需的参数和策略等，由外部主处理器通过SPI接口进行设置。电能累加数据还可以脉冲方式输出。测量的具体步骤如下：

首先要使能谐波测量，此时需要把AuX_cFG.bit6（ENAUX）置位用来使能辅助通道测量，同时把AUX_CFG..bit7（ENHARM）置位用来使能谐波测量。

再次要配置通道，因为MAXQ3180用于谐波计算的通道只有一个，所以在一个时刻只能测到某一次的谐波分量。因此为了获得所有的谐波数据必须切换通道。本设计使用Aux CFG（地址为0x10）寄存器bit3—0实现通道的切换。选择的通道波形在通过修改其中的位后可以进入数字滤波器并进行计算处理：等配置好寄存器后，所选择的通道就会进入滤波器。

最后等待滤波器稳定后读取数据，做好前面的工作后等到谐波峰值滤波器稳定后，就可以记录出比较准确的谐波数据了。然后读取数据就可以了，通过按键可以调整需要的谐波参数。

4 信号采集实验数据分析

5 结语

该设计旨在提高我国电网的自动化和智能化，通过监测系统可以了解到当前的电能质量，为电网的健康运行提供技术支持，提高了电网的可靠性和安全性。该系统操作简单方便，能采集到大部分所需要的电能质量指标。系统用的MAXQ3180和STM32都是典型的低功耗器件，非常适合来制造精密仪器特别是低功耗的电力计量器。当然，当前的电能质量监测装置和水平离电力市场和智能电网的要求还有一定的差距。需要我们共同的努力来实现电能质量监测、分析和控制装置的研制，为智能电网的建成贡献自己的一份力量。

参考文献

[1] 王晶.基于MAXQ3180多功能电表的设计及其GPRS抄表方式的研究[D].安徽合肥：合肥工业大学，2010.

[2] 美信产品介绍.如何使用MAXQ3180设计三相多功能电能表.2009.

[3] 静恩波.智能电网AMI中的智能电表系统设计[J].电测与仪表，2010，47（7A）：36-39.

[4] Davis MW.A new thermal rating approach：the real time thermal rating system for strategic overhead conductor transmission lines，part I[J].IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems，1977，96（3）：803-809.

[5] 袁野.电能计量领域的多功能低功耗设计[J].电子技术应用，2008，33（7）：23-26.

[6] 杨翠峰.基于DSP的低压电网电力参数监测系统的研究与设计[D]，武汉：武汉理工大学，2011.

[7] 曾滔.基于TMS320F2812的电能质量检测系统设计[D]，福建：厦门大学，2008.

[8] 赵建.基于MODBUS的多功能电力监控仪表的研制[D].山东济南：山东大学，2010.

2.3.1 CAN通信

典型的CAN通信电路图如图6所示，与STM32相连接无需电平转换，通信速率可达1 Mbit/s，三种工作模式：等待模式、斜率控制模式、高速模式，三种工作模式可通过RS端进行调节，在高输入阻抗时总线上可挂接120个节点。TXD、RXD分别于CAN控制器的RXD、TXD相连接。STM32CAN控制器，支持CAN2.0A、CAN2.0B，3个发送邮箱，2个3级深度的接收FIFO。可以工作在测试模式、环回模式、静默模式等，调试时可将控制器配在环回模式，在环回模式下CAN内核忽略确认错误（在数据/远程帧的确认位时刻，不检测是否有显性位）。在环回模式下，BXCAN在内部把TX输出回馈到Rx输入上，而完全忽略CANRX引脚的实际状态。发送的报文可以在CANTX引脚上检测到。

2.3.2 RS232通信模块

为了方便就地调试和通讯，引入了232串口，如图7所示，该电路采用MAX232驱动芯片，该芯片是+3.3V供电，具有两个接收和发送通道，且功耗低、集成度比较高。

2.3.3 RS485通信模块

传统自动化系统的通信方式大都是RS485，为了与传统设备兼容，在本系统中加了RS485接口，RS485采用双工工作方式，只能有一个节点作为主机，应用RS485可以联网成分布式系统，其允许最多并联32台驱动器和32台接收器，一般为主从方式，常用波特率有19200，9600，4800，通讯距离小于1200 m[6]。

图8是485通信电路，RE和DE为接收、发送使能，分别接STM32的IO管脚，RO为串行数据输出，RI为串行数据输入，在装置末端，闭合开关SW_1时接120Ω电阻，主要目的是达到终端匹配，另外，2.5 V稳压管起到保护MAX485芯片的作用。

