电力参数简易检测仪设计方案

1 电力参数简易检测仪设计方案 随着电力的迅速发展和用户对用电管理水平要求的不断提高，电力系统越来越复杂。工业的发展、科技的进步，电力工业向大容量方向发展，企业生产技术管理对工业电力准确计量不断提出新的要求，节能降耗是现代工业进步的主要标志之一。提高电能有效利用率，对电能质量进行综合监测与治理，已成为迫切需要解决的问题。要实现对电能质量的综合治理，就必须实现电能质量的在线分析与实时监测，以了解电能质量的水平。作为电力管理系统组成部分的电参数测试仪也起着越来越重要的作用，然而传统的电参数测试仪的功能单一，若要测量 多种电参数，则需要多个单项仪器，这一方面造成设备的浪费，另一方面同步测量难以保证，给测试和分析带来了困难。 因此，本课题目的在以单片机为核心的工频检测系统的硬件简单、功能较强，测量准确度高，且对系统的时漂、温漂可用软件消除，不需增加硬件开销，对组成系统的元器件要求不高，因而本文采用了此种方法。本文主要研究单片机在工频电流、电压、频率、相位、功率因数等参数测量中的应用。 第 1章 课程 设计的方案论证 述 目前，工厂在检修前后及运行过程中，经常使用较高等级的单元仪表，测量电压、电流、功率、频率、相位等电参数，以便累积 有关用电设备的状态的信息。但是，采用单元仪表进行多种电参数的测量，存在以下问题：一是携带不便；二是操作不便；三是测量精度不满足现场要求；四是不便于管理测试数据。因此，必将会造成工作效率不高，技术人员负担较重等不良现象。因此迫切需要对电测仪表进行改进，以帮助技术人员对所测量信息进行分析，以了解现场设备运行状态。而这些功能的实现就必须采用以单片机为核心的多功能智能化仪器。本文介绍了基于单片机的工频交流电参数多用表的设计过程，它可同时对一路工频交流电的各种功率值、电压有效值、电流有效值等参数进行测量。 本设计提出 一种基于 交流电量测量仪器的实现进行了讨论和研究。该系统具有结构简单，操作方便，成本低廉等特点，着重介绍其硬件和软件设计方法。利用单片机的控制运算功能，以软件代替硬件电路用软件计算分析出各种有效值，使硬件电路大大简化。 2 压电流采样方案 由于系统测量的是工频电有效值，需将大电压、大电流变换为小电压、电流后才能进行测量。变换电路有以下两种方案： 方案一：采用串联电阻分压，该方法精度不高，输入输出无隔离，电阻损耗的功率较大。 方案二：采用电压互感器，电压互感器 利用的是电磁感应的原理，转换精度高，输入输出处于隔离状态，控制电压比容易。 经上述比较，方案二明显优于方案一，故本文选用方案二，采用电压互感器作为电压变换电路。 率因数计算方案 功率因数计算有两种方案： 方案一：把从工频电中分离出的电压和电流直接送到单片机中，由单片机程序对数据进行运算，得出结果送到显示中。 方案二：运用电能计算芯片，将电压和电流数据送到芯片中，芯片直接计算出结果，然后把结果送到单片机，单片机处理后直接送显示。 方案一需要大量的程序编写，耗费较多时间。方案二直接用芯片计算，不需要耗费时间， 而且芯片价格比较便宜。因此本设计选用方案二。 统总体方案 本设计采用电压和电流互感器将工频电信号进行分离，分别得出电压和电流，然后经过滤波电路，将干扰滤掉，再将电压和电流送入电能计算芯片，进行功率因数的计算。得到计算结果后，将结果送到单片机中，经处理后直接送显示，从而完成设计。系统总体框图如图 工频电信号 抗混叠滤波 电能计算芯片 单片机 电压互感器 电流互感器 显示 3 图 统总体框图 4 第 2章 硬件设计 片机最小系统 经综合分析选用单片机 合。 一种低功耗高性能的 8 位单片机，片内带有一个 4 线可编擦除只读存储器，它采用了 且其输出引脚和指令系统和51系列单片机兼容。片内的存储器允许在线重新编程或用常规的非易失性存储器编程器来编程。同时已具有三级程序存储器保密的性能。如图 1 2 3 4 5 6i t l eN u m be r R e v i s i o nS i z a t e : 2 9- M a y - 20 1 2 S he e t o f F i l e : C : P R O G R A M F I L E S D E S I G N E X P L O R E R 99 S E E X A M P L E S B A C K U P 2 1 BD r a w n B y:P 1. 01P 1. 12P 1. 23P 1. 34P 1. 45P 1. 56P 1. 67P 1. 