（电力电子与电力传动专业论文）三相精确计量智能电能表研制.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h es w i f td e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i ct e c h n o l o g ya n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , m u l t i - r a t e ，t h e n e wt e c h n o l o g i e sa n d p r o d u c t sc o m eo u tu n c e a s i n g l y m e a n w h i l e ，t h e w a t t h o u rm e t e r st e c h n o l o g ya l s os i m i l a r l yt u r n st o w a r dm u l t i - f u n c t i o n ，n e t w o r k i n ga n dt h e h i g ha c c u r a c ym e a s u r e m e n t i ne l e c t r i cp o w e rm e a s u r e m e n t ，t h ec u r r e n tt r a n s f o r m e rh a sab i g e r r o rw h e ni t sw o r k i n gi nl o we l e c t r i cc u r r e n tl o a d ，f o rt h i sp r o b l e m ，t h i sp a p e rp r e s e n ta p r o j e c to fw a t t - h o u rm e t e rw i t ht h ep o w e rp a r t i t i o nm e a s u r e m e n t i no r d e rt om e e tt h e i n t e l l i g e n t i z i n gr e q u e s t ，t h ed e s i g no fw a t t - h o u rm e t e ri si n c l u d i n gt e l e c o m m u n i c a t i o n i n f r a r e dc o p yt h et a b l ea n dd a t ai n q u i r y t h ed e s i g nm a i n l yt a k e sh i g hp e r f o r m a n c e ，l o wp o w e rl o s sm c u a t 8 9 c 5 5a n dh i g h a c c u r a c ym e a s u r e m e n tc h i pa t t 7 0 2 2 ba st h ec o r e t h ec u r r e n ts i g n a ls a m p l em e a s u r e db y d o u b l ev o l t a g e r a t i oc u r r e n tt r a n s f o r m e r , a n dc o m b i n e dw i t ht h er e a l t i m ep o w e rt or e l i z et h e p o w e rp a r t i t i o nm e a s u r e m e n t t h em e a s u r e m e n tc i r c u i ta n ds o f t w a r ef l o wa r ed e s i g n e da f t e r 如na n a l y s i sa n dr e s e a r c ho nm e a s u r e m e n tp r i n c i p l e a n dm o r eo t h e r sc i r c u i td e s i g n s i n c l u d i n gp o w e rm o d u l e ，c o n n e c t i o nm o d u l e ，d i s p l a ym o d u l ea n dt i m em o d u l ea r ea c h i e v e d t oc o m b i n e 、) r i t l lh a r d w a r e d e s i g n ，t h i sp a p e rf i r s tm a k e st h eo v e r a l lc o n s t r u c t i o n s y s t e m a t i c a l l yt ot h es o f t w a r ep a r t i no r d e rt or e d u c er e d u n d a n tp r o g r a ma n