3 系统软件设计

3.1 系统软件实现的主流程图

主程序是一个无限的循环，首先进行各个模块的初始化处理，然后显示出界面，进行按键的扫描，当按下每一个按键之后，系统执行所要操作的项目进行数据的采集，然后行数据的存储和通讯，整个流程图如图9所示。

3.2 电能数据采集设计

MAXQ3180的内部的DSP（数字信号处理器）可以对每一相的原始电流就行处理和电压采样，进行连续大量计算数据，比如有功、无功电能、功率因数、RMS电流、RMS电压、视在功率、还有电压和电流的基波和谐波等。

MAXQ3180对采集的电流电压进行数字滤波、校正、计算和换算，外部主处理器通过SPI串行接口读取各种参数和检测结果。MAXQ3180处理所需的参数和策略等，由外部主处理器通过SPI接口进行设置。电能累加数据还可以脉冲方式输出。测量的具体步骤如下：

首先要使能谐波测量，此时需要把AuX_cFG.bit6（ENAUX）置位用来使能辅助通道测量，同时把AUX_CFG..bit7（ENHARM）置位用来使能谐波测量。

再次要配置通道，因为MAXQ3180用于谐波计算的通道只有一个，所以在一个时刻只能测到某一次的谐波分量。因此为了获得所有的谐波数据必须切换通道。本设计使用Aux CFG（地址为0x10）寄存器bit3—0实现通道的切换。选择的通道波形在通过修改其中的位后可以进入数字滤波器并进行计算处理：等配置好寄存器后，所选择的通道就会进入滤波器。

最后等待滤波器稳定后读取数据，做好前面的工作后等到谐波峰值滤波器稳定后，就可以记录出比较准确的谐波数据了。然后读取数据就可以了，通过按键可以调整需要的谐波参数。

4 信号采集实验数据分析

5 结语

该设计旨在提高我国电网的自动化和智能化，通过监测系统可以了解到当前的电能质量，为电网的健康运行提供技术支持，提高了电网的可靠性和安全性。该系统操作简单方便，能采集到大部分所需要的电能质量指标。系统用的MAXQ3180和STM32都是典型的低功耗器件，非常适合来制造精密仪器特别是低功耗的电力计量器。当然，当前的电能质量监测装置和水平离电力市场和智能电网的要求还有一定的差距。需要我们共同的努力来实现电能质量监测、分析和控制装置的研制，为智能电网的建成贡献自己的一份力量。

参考文献

[1] 王晶.基于MAXQ3180多功能电表的设计及其GPRS抄表方式的研究[D].安徽合肥：合肥工业大学，2010.

[2] 美信产品介绍.如何使用MAXQ3180设计三相多功能电能表.2009.

[3] 静恩波.智能电网AMI中的智能电表系统设计[J].电测与仪表，2010，47（7A）：36-39.

[4] Davis MW.A new thermal rating approach：the real time thermal rating system for strategic overhead conductor transmission lines，part I[J].IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems，1977，96（3）：803-809.

[5] 袁野.电能计量领域的多功能低功耗设计[J].电子技术应用，2008，33（7）：23-26.

[6] 杨翠峰.基于DSP的低压电网电力参数监测系统的研究与设计[D]，武汉：武汉理工大学，2011.

[7] 曾滔.基于TMS320F2812的电能质量检测系统设计[D]，福建：厦门大学，2008.

[8] 赵建.基于MODBUS的多功能电力监控仪表的研制[D].山东济南：山东大学，2010.

2.3.1 CAN通信

典型的CAN通信电路图如图6所示，与STM32相连接无需电平转换，通信速率可达1 Mbit/s，三种工作模式：等待模式、斜率控制模式、高速模式，三种工作模式可通过RS端进行调节，在高输入阻抗时总线上可挂接120个节点。TXD、RXD分别于CAN控制器的RXD、TXD相连接。STM32CAN控制器，支持CAN2.0A、CAN2.0B，3个发送邮箱，2个3级深度的接收FIFO。可以工作在测试模式、环回模式、静默模式等，调试时可将控制器配在环回模式，在环回模式下CAN内核忽略确认错误（在数据/远程帧的确认位时刻，不检测是否有显性位）。在环回模式下，BXCAN在内部把TX输出回馈到Rx输入上，而完全忽略CANRX引脚的实际状态。发送的报文可以在CANTX引脚上检测到。

