一种基于STM32处理器的非侵入式电力负荷测量系统技术方案

本实用新型专利技术涉及一种基于STM32处理器的非侵入式电力负荷测量系统，包括硬件结构以及软件结构。硬件结构包括处理器、数据采集模块、数据存储模块、电源模块和通信模块。本实用新型专利技术适用于电力负荷监测领域，能以经济、便捷的方式突破目前只能对电力负荷进行功率总量监测的现状，将功率监测深入、细化到负荷内部各主要用电设备。可监测并分解出用户户内各个用电设备的启动时间、工作状态、能耗情况，从而为用户提供更加可靠、精确的能耗管理。

A non-invasive power load measurement system based on STM32 processor

The utility model relates to a non-invasive power load measurement system based on STM32 processor, which comprises a hardware structure and a software structure. The hardware structure includes processor, data acquisition module, data storage module, power module and communication module. The utility model is suitable for the field of power load monitoring, which can break through the current situation that only the total power monitoring can be carried out for the power load in an economic and convenient way, and can deepen and refine the power monitoring to the main electrical equipment inside the load. It can monitor and decompose the start-up time, working state and energy consumption of each electrical equipment in the user's room, so as to provide more reliable and accurate energy consumption management for the user.

【技术实现步骤摘要】
一种基于STM32处理器的非侵入式电力负荷测量系统
本技术属于智能电网领域，具体涉及一种基于STM32处理器的非侵入式电力负荷测量系统。
技术介绍
电力负荷测量技术是一门新兴的智能电网基础支撑技术，是电力公司负荷精准预测的一种有效手段。一方面可令供电公司更为真实地了解电力系统的负荷细节、构成和比重，大大丰富用户负荷数据信息，并为供电公司开展需求侧精细化管理和智能电网高级应用提供了丰富的数据源；同时，也可以实现为用户互动以及柔性负荷资源调度管理提供技术支撑。传统的负荷测量通常是基于侵入式测量方式开展，为每种负荷成分或者用电设备配备一个传感器来监测其工作状态。这种方式需要为每个用电设备安装传感器或智能插座，一方面增加了用户的投入成本，同时面对新增电器则限制了监测系统的拓展性。另一方面，“近负荷”传感设备给用户的生产和生活带来不便，使得用户满意度较差。相比于侵入式电力负荷监测，非侵入式电力负荷监测是以负荷关口“软计算”代替近设备“硬测量”的一种方法，它能以经济、便捷的方式突破目前只能对电力负荷进行功率总量监测的现状，将功率监测深入、细化到负荷内部各主要用电设备。此外，非侵入式负荷监测技术与智能家居控制技术相结合，在保证用户侧用电价格总水平基本稳定的情况下，鼓励用户参与负荷调节，实现用电负荷的“移峰填谷”。
技术实现思路
本技术的目的是通过非侵入式电力负荷测量技术实现监测并分解出用户户内各个用电设备的启动时间、工作状态、能耗情况，从而为用户提供更加可靠、精确的能耗管理。本技术由一种基于STM32ARM处理器为核心的非侵入式负荷监测系统搭建而成，主要分为硬件和软件两大部分。通过软件算法设计，将各个硬件模块衔接到一起，并根据现有的一种经典非侵入式负荷辨识技术，实现非侵入式负荷监测。本技术通过以下技术方案实现的：一种基于STM32处理器的非侵入式电力负荷测量系统，其特征在于：包括处理器、同时与处理器连接的数据采集模块、数据存储模块、通信模块、电源模块。在上述的一种基于STM32处理器的非侵入式电力负荷测量系统，处理器选用STM32F746型号的微处理器，其中集成了两个通用的直接存储器访问，可提供存储器之间和存储于外设之间的高速数据传输，用于对CPU减荷。在上述的一种基于STM32处理器的非侵入式电力负荷测量系统，数据采集模块为了能够将信号送入到微处理器进行内部A/D采样，需要对信号进行调理，使其满足微处理器内部AD电压0V～3.3V的参考范围，数据采集模块包括同时与处理器连接的前置电压转换电路以及前置电流转换电路，电压、电流转换电路在电压输入时首先采用线性比例缩小，电流采用开口式霍尔传感器，输入输出比为1000:1，ADC采样频率为8KHz，即在一个电压、电流周波内，共采集160个点。在上述的一种基于STM32处理器的非侵入式电力负荷测量系统，数据存储模块包括512k字节的IS62WV51216BLL-55YLIDRAM存储芯片。