di m p r o v et h e r e a d a b i l i t ya n dm a i n t a i n a b i l i t y , t h ed e s i g no fs o f t w a r ea d o p t sm o d u l a r i z a t i o np r o g r a m t h e a r t i c l eh a sa n a l y z e ds y s t e m sp r i n c i p l eo fw o r ka n dm a i no u t l i n eo ft h es o f t w a r ep r o g r a m m i n g t h r o u g ht h ef l o wc h a r t a f t e rp r o g r a ma n dd e b u g g i n g ，m o r ei n t e l l i g i z i n gf u n c t i o n sh a v ec o m e t r u e ，a n dm a d et h ew a t t h o u rm e t e rp e r f e c t l y a tp r e s e n t ，t h i sm e t e rh a sr e l i z e d p r e c i s i o nb a l a n c ei nf u nr a n g ea n da c c u r a t e m e a s u r e m e n t a n da l ld a t aa r ep r o v e dt ob ea c t u a la n de f f e c t i v eb ye x p e r i m e n tr e s u l t s k e y w o r d s ：p o w e rp a r t i t i o n ；a c c u r a t em e a s u r e m e n t ；a t t 7 0 2 2 b ；a t 8 9 c 5 5 ；c o m m u n i c a t i o n i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签 名：迄墨蕴坚 日 期： 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签 名：丕堡选量 导师签名： e l 期： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景 随着电力和电子产业的蓬勃发展，及用户和电力公司对电能表的要求愈来愈高，电 能表作为用户和电力公司交易平台，其作用至关重要。电能表作为衡量电能的计量仪器， 其技术性要求很高，既要求精确、更要求稳定，并保证长期可靠运行，并且随着我国电 力市场的逐步建立和完善，电力系统越来越复杂，作为电力系统重要组成部分的电能表 受到了越来越多的关注。为了满足各方面的需求，电能表设计也朝着复费率、精确计量、 智能化和网络化的方向发展，在工业用户的电力系统中，电能表从性能上还要满足恶劣 的工作环境，电压高、电流大、负荷重等条件。但我国早先普遍使用的感应式电表存在 精度差、功耗大、受谐波影响大等问题，在用电计费上给国家带来了很大的损失。随着 电子技术发展和现代电力应用，电能表专用计量芯片如a t t 7 0 2 2 b 、a t t 7 0 2 2 c 也随即而 出，从某种程度上提高了电能计量精度，简化了电度表设计结构，功能上也得到了更多 的扩展口1 。但是为了提高电力管理部门工作效率，实现远程控制、自动抄表等，那么高 精度智能电能表才是今后市场的迫切所需。 1 2 电能表技术发展及研究现状 2 0 0 3 年以来，也就是中国的城市和农村电网进行大规模改造、建设之后，电力系统 对三相多功能表的需求量迅速增长，2 0 0 4 年产量估计约7 0 万台，以不足全国电能表总 产量1 的份额，创造1 1 的电能表总产值。由此，国际、国内电表企业纷纷看好商机， 抓紧新技术开发，不断推出三相多功能表的新产品，以满足电能表市场的应用需求。 与传统的机械表相比，采用电子计量原理的三相多功能表，具有高精度、多参数测 量、谐波功率电能计量、低功耗、体积小、重量轻、结构性能好、调校更容易等优势。 电子式三相电表还增强与传统机械电能表没有的新功能，如强大的防篡改、分时段计量、 多重电价、负载评估、远程通信等功能。从总体评价，三相多功能表还是稳态电力负荷 计量产品，由于其应用领域扩大，电力系统对电表不断提出新的技术要求。现有的三相 多功能表性能和品质，都不能完全适应电力系统的需求。因此，如何正确把握产品技术 发展趋势，改进产品设计，将三相多功能表技术水准推向一个新的高度，无疑是电表行 业和电力系统共同关注的课题。 目前，我国己开始推广电子式三相多功能表，电子式三相多功能表在我国的发展也 非常迅速，虽然从技术上起步较晚，但是国产电子式三相多功能表在吸收国际计量技术 与管理经验的基础上，更强化自主开发，现己取得了许多新的技术成果。