78P 3. 5 ( T 1)15P 3. 2 ( I N T 0 )12P 3. 3 ( I N T 1 )13P 3. 4 ( T 0)14E A / V P A L 018X T A L 119R E S E . 7 ( R D )17P 3. 6 ( W R )16P 0. 039P 0. 138P 0. 237P 0. 336P 0. 435P 0. 534P 0. 633P 0. 732P 2. 021P 2. 122P 2. 223P 2. 324P 2. 425P 2. 526P 2. 627P 2. 728V C R X D ) P 3 T X D ) P 3 E ( P R O G )30P L E C 5 2p p u . 0 59 2 C+ 5片机最小系统 能计算芯片选型 一款高精确度的三相电能计量芯片，带有两路脉冲输出功能和一个串行接口，集成了 6 路 16 位二阶 数转换器，数字积分器，高性能 准电路及温度传感器等电路，以及所有进行有 功，无功和视在电能计量以及有效值计量所需的信号处理元件，在 1000： l 动态范围内误差小于 提供有功、无功及视在电能、电压、电流有效值及波形采样等数据；三相三线 /三相四线兼容。 5 各相提供系统校准功能，包括有效值偏移校准、相位校准、功率校准，部对无功电能进行了补偿 ;提供独立的有功电能及无功电能脉冲输出。这些功能特点大大减少了 软件开发工作量，简化了电力测量新应用模块的设计难度，可做到全电子或真正固体化、静止化，以有利于提高性能，降低成本，使电能计量具有高精度、高可 靠性、免维护和双向通讯功能。其与单片机的连接方式如图 图 压互感器电路 电压输入端电路主要是将输入的工频电压信号转换成 以测量的电压信号（ 5V）。以 A 相电压模拟设计输入为例，其他两相输入通道设计相同。电压采样电路如图 用的电压互感器为 入电流范围是 0出电流范围是 0阻 择 220，这样输出的电信号最大值为 会超过 130K。 成一个 波器。 图 压互感器电路 6 流互感器电路 电流通道由三对差分电压输入，提高了抗共模干扰能力。三对输入分别代表 A，B， C 三相。现以 为例，电路如图 示，其它电流输入与它相同。选用的互感器 输入电流 0出电流 电流通道 大信号电压变换范围为 中送往 信号取样电阻为两个 阻 输出最大信号为 出信号最大约为 会超过 幅二极管起到保护作用。 图 流互感器电路 示模块设计 显示采用 16 2 字符型液晶 单片机的接口电路如图 中 去耦电容。 数据线，与单片机的 子相接。 阻值可调的电位器，用来调整液晶显示的对比度；当 子对地电压为 0V 时液晶显示最为清晰。 A、 K 为 光灯的电源端子和接地端子，其中电源端子 主电源相接。正常情况下 开以减小电度表能耗；在电量查询时闭合 通背光灯电源。显示与按键相结合，用来实现电量参数的查询显示、异常事件记录查询显示以及时钟参数初值输入调整结果显示。当没有中断发生时，进行总的有功、无功电量显示。字符显示是通过 读入该字符的 实现，把该字符对应的 通过 写入 内部寄存器中。 7 图 片机与 1602的接口电路 通过控制端子 R/W 的状态组合实现指令的写入以及数据的读、写操作，操作说明参考表 示。 表 作说明 8 第 3章 软件设计 主程序流程图 电参数测试仪的控制程序包括主程序；各类子程序；中断服务子程序。它由内部定时或外部中断信号启动执行。主程序的流程图如图 示。在主程序中，主要工作是初始化系统、 示、与上位机进行通信、判断是否有按键输入、设置参数等。其中系统初始化主要完成对单片机定时器，看门狗以及存储器等进行设置，设置好后系统进入自检模块。检测系统配置以及工作情况是否出现异常，若发现异常则进行相应的处理，在自检模块未检测出异常后，读取表的参数和实时时钟，进而进入电量处理模块。该模块主要是对专用 电能计量芯片进行相应配置以及读取经过电能芯片处理后的电量信息，并且把所读取的电量保存到相应的存储模块中，并在 进行相应的显示。在此过程中如果发现有按键输入，则进行相应的参数设置。 图 程序流程图 9 能计算模块设计 电参数测量是实现系统中对各种电参数进行计量处理的程序，是实现其智能型电参数测试仪的基本功能的程序，也是电参数测试仪软件系统中最为关键的程序。这一程序模块包括：单片机上电时对各电量值的恢复、单片机通过串行接口（ ）读取电能计量芯片上的各个存放电参数的寄存器的值，对各电量 脉冲进行累计计算得到所需的电量信息，保存所关心的电量数据等程序。 