在上述的一种基于STM32处理器的非侵入式电力负荷测量系统，电源模块需要考虑各个芯片的电压转换，包括与处理器连接的电源管理模块，以及与电源管理模块连接的电池模块。在上述的一种基于STM32处理器的非侵入式电力负荷测量系统，无线通信模块采用DTU模块，将串口数据转换为GPRS通信的无线通信网络。本技术适用于电力负荷监测领域，能以经济、便捷的方式突破目前只能对电力负荷进行功率总量监测的现状，将功率监测深入、细化到负荷内部各主要用电设备。可监测并分解出用户户内各个用电设备的启动时间、工作状态、能耗情况，从而为用户提供更加可靠、精确的能耗管理。附图说明图1为非侵入式电力负荷测量系统的总体结构图。图2a为电流采集模块前置电路图。图2b为电压采集模块前置电路图。图3为电压一级线性比例缩小电路图。图4为RAM存储空间扩展电路图。图5为SPIflash扩展电路图。图6为交流电与直流电的转换电路图。图7为电压二次转换图。图8为无线通信架构设计图。具体实施方式为了便于本领域普通技术人员理解和实施本技术，下面结合附图及实施例对本技术作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本技术，并不用于限定本技术。系统硬件设计。系统硬件结构由以下部分组成：处理器模块，前置电压/电流转换电路，电源模块和通信模块。系统总体结构如图1所示。处理器选型。为满足系统对处理器功能、性能和可靠性的要求，本技术装置选用STM32F746型微处理器，具有以下特性：(1)具有较高的处理速度，最高可到216MHz。(2)集成了两个通用的直接存储器访问，可提供存储器之间和存储于外设之间的高速数据传输，用于对CPU减荷。(3)12位逐次渐近型ADC，可测量来自16个外部源，并可设置成单次、连续、扫描或不连续采样模式下进行，最大转换速率为200KHz。(4)512k大小的flash，满足工程项目代码空间需求。(5)内部RAM，具有可扩展的地址总线。(6)配备两个看门狗，防止程序跑飞。(7)最大可支持18个定时器，其中1个16位高精度定时器。数据采集模块。采集单元模块主要功能是采集用户电力入口处的电压和电流信息。由电力设备入网可知电压信号是有效值220V的交流信号，电流是变化的交流信号，有效值随着电力设备的增多而增大。为将信号送入到微处理器进行内部A/D采样，需将信号进行调理使其满足微处理器内部AD的0V～3.3V的参考电压范围。电压、电流转换电路如图2所示，电压输入时采用如图3所示的线性比例缩小，电流采用开口式霍尔传感器，输入输出比为1000:1。为了能够获取电流细节信息，设计ADC采样频率为8kHz，即在一个电压、电流周波内，共采集160个点。数据存储模块。存储模块主要包括内部RAM以及扩展，确保负荷辨识、分解算法在运行过程中数据的临时保存。由于STM32F746内部的RAM为320k字节，无法满足一天的数据存储量设计，因此，采用512k字节的IS62WV51216BLL-55YLIDRAM存储芯片增大其RAM容量，从而简化在算法设计中对存储容量的考虑。整个RAM扩展电路设计图如图4所示，其中A0～A18表示地址总线，D0～D15表示数据总线。为保存数据库及各个历史时间的数据，采用SPIflash扩展为16M字节，SPIflash扩展电路如图5所示。电源模块。电源模块的设计是整个系统正常工作的基础，本文直接取电于电力入口处，需要考虑各个芯片的电压转换。首先需将交流电压转换为直流电压，转换电路如图6所示，再将输出的±24V分别进行二次转换，给微处理器和放大器供电。为保证系统在外界断电情况下能工作，加入电池模块。在外界断电情况下，电池输出的电压经过二次转换，给微处理器和放大器供电。二次转换电路如图7所示。无线通信模块。无线传输采用DTU(通用分组无线传输技术)模块，将串口数据转换成GPRS通信的无线通信网络，无线通信架构设计如图8所示。搭建了某居民用户家庭的系统平台，用于测试对常用家电的负荷辨识实验。抽取了其中15分钟的一次测试结果，数据采集的间隔为2秒。当前开的设备为空调，实际辨识结果ID为1001(对应设备为变频空调)，即辨识结果准确。设备ID为1000表示的是其他设备，包本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于STM32处理器的非侵入式电力负荷测量系统，其特征在于：包括处理器、同时与处理器连接的数据采集模块、数据存储模块、通信模块、电源模块；处理器选用STM32F746型号的微处理器；数据采集模块包括同时与处理器连接的前置电压转换电路以及前置电流转换电路，电流采用开口式霍尔传感器，输入输出比为1000:1，ADC采样频率为8KHz；数据存储模块包括512k字节的IS62WV51216BLL‑55YLIDRAM存储芯片；电源模块包括与处理器连接的电源管理模块，以及与电源管理模块连接的电池模块；无线通信模块采用DTU模块，将串口数据转换为GPRS通信的无线通信网络。

【技术特征摘要】
1.一种基于STM32处理器的非侵入式电力负荷测量系统，其特征在于：包括处理器、同时与处理器连接的数据采集模块、数据存储模块、通信模块、电源模块；处理器选用STM32F746型号的微处理器；数据采集模块包括同时与处理器连接的前置电压转换电路以及前置电流转换电路，电流采用开口式霍尔传感器...

【专利技术属性】
技术研发人员：史帅彬，徐旭辉，肖辉，周洪，邓其军，胡文山，周东国，
申请(专利权)人：深圳供电局有限公司，武汉大学，
类型：新型
国别省市：广东,44