具体介绍如下： 一、三相多功能表 0 2 s 级有功功率表：采用1 6 位- a a d ，1 6 0 mi p s 的d s p ，交流采样速率为2 5 6 点周波，拥有运行和备用两套费率时段，并有负荷曲线记录和容量为4 m 字节的存储器， 宽电源电压范围，互感器合成误差补偿，变压器铜损、铁损计算等特性；o 5 s 级三相基 波有功表：采用三相s o c 单芯片或三相有功、无功计量芯片的低端三相多功能表设计， 江南大学硕士学位论文 从技术上适应电表量大、面广的市场需求；高压电能表：采用电子式传感器，悬浮式电 源设计，有功电能计量准确度为0 5 级，用于1 0 千伏中压电网直接计量电能量口引。 二、谐波功率、电能计量 三相谐波表，其有功功率计量0 2 s 级，无功功率计量0 5 s 级，高准确度的基波和 谐波有功电能计量，采用实时积分法计算总有功电能，通过f f t 算法，提供基波、谐波 电能量和谐波功率方向；冲击负荷电能计量理论与算法应用广义功率理论，定义任意波 形的单相电路和三相电路的功率，应用正弦电路功率理论、传统非正弦电路功率理论和 广义功率理论进行冲击负荷的有功、无功、视在、畸变、三相不对称功率电能的计算； 基于i i r 型h i l b e r t 数字滤波法的谐波无功功率的测量，h i l b e r t 数字滤波器具有优越 的频率响应特性，数值计算简单，经计算的谐波无功功率，与仿真实验结果只差0 0 2 ； 谐波有功功率潮流分析方法，经研究指出：f f t 理论具有局限性，实际的电力负荷，除 基波和整数倍频成份外，尚有间谐波存在，需要开发电能表新的算法。 三、三相电能计量专用芯片 具有基波谐波电能计量的三相多功能计量芯片，具有1 6 位一y a d 、2 4 位d s p ， 负荷动态范围1 0 0 0 ：1 ，线性度0 1 ，测量带宽2 1 次谐波，集成温度传感器；采用h i l b e r t 数字滤波器计量谐波无功功率的三相计量芯片；采用数字并行算法和降低晶振频率技术 的低功耗三相有功功率计量芯片利。 。 四、远程通信中断 基于g p r s 通信网的用电需求侧管理系统及其终端，该系统具有远程抄表、用电异 常信息报警、电能质量检测、线损分析、无功电压管理和电力负荷控制管理等功能，系 统指标为：并发数据量不小于5 万采集点，一次采通率不小于9 5 ，二次采通率不小于 9 9 5 ，遥测合格率大于9 8 ，对时精度小于1 0 0 毫秒。 五、关口表远程校准系统 关口表远程校准系统由多路关口表的测量、校准回路和计算机通信网络构成，就是 将高精度三相标准表置于变电站内环境条件符合要求的场所，被测电流的变换是通过计 量电流互感器的二次回路接入0 0 2 级、5 0 5 a 的中间互感器，标准表和关口表的三相 接线方式和有功、无功计量方式是通过工控机指令切换，关口表的实时误差通过专用信 道送至系统主站，整个系统误差为o 1 。 综上所述，经过十几年的发展，中国的三相多功能表门类比较齐全，中、低端电表 技术开发水平较高，特别是冲击负荷电能计量理论与算法、谐波无功功率计量、具有谐 波功率计量的三相专用芯片、高压电能表、g p r s 通信技术应用、电能远程校准等技术项 目具有创新意义。但是也应该看到，高端电表技术没有完全过关，电网关口计量仍以进 口电表为主导产品，这是一个值得深思的问题。 目前引进的三相多功能电能表新技术包括高精度、长寿命计量，高速率、实时测量， 开放式、高速率通信技术应用等等。尽管i t 产业新技术的应用，推动了进口电能表技 术的快速发展，但是现在进口的在线电能表产品技术不规范，o 1 级电能表、任意波形 功率和电能计量、0 - 3 6 0 。计量等关注的问题正在探索，电能表误差稳定性、可靠性指 2 第一章绪论 标尚未量化，器件损坏、数据丢失、自检有误的情况时有发生，这些情况说明进口电能 表技术走向成熟还有一个很长的过程。 1 3 电能表技术发展趋势 早在本世纪初，电子式电能表就已经取代感应式电能表，成为工商业用表的主流。 随着电力系统的不断发展，三相多功能表的应用领域不断扩展，三相多功能表的需求呈 明显上升趋势，电能表技术也发展到一个新的高度。目前在正视现状的同时，更应该展 望未来，需要超前预测电表应用领域和技术要求的不断变化，这样才能正确把握今后电 能表产品技术的走向。 应用领域的拓展：近几年，中国的社会用电量迅速增长，全国联网，特高压电网建 设，百万千瓦级发电机并网，加剧网络化进程，电网经营管理改进和计量新技术应用等 要素，推进电表应用领域的扩展，主要是从用电计量计费扩大到配电变压器、变电站的 经济管理和用电需求侧管理的计量；从用户计费扩大到发电厂上网电量、跨省电网联络 线交换电量的计费；从3 1 5 千伏安及以上的大工业用户计费扩大到i 0 0 千伏安及以上的 商业、非工业、普通工业户的计费，以上电表应用领域的扩大，引起计量点总量估计由 6 0 万个扩大到4 0 0 万个，电表应用需求量前景看好。 技术要求的更新：随着电表应用范围扩大，电力系统提出许多具有专业特点的计量 要求。