2.3.2 RS232通信模块

为了方便就地调试和通讯，引入了232串口，如图7所示，该电路采用MAX232驱动芯片，该芯片是+3.3V供电，具有两个接收和发送通道，且功耗低、集成度比较高。

2.3.3 RS485通信模块

传统自动化系统的通信方式大都是RS485，为了与传统设备兼容，在本系统中加了RS485接口，RS485采用双工工作方式，只能有一个节点作为主机，应用RS485可以联网成分布式系统，其允许最多并联32台驱动器和32台接收器，一般为主从方式，常用波特率有19200，9600，4800，通讯距离小于1200 m[6]。

图8是485通信电路，RE和DE为接收、发送使能，分别接STM32的IO管脚，RO为串行数据输出，RI为串行数据输入，在装置末端，闭合开关SW_1时接120Ω电阻，主要目的是达到终端匹配，另外，2.5 V稳压管起到保护MAX485芯片的作用。

3 系统软件设计

3.1 系统软件实现的主流程图

主程序是一个无限的循环，首先进行各个模块的初始化处理，然后显示出界面，进行按键的扫描，当按下每一个按键之后，系统执行所要操作的项目进行数据的采集，然后行数据的存储和通讯，整个流程图如图9所示。

3.2 电能数据采集设计

MAXQ3180的内部的DSP（数字信号处理器）可以对每一相的原始电流就行处理和电压采样，进行连续大量计算数据，比如有功、无功电能、功率因数、RMS电流、RMS电压、视在功率、还有电压和电流的基波和谐波等。

MAXQ3180对采集的电流电压进行数字滤波、校正、计算和换算，外部主处理器通过SPI串行接口读取各种参数和检测结果。MAXQ3180处理所需的参数和策略等，由外部主处理器通过SPI接口进行设置。电能累加数据还可以脉冲方式输出。测量的具体步骤如下：

首先要使能谐波测量，此时需要把AuX_cFG.bit6（ENAUX）置位用来使能辅助通道测量，同时把AUX_CFG..bit7（ENHARM）置位用来使能谐波测量。

再次要配置通道，因为MAXQ3180用于谐波计算的通道只有一个，所以在一个时刻只能测到某一次的谐波分量。因此为了获得所有的谐波数据必须切换通道。本设计使用Aux CFG（地址为0x10）寄存器bit3—0实现通道的切换。选择的通道波形在通过修改其中的位后可以进入数字滤波器并进行计算处理：等配置好寄存器后，所选择的通道就会进入滤波器。

最后等待滤波器稳定后读取数据，做好前面的工作后等到谐波峰值滤波器稳定后，就可以记录出比较准确的谐波数据了。然后读取数据就可以了，通过按键可以调整需要的谐波参数。

4 信号采集实验数据分析

5 结语

该设计旨在提高我国电网的自动化和智能化，通过监测系统可以了解到当前的电能质量，为电网的健康运行提供技术支持，提高了电网的可靠性和安全性。该系统操作简单方便，能采集到大部分所需要的电能质量指标。系统用的MAXQ3180和STM32都是典型的低功耗器件，非常适合来制造精密仪器特别是低功耗的电力计量器。当然，当前的电能质量监测装置和水平离电力市场和智能电网的要求还有一定的差距。需要我们共同的努力来实现电能质量监测、分析和控制装置的研制，为智能电网的建成贡献自己的一份力量。

参考文献

[1] 王晶.基于MAXQ3180多功能电表的设计及其GPRS抄表方式的研究[D].安徽合肥：合肥工业大学，2010.

[2] 美信产品介绍.如何使用MAXQ3180设计三相多功能电能表.2009.

[3] 静恩波.智能电网AMI中的智能电表系统设计[J].电测与仪表，2010，47（7A）：36-39.

[4] Davis MW.A new thermal rating approach：the real time thermal rating system for strategic overhead conductor transmission lines，part I[J].IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems，1977，96（3）：803-809.

[5] 袁野.电能计量领域的多功能低功耗设计[J].电子技术应用，2008，33（7）：23-26.

[6] 杨翠峰.基于DSP的低压电网电力参数监测系统的研究与设计[D]，武汉：武汉理工大学，2011.

[7] 曾滔.基于TMS320F2812的电能质量检测系统设计[D]，福建：厦门大学，2008.

[8] 赵建.基于MODBUS的多功能电力监控仪表的研制[D].山东济南：山东大学，2010.