在电能计量模块中单片机通过 对电能计量芯片（ 行读写操作、初始化、以及对计量芯片进行采样存储。对计量芯片进行读写操作实现了对计量芯片给定地址进行读出和写入的操作。所有计量芯片的操作都是通过芯片上的寄存器来完成的。每个寄存器都有唯一的地址标识。若对寄存器进行访问，首先要写通讯寄存器，然后才可以对相应寄存器的数据进行传输。通讯寄存器是一个 8 位寄存器，控制着计量芯片和主机之间的数据传输。通讯寄存器的内容包含了待操作的寄存器 地址以及要进行的是读还是写的信息。 计量芯片初始化完成对计量芯片的初始设置，实际上就是将校表数据以及初始值都写入到 应的寄存器当中。初始化模块除了系统复位后被调用外，还在对 作的错误累计大于错误最大值的时候被调用，这也是保证系统稳定运行的一个有效方法。 对计量芯片进行采样存储实现了将从电能计量芯片寄存器中取得的数据进行分类管理，采样值经过修正后存放于存储器的相应位置，以实现数据的保存、显示或是进行异常检测。对计量芯片的采样必须定时完成，并且时间间隔还应该适中，时间间隔太短会 占用 多时间，时间间隔太长有会使计量芯片中的寄存器数据溢出。电能计量模块主要流程图如图 10 图 能计算芯片流程图 11 第 4章 系统误差分析 测试方法：在测试中，分别用 440容和 10 欧姆串联、 10感与 姆电阻串联负载来测试电路的移相相位、功率因数、频率、判断负载的性质、有功功率、视在功率，再与示波器的显示值比较计算误差。 表 性负载测试数据 表 性负载测试数据 在对信号进行测量时原本要进行对电容充电放大处理，但后来没有很 好的处理充放电与 样的关系使数据测量误差加大。在选择运放和制作电路初期因为没考虑到个环节带来的误差信号，电路没有加调零电阻，运放的失调电压、偏置电流、温漂的影响。电路设计初考虑不周全致使在测试中遇到了很多的问题，比如没有考虑不到电压电流的方向。改过了后将电流采样电阻短路减少了电流大小，后来通过设计差分电路采集电流从而解决了问题。 12 第 5章 课程设计总结 本设计对当前电参数测试仪的发展现状进行分析，同时运用电参数测量原理作为理论基础，利用专用电能计量芯片和单片机的数据采样和处理能力，以达到工频检测的目的。 本设计 采用电压互感器与电流互感器对信号进行采集，将采集到的信号传递给电能计量芯片，电能计量模块选用的是美国 司的电能计量芯片 要完成的工作是完成对所需要的电量信息的计量处理并存储在各个寄存器内。选用的单片机是 主要完成的工作是控制 且读取其寄存器中的数据，通过 示所需要的电参数信息，并且可以通过按键输入来设置相对应的参数。由于工频检测在当今社会的用电管理系统中发挥越来越重要的作用，其功能也得以多样化拓展，本文中所设计的电参数测试仪仅实现了电参数测试仪众多功能中最基本的部分，由于采用的是单片机作为主控制部分，可利用其扩展性，使电能表的功能得以增强和完善，比如通过其扩展接口与专用的介质相连接，比如 等可以实现预付费功能，根据不同的时段设置不同的电价可以实现复费率的功能。由于建设节约型社会的需要，电参数测试仪在用电管理系统中的优势将进一步得以体现，此类电表的应用将具有深远的前景，对其的研究和设计也具有重要的社会意义。 13 参考文献 1 张洪润 马鸣鹤 M北京 2 余孟尝 M3 金美星 J4 李静 于文斌 J5 冯建勤 乔智 J6 梁金海 数字式自动量程工频有效值多用表 7 赵新民 智能仪器设计基础 尔滨工业大学出版社 8 杨代华 武汉：中国地质大学出版社 9 张永瑞 西安：西安 电子科技大学出版社 14 附录 附录 I 系统总图 15 附录 统程序 # /全局变量说明 0,1,3,E4,p,v;/电量参数 000; /功率参考 a13,c16; /示处理 1,3; /脉冲计数变量和事件发生次数变量 (c0,a1,(c1,c2,b1,b2,b3,b4,b5,(b1,b2,b3,();/测试 碌状态 ( /设定显示位置 ;/写入 数据到 ;/始化 ; ; ; /存储函数及接口变量说明 /通过 线向 入一个字符数 据 16 /向 入一个长整型数据 /从 字符数据 /从 长整型数据 ; ; /接口变量说明 (4;/别与 用 S=; 34; 35; 33; /时钟函数及接口说明 (6; 15; E=; /其他函数说明及接口变量定义 ,00 时延时约 1 秒 ();/8051 初始化 ;/始化 ;/始化 ;/时间检测与定时存储 ;/功率检测与变比切换 ();/电量参数存储