对传统计费电表的通用要求包括有功、无功电能计量，最大需量计量，费率时段， 单方向、双方向和不完整的四象限计量，多参数测量，多种计时要求，多种通信方式， 自检、报警，停电抄表，失压、断相、停电、失流、三相不对称、编程预置、需量复位 等事件记录；新提出的通用要求包括运行和备用两套费率时段，0 - 3 6 0 。计量，具有时 标的视在电能计量，最小需量计量，q h 计量，温度误差自动补偿，谐波电压、电流总含 量和谐波污染程度测量，防窃电基础技术，同时，计费电表要准确可靠，功能简单、实 用；对关口表的特殊要求包括最高准确度提高到0 1 级，电表稳定性和可靠性指标要量 化，低负荷计量，需量周期、费率时段的同步和主、副表实时比对，电表远程校准等； 大工业户计量的特殊要求包括谐波、冲击负荷计量，功率越限报警，主变压器损耗计量， 互感器合成误差补偿，电能质量计量等；对中等容量户计量的特殊要求包括大电流计量， 半波通过电流互感器计量，三相不平衡、不对称计量；对变电站进出线计量的特殊要求 包括主变压器损耗计量，变电站的有功、无功、视在电能平衡计量，无功功率控制信号 输出，用户线路的特殊要求，参照大工业户计量的特殊要求内容；对配电变压器计量的 特殊要求包括停电采集，三相不平衡、不对称测量，中性线电流测量，变压器油温测量， 变压器损耗计量和有功、无功、视在电能平衡，电力线路损耗电量的核实等；对用电需 求侧管理系统终端的特殊要求包括功率越限报警和主动上报，电力负荷开关投切信号输 出等。 产品技术的发展趋向：电能表由单一的计费产品发展到关口计量、配电变压器计量、 变电站计量、大工业户计量、中等容量户计量、用电需求侧管理系统及终端6 类产品； 关口电能表要发展高精度、高稳定性、高可靠性、快速测量、0 - 3 6 0 。计量、多通信方 3 江南大学硕士学位论文 式和协议，经国际、国内同类电表的比较，提出量化指标和测试方法；计费用三相多功 能表要计量准确、简单可靠、讲求实用，逐步发展三相s o c 单芯片，开发具有谐波电压、 电流总含量和谐波污染程度的测量技术，研究温度、电压、频率、相位改变的自适应计 量；谐波有功、无功、视在功率电能计量实用化产品，改进谐波下的功率因数计算方法， 推进电能质量市场建立与发展，也为提高冶炼企业、电气化铁路的计量准确度做准备； 基于g p r s 通信网的用电需求侧管理系统及终端，要改进实时性和安全性技术，从长远 看，即使将来电力不紧张，用于配电变压器计量与抄表、居民用电远程抄表，其发展前 景也很好瞳制；电力网损耗计量与防窃电基础技术，包括：电量具有时标，电量波动分析 软件，电量异常报警与主动上报，变压器、电力线路损耗计量，电力系统节点、母线和 电力线路的电量平衡计量；全国联网、省网的总电量计量、计算和电能量数据组网，要 提到议事日程；加强国内电能质量和电能计量标准建设，包括：基波、谐波功率电能计 量标准的建设，进口急需而国内缺门的国际新型计量标准设备，满足在线电表新产品计 量溯源的要求；最后是研究制订三相多功能表质量评价标准与测试方法，提高在电网上 运行电表的整体技术品质。 1 4 课题研究的意义 电是一种商品。在我国电力法中，明确规定了供用电双方的权力和义务，使电力市 场走上规范化、法制化的道路。用户用电必须按照国家核准的电价和计量装置。然而， 电能计量综合误差过大是电能计量存在的一个关键问题，它直接影响电业发电量、线损、 煤耗、厂用电、供电量、用电量等各项电业技术经济指标的正确计算，营业计费的公正 合理，影响电业部门和用户的经济效益。随着电力工业向大电网、大电厂、大机组、高 电压、高参数、高度自动化的发展及将来全国联网的推进，输送的电力越来越大；随着 电力工业的商业化运营，以省为实体，网厂分离，电厂与电网之间、联网线路之间，均 要按电量计费结算，这一问题越来越突出。因此，努力提高电能计量的综合准确水平， 是一项刻不容缓的重要任务。而且当今开发电能表具有更高的精确度、可靠性和耐用性 高、低功耗、体积小、重量轻、结构性能好、调校更容易、更快，制造成本更低等特点。 1 5 课题研究任务和文章结构分布 课题主要研究任务是采用软件校表和电流互感器硬件补偿相结合来减小测量误差， 大大提高低负荷功率时电能表计量精度，实现了全量程精度平衡，并为满足电力系统的 需求，将所研制的电能表从功能和性能上均得到完善。作为一款智能电能表的设计其主 要功能包括功能计量、功率测量、功率因数测量、故障保护、异常记录和报警、数据存 储、数据查询、远程控制、红外通信、强大的防篡改、分时段计量、多重电价等。 本课题的主要研究是基于m c u 和计量芯片a t t 7 0 2 2 b 精确计量智能电能表，结合本 文可从以下六个章节来阐述： 第一章：介绍了课题背景，阐述了电能表技术现状及发展趋势，并确立了本课题的 研究目标，提出了精确计量的解决方案； 第二章：总结了数据采集的基本原理及电能计量的基本原理，研究了电能表专用芯 4 第一章绪论 片的内部工作机制； 第三章：详细设计了每个硬件电路模块，分析了硬件电路的特点和设计要点，并系 统地分析了整个电路的工作过程； 第四章：采用模块化设计思想，首先对软件系统整体架构，然后对各个功能子程序 进行编写调试，最后与硬件相结合来验证整个软件系统，并以软件流程图 的形式阐述系统工作过程； 第五章：介绍了系统调试步骤，总结了系统调试中问题的解决办法，同时总结了硬 件和软件抗干扰设计要点和方法； 第六章：对整个文章做了总结和展望。 第二章三相电能测量原理 第二章三相电能测量原理 2 1 三相电路及功能测量 2 1 1 电路连接 三相供电电路中的三相电源是由振幅相等、频率相同的三个正弦电压u ( t ) 、u 。( t ) 、 u 。( t ) ，其初相互差1 2 0 。组成。三相电源有两种基本连接方式：y 一连接和一连接。y 一 连接是将三相电源的末端接在一起，形成一个中性结点n ，从各相的始端及中性点n 引 出四根输电线分别为相线和中线，相线与中线之间的电压称为相电压u ，相线之间的电 压称为线电压u 。，流过相线的电流称为线电流i 。，流过每相电源的电流称为相电流工，。 y 一连接示意如图2 一l ( a ) 。三相对称y 一连接时，有如下关系： u l = 缸厶= ( 2 1 ) 式中：u 。，i 广一线电压和线电流；u p ，i p - - - 相电压和相电流。 对称三相电源也可以采用一连接( 连接) ，它是将三相电源各相的始端和末端依次 相连，再由三个顶点引出三根相线与负载相连。三相电源作一连接时，要求三绕组的 电压对称，如果不对称程度比较大，所产生的环路电流将烧坏绕组。一连接示意如图 2 一l ( b ) 。三相对称一连接时，有如下关系： u ，= u pi l = x 3 i ， ( 2 2 ) 式中：u 。，i l - - - 线电压和线电流；u ，i p - - - 相电压和相电流 ( a ) 星形连接 a n b c a ( b ) 三角形连接 图z l 三相电源的星形连接和三角形连接 f i g 2 - 1y c o n n e c t i o n 三相负载也分为y 一连接和一连接，当电源为y 一连接时，根据负载接线方法一般有 三相三线制和三相四线制之分。当三相负载为一连接时可构成三相三线制，如图2 2 ( a ) 所示。当三相负载为y 一连接时可构成三相四线制，如图2 - 2 ( b ) 所示。 三相四线方式时，流过各相负载的电流等于各相电源流过的电流。当电路为对称三 相电路时，中线电流为零。此时中线可以去掉，变为三相三线制。 7 江南大学硕士学位论文 ai aa ( a ) 负载三相三线连接 c ( b ) 负载三相e q 线连接 图2 - 2 三相负载连接图 f i g 2 - 2t h r e e p h a s el o a dc o n n e c ti o n c 2 1 2 功能测量 电能表最重要的功能就是电能测量。电能测量包括有功电能和无功电能的测量，其 中有功电能测量可简单地描述如下。 设在t 时刻负载两端的交流电压和流过负载的交流电流的表达式为 甜( ，) = u 。s i n c o t = 、2 u s i n c o t ( 2 3 ) f o ) = 厶s i n ( c o t 一妒) = 2 i s i n ( c o t 一9 ) ( 2 4 ) 其中甜( f ) 一t 时刻电压瞬时值；f ( f ) 一t 时刻电流瞬时值；u 。一电压峰值；厶一电流 峰值；u 一电压有效值；工一电流有效值；够一电压与电流相位差；一角频率。 则在一个周期内平均有功功率p 为 1订 p 2 亭上u ( t ) i ( t ) d t 1矿 2 手j ：s i n c o t i m ( 一妒) 衍( 2 5 ) 1 订 2 亭上w i 一c o s ( 2 f + 妒) + c o s 妒协 = u l c o s t p 一个周期内的电能w 为 形= 【u ( t ) i ( t ) d t = t u l c o s t p ( 2 6 ) 各种乘法结构的电能测量单元都是以式( 2 6 ) 为理论基础形成的。实际上用户负荷 是不断变化的，无法快速而准确地测得每个周期的电压有效值、电流有效值，以及电压 向量与电流向量之间的相位差，所以无法直接按式( 2 6 ) 计算电能。 电能的测量方式有电解式、感应式、电子式，目前在实际应用中最常用的为感应式 8 第二章三相电能测量原理 和电子式两种。其中电子式电能表中起主要作用的是电能测量单元，其作用是将输入电 压与电流变换成与功率成一定比例关系的脉冲信号，送至分频和计数。它是电子式电能 表的关键，其测量精度直接决定电能表的精度和准确度。电子式电能表的电能测量单元 种类繁多，其中乘法器是该单元的核心组成部分。乘法器的类型决定了电子式电能表电 能测量单元的结构。由此大体可分为模拟乘法器为核心和以数字乘法器为核心两类。模 拟乘法器的又分为热电转换型、霍尔效应型、时分割型等：数字乘法器则以微处理器为 核心的高精度a d 型为代表。初期的电子式电能表以时分割型为主的较多，目前的电 子式电能表则以数字乘法器为主【3 5 1 。 2 1 3 数字乘法器工作原理 电子式电能表的数字乘法器型是以微处理器为核心，它将经过采样网络变换的被测 电压和电流信号由a o 转换器完成数字化处理，然后微处理器对数字化的被测对象进 行各种判断、处理和运算，从而可实现多种功能啪，。 d i a ( t ) d p ) i a ( t k ) i i 丌丌爪 t _ 气 n 山 y 。 ；： ；i 图2 - 3 分时采样与采样点功率 f i g 2 - 3t i m e s h a r i n gs a m p li n ga n di t sp o w e r 利用作图法可求得一个周期内各采样点的功率，图2 - 3 为分时采样与采样点功率。 从图2 3 可以看到各采样点功率p ( t k ) 为 p ( 气) = u a ( t k ) i a ( t d ( 2 7 ) 一个周期丁内的平均功率p 为 9 江南大学硕士学位论文 p = u a ( ) ( ) + + u 爿( t k ) i a ( t k ) + + u a ( 乙) ( 乙) 二 ， ( 2 8 ) = 4 ( ) ( ) 即各采样点功率p ( t k ) 为 p ( t k ) = u a ( 乓) ( 气) ( 2 9 ) 则一周期内平均功率p 为 11 p = 爿( 气) ( ) ( 2 1 0 ) k = l ， 令a t = 气一瓦_ l ，则一个周期内的电能f f ，为 11 p = ( t k ) i a ( t k ) a t ( 2 1 1 ) k = 1 ，l 若& 专0 ，则有 f w = 【u ( t ) i ( t ) d t = t u ! c o s p ( 2 1 2 ) 式( 2 1 1 ) 说明将各采样点的电流、电压相乘积的累加和再乘以采样周期就是平均电 能。式( 2 8 ) 是一个数值计算公式，由微处理器可以轻松完成。这种方法通过模数转换 器( 也称a d 转换器) 把交流电压、电流模拟量转换为数字量。如果1 0 0 口s 采样一次， 而工频5 0 h z 的交流电压、电流的周期就是2 0 m s ，则一个周期内可采样2 0 0 次。研究 指出，利用高精度a d 转换器，增加采样次数就可以将电能计算得很准确。这种测量 方法的误差来源主要有采样频率、a d 转换器的转换精度，取样电路及其后的放大线路 元器件的分散性造成的幅值和相位误差。误差补偿可通过硬件电路和软件程序来实现。 数字乘法器的关键器件为a d 转换器，由它把交流电压、电流模拟量转换为数字 量。所有的a d 转换器的工作过程都是由三个基本转换过程组成的，即采样、量化和 编码。数字型乘法器的实现电路可由单片机、a d 转换器、采样保持器、多路模拟开关 和显示器等部分组成。这种电路的硬件部分元件多、体积较大；而其软件也较复杂，因 为数据采集表的可靠性较差，特别对于大批量生产工艺来说更不合适。由于计算机技术 的发展和a s i c 技术的应用，使开放专用芯片的工作相对容易。这种专用电能计量模块 不仅集成了乘法器、p f 变换电路，而且还包含有其他电路，如相位调整电、计算、积 分等都是通过数字电路来实现的。由这样方法设计的电能路、电源检测电路、接口电路 等，采用这些模块只需配以少量的外围电路就能实现满足不同需要的电子式电能表3 。 2 2 本设计中的数据测量 2 2 1 电能专用芯片 本设计采用高精度三相电能计量芯片a t t 7 0 2 2 b 与微控制器相结合的方式测量电能。 该芯片是珠海炬力公司的三相电能专用计量芯片，集成了七路二阶s i g m a - - d e l t aa d c 、 参考电压电路、功率、电能、有效值、功率因数以及频率测量的数字信号处理等电路。 经过校正的电能表，有功精度可高达0 5 s ，无功精度2 级。通过s e l 引脚可设置电表工 作模式为三相三线或三相四线。a t t 7 0 2 2 b 具有三路电压输入和三路电流输入，大信号接 i o 第二章三相电能测量原理 入部分采用电压互感器和电流互感器进行隔离，使数据处理电路与信号输入电路没有电 气上的连接3 钥。 其电压和电流的u ( v ) - t ( s ) 采样功能示例如图2 - 4 ( a ) 和2 4 ( b ) 。 图2 - 4 电压与电流采样示例 f i g 2 - 4s a m p li n g so fv o l t a g sa n dc u r r e n t 2 2 2 数据测量工作原理 各相的有功功率是通过对去直流分量后的电流、电压信号进行乘法、加法、数字滤 波等一系列数字信号处理后得到的。电压、电流采样数据中包含高达2 1 次的谐波信息， 1n 所以依据公式尸= - 万x u ( ，z ) ，( ，2 ) 计算得到的有功功率也至少包含2 1 次谐波信息。有功 j n = 0 功率的测量原理如图2 - 5 所示，合相有功功率p t = p a + p b + p c 。 电压 电流 合相有功功率：p t = p a + p b + p c 图2 - 5 有功功率测量原理 f i g 2 - 5p r i n c i p l eo fa c t i v ep o w e rm e a s u r e m e n t 有功能量是通过瞬时有功功率对时间的积分得到的。 单相有功能量的计算公式为：e 。= p ( t ) d t 合相有功能量可以根据设置按照代数或者绝对值的模式进行累加。代数加模式 e p t = e p a + e p b + e p c ，而绝对值加模式e p t = ie p ai + ie p bl + ie p cl 。合相有功能量的测量原理 如图2 6 所示。 江南大学硕士学位论文 图2 - 6 有功能量测量原理 f i g 2 - 5p r i n c i p l eo fa c t i r ee n e r g ym e a s u r e m e n t 2 3 本章小结 电能测量是电表的核心部分，本文介绍的电能测量方案是采用高精度电能专用芯片 和微控制器相结合，从设计方面考虑，简化了设计电路，降低了设计成本，提高了计量 精度。本设计中的三相电能表可应用在三相三线和三相四线供电模式下，应用范围广。 结合电能专用芯片的特点，其所测量电网的数据种类也比较多，通过和软件相结合，电 网的实时性参数就会得到全面监控，充分体现电能表的智能化。 1 2 第三章系统硬件设计 第三章系统硬件设计 3 1 硬件总体方案设计 本设计中的电能表主要包含电源模块、采样计量模块、通信模块、存储模块、微控 制器及显示模块。微控制器a t 8 9 c 5 5 是控制核心，它协调控制各个功能模块工作，并通 过s p i 通讯时刻检测电网参数。其主要功能有人机交互、数据存储、异常记录及报警、 保护、数据查询、通信等重要功能。电能计量系统最重要的功能是精确测量各种电能参 数，如电压、电流、有功功率、无功功率、频率、功率因数，欠压和断相检测、谐波分析 等。目前测量方式主要有两种。一种是采用专用测量芯片，将其检测到的数据加以处理， 得到想要测量的参数；另一种是直接对电流、电压进行采样，并通过计算得到电能参数。 相比之下前一种测量从精度、可靠性、维护的难易程度等方面均优于后一种【1 2 川。因此 本系统采用专用计量芯片来检测电信号，配以微控制器( m c u ) 编程实现多种功能。检测 部分由精密电流互感器、电压互感器和外围处理电路组成，从而得到电流、电压、频率、 相位等电网的实时参数，经计量芯片a t t 7 0 2 2 b 处理，并和微控制器a t 8 9 c 5 5 通信，将 计量得到各种电网参数进行处理和相应的存储，最后通过液晶显示屏显示或通过通信模 块( r s - 4 8 5 或红外) 进行远程通信和红外抄表【5 圳。总体系统框图如图3 一l 所示。 系统电源模块 弘甲 微控制器 ( a t 8 9 c 5 5 ) 副 羊( a t r 7 0 2 2 b ) p 图3 1 总体系统框图 f i g 3 1c h a to fw h o l es y s t o m 3 2 功能介绍和技术指标 结合设计要求和设计目的，通过1 j i q - 1 2 0 0 4 a 液晶显示屏及电表设计结构可以实现以下 主要功能： ( 1 ) 正常状态下可显示总的有功电能、无功电能以及异常时的异常标志位。 ( 2 ) 通过“瞬时 按键可查看电网中的实时有功功率、无功功率及功率因数。 ( 3 ) 通过“差值 按键可查询当月的用电量。 ( 4 ) 通过“异常”按键可查阅最近4 次电网中异常报警记录。 ( 5 ) 通过组合按键可实现日期时间校正。 ( 6 ) 电表配备有掉电后的供电电源，以便停电时顺利抄表。 ( 7 ) 通过通信口可以实现远程通信和红外抄表。 本课题设计的三相精确计量智能电表满足g b t1 7 8 8 3 1 9 9 9 和g b t1 5 2 8 4 2 0 0 2 国 江南大学硕士学位论文 家标准。其具体的技术指标为：精确度有功0 5 级，无功2 级；标称电压3 8 0 v ；标称电 流5 a ；脉冲常数3 2 0 0 i m p k w h ；信号频率5 0 h z 1 0 ；仪表电源2 2 0 v 1 0 ；工作环境 温度一2 5 5 0 ，相对湿度8 5 。 3 3 电源模块 电源是电能表工作的基本条件，为使电源不影响电能表计量准确性、可靠性和e m c 特性等，必须对电源部分进行特殊设计。在本系统中，电能表是工作在不间断电源供电 状态下，其中系统电源模块由主电源和后备电源两部分组成。 主电源模块由变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四部分组成，其中整流电路 采用d b l 0 7 集成模块，稳压电路采用7 8 0 5 、l m 7 9 0 5 集成电路模块，如图3 - 2 所示。先 是将电网2 2 0 v 电压经过电源变压器进行电压变换，使变压器次级电压的有效值与所需 直流电压5 v 相近，以便整流、滤波等后续电路处理。然后再经过整流桥将所得的正弦 交流电变换成单向脉动的直流电。但这个单向脉动电压含有很大的纹波成分，距离理想 的直流电压还差的很远，不能直接使用。接着上面的单向脉动电压进入主要由电容组成 的滤波电路，它尽可能地将单向脉动电压旱的交流成分滤掉，保留直流成分，尽可能地 使直流电压变得平滑。后面的稳压电路则是起稳压的作用，使得这个电源电路能够提供 稳定的直流电源，防止在电网发生波动或者负载发生变化的时候电压不稳定。电源模块 的稳压电路采用的是集成三端稳压器。其中7 8 0 5 提供+ 5 v 直流电，l m 7 9 0 5 提供- 5 v 直流 电1 。 图3 - 2 主电源模块 f i g 3 - 2p o w e rc i r c u it 为了使电能表在停电或电网异常断电后能够正常工作。本电能表配有停电后可有后 备电池供电的功能。其中后备电池采用的是具有可充电功能的锂电池，它的特点是工作 范围宽、存储寿命长。在电池饱和及电网正常的情况下，电能表有电网供电，当停电后 电能表转向为锂电池供电。从而使电能表永远保持在工作状态。 3 4 计量模块 3 4 1 专用计量芯片 a t t 7 0 2 2 b 是一款精度高防窃电三相电能专用计量芯片，适用于三相三线和三相四 1 4 第三章系统硬件设计 线的应用，它集成了七路二阶s i g m a d e l t a a d c ，其中三路用于三相电压采样，三路用于 三相电流采样，还有一路可用于零线电流或其他防窃电参数的采样，输出采样数据和有效 值；该芯片还集成了参考电压电路以及所有功率、能量、有效值、功率因数以及频率测 量的数字信号处理电路，能够测量各相及合相包括基波、谐波和全波的有功功率，无功 功率，视在功率，有功能量以及无功能量，同时还能测量频率，各相电流以及电压有效值， 功率因数，相角等参数，充分满足三相多功能电能表以及基波谐波电能表制作要求； a t t 7 0 2 2 b 支持全数字域的增益、相位校正，即纯软件校表；有功、无功电能脉冲输出 c f l 、c f 2 提供瞬时有功、无功功率信息，可以直接接到标准表，进行误差校正，脉冲输 出c f 3 、c f 4 提供瞬时基波有功功率以及基波无功功率信息，可以直接用于基波的校正； a t t 7 0 2 2 b 提供两类视在能量输出，r m s 视在能量以及p q s 视在能量，c f 3 、c f 4 也可以被 配置为视在能量脉冲输出；并提供一个s p i 接口，方便与外部m c u 之间进行计量参数以及 校标参数的传递【】。 a t t 7 0 2 2 b 的主要特性如下： ( 1 ) 高精度，在输入动态工作范围内( 1 0 0 0 ：1 ) 非线形测量误差小于0 1 ； ( 2 ) 有功测量满足0 2 s 、0 5 s ，支持i e c6 2 0 5 3 2 2 、g b t 1 7 8 8 3 1 9 9 8 ； ( 3 ) 无功测量满足2 级、3 级，支持i e c6 2 0 5 3 2 3 、g b t 1 7 8 8 2 1 9 9 9 ； ( 4 ) 提供基波、谐波电能以及总电能测量功能； ( 5 ) 提供视在电能测量功能； ( 6 ) 提供正向和反向有功无功电能数据； ( 7 ) 提供有功、无功、视在功率参数； ( 8 ) 提供功率因数、相角、线频率参数； ( 9 ) 提供电压和电流有效值参数，有效值精度优于0 5 ； ( 1 0 ) 提供电压相序检测功能； ( 1 1 ) 提供失压判断功能； ( 1 2 ) 具有反向功率指示； ( 1 3 ) 提供有功、无功、视在校表脉冲输出； ( 1 4 ) 可准确测量到含2 1 次谐波的有功、无功和视在功率； ( 1 5 ) 支持增益和相位补偿，小电流非线形补偿； ( 1 6 ) 电表常数可调； ( 1 7 ) 内置温度测量传感器； ( 1 8 ) 具有s p i 接口，方便与外部m c u 通讯； ( 1 9 ) 单+ 5 v 供电。 计量芯片a t t 7 0 2 2 b 引脚以及引脚功能介绍如图3 - 3 和表3 - 1 ： 江南大学硕士学位论文 图3 - 3a t t 7 0 2 2 b 引脚图 f i g 3 3a t t 7 0 2 2 bp i na s si g n m e n t 表3 - 1a t t 7 0 2 2 b 引脚定义及功能描述 t a b3 1 p i nas si g n m e n ta n df u n c ti o f fd e s c r i p ti o n o fa t t 7 0 2 2 b 引脚标识特性功能描述 1 2 3 , 4 5 r e s e t 输入 a t t 7 0 2 2 b 复位管脚，低电平有效，内部有4 7 k 上拉电阻 s i g 输出a t t 7 0 2 2 b 上电复位或者异常原因重新启动时，s i g 将变为低电平。 当外部m c u 通过s p i 写入校表数据后，s i g 将立即变为高电平 v 1 p v i n 输入 r e f c a p ；输出 6 ，7 v 3 p v 3 n ；输入 8 ，1 5 a g n d；电源 9 ，1 0v 5 p n 5 n ：输入 11r e f o u t 输出 1 2 ，1 8 a v c c ；电源 1 3 1 4 1 6 1 7 1 9 ，2 0 2 1 2 2 v 2 p n 2 n ：输入 v 4 p v 4 n + 输入 v 6 p 厂v 6 n 输入 v 7 p 7 n 输入 g n d 电源 t e s t 输入 n c! s e l ! 输入 c f l ，c f 2 输出 3 0 ，3 1c f 3 ，c f 4输出 3 3 3 4 4 1 3 5 v d d 电源 v c c 电源 c s 输入 a 相电流信道正、负模拟输入引脚。完全差动输入方式，正常1 = 作最 大输入v p p 为1 5 v ，内部都有e s d 保护电路，最人承受电压为 6 v 基准2 4 v ，可以外接；该引脚应使用1 0 u