綜合電力監控儀表的設計
日期: 2018-12-25引言
電能是最重要的能源, 隨著國民經濟的發展, 電能用戶逐漸增多, 使電能的質量問題日益嚴重[1]。為了解電網運行狀態、保障電網的安全運行, 需對電力線路進行實時監控, 即在供電系統中對負荷、電壓、電流、功率因數等電力參數進行準確、及時的測量, 并將數據信息通過總線傳輸給監控總站, 以便進行數據管理和相應的決策[2]。
本文討論的綜合電力監控儀表采用先進的數字計量技術, 對電網中電能質量的各項指標進行監測和分析, 實現了電力線路的無人監管、維護及智能控制,對電能質量監測管理工作有積極的推動作用, 并為我國電網進一步建設提供準確的基礎數據。
本文討論的綜合電力監控儀表采用先進的數字計量技術, 對電網中電能質量的各項指標進行監測和分析, 實現了電力線路的無人監管、維護及智能控制,對電能質量監測管理工作有積極的推動作用, 并為我國電網進一步建設提供準確的基礎數據。
1. 測量原理及硬件結構
電力監控儀表主要包括電能計量和電力參數監控兩部分, 常規的A/D+MCU 的硬件實現方案開發難度較大, 軟件算法比較復雜, 硬件成本較高[3]。而基于ATT7022A 專用電能計量芯片的電力監控儀表有測量電網參數準確度高、硬件成本較低、開發難度相對小等優點。
? 1.1 電能測量原理
該儀表采用全數字測量技術, 通過采樣、濾波再經過一系列的數字信號處理后獲得如下電能值[4]:
( 1) 電壓有效值的計算:
U= 1
N- 1
N
m = 1 !um
2 " ( 2) 電流有效值的計算:
I= 1
N- 1
N
m = 1 !im
2 " ( 3) 有功功率的計算:
P= 1
N- 1
N
m = 1 !U(m)I(m)
( 4) 有功能量的計算:EP= #P( t) dt
( 5) 無功功率Q 的計量, 根據視在功率計算公式:S= P2+Q2 " , 已知S 和P 即可求出Q 值。
( 6) 電壓線頻率測量: ATT7022A 自動選擇A/B/C三相中的任一相電壓為電壓頻率測量的基準, 直接輸出電壓頻率參數。電壓線頻率測量范圍為10～500Hz。
( 7) 視在功率的計算: S=U×I, U、I 分別為電壓、電流有效值。
( 8) 功率因數角計算: !=arctan(Q/P)電流、電壓有效值是通過ATT7022A 的6 通道模數轉換電路對電流、電壓采樣值進行平方、開方以及數字濾波等一系列運算得到。各相的有功功率是通過對去直流分量后的電流、電壓信號進行乘法、加法、數字濾波等數字信號處理后得到的[5]。
? 1.1 電能測量原理
該儀表采用全數字測量技術, 通過采樣、濾波再經過一系列的數字信號處理后獲得如下電能值[4]:
( 1) 電壓有效值的計算:
U= 1
N- 1
N
m = 1 !um
2 " ( 2) 電流有效值的計算:
I= 1
N- 1
N
m = 1 !im
2 " ( 3) 有功功率的計算:
P= 1
N- 1
N
m = 1 !U(m)I(m)
( 4) 有功能量的計算:EP= #P( t) dt
( 5) 無功功率Q 的計量, 根據視在功率計算公式:S= P2+Q2 " , 已知S 和P 即可求出Q 值。
( 6) 電壓線頻率測量: ATT7022A 自動選擇A/B/C三相中的任一相電壓為電壓頻率測量的基準, 直接輸出電壓頻率參數。電壓線頻率測量范圍為10～500Hz。
( 7) 視在功率的計算: S=U×I, U、I 分別為電壓、電流有效值。
( 8) 功率因數角計算: !=arctan(Q/P)電流、電壓有效值是通過ATT7022A 的6 通道模數轉換電路對電流、電壓采樣值進行平方、開方以及數字濾波等一系列運算得到。各相的有功功率是通過對去直流分量后的電流、電壓信號進行乘法、加法、數字濾波等數字信號處理后得到的[5]。
1.2 硬件結構
本方案由微控制器對專用電能芯片、LED 模塊、存儲器、通訊模塊等設備進行控制, 實現了各種電力參數的準確測量、數據的安全紀錄、全軟件校表以及總線通訊傳輸。系統結構圖如圖1 所示, 它主要由測量單元(ATT7022A) 、運算處理模塊(W77E516) 、存儲單元、人機接口單元、通信接口組成。
1.2.1 測量單元
測量單元主要由電流互感器、電流型電壓互感器和專用電能計量芯片ATT7022A 構成, 電流和電壓信號分別經過電流互感器、電壓互感器送ATT7022A 處理。互感器的作用是將測量的電流、電壓信號降低到ATT7022A 電流和電壓ADC 通道的輸入范圍之內, 同時也實現了測量系統和被測系統之間的電氣隔離, 從而可以獲得良好的抗干擾性能。本文采用的二次互感器規格是: 精密電流互感器5A/5mA, 電流型電壓互感器2mA/2mA, 對于電壓、電流不在二次互感器范圍之內的, 需加一次互感器將電壓、電流值降至二次互感器測量范圍之內, 一次互感器與二次互感器的變比只需通過人機接口- 鍵盤進行設置即可。輸入接口電路。
如圖2 所示
如圖2 所示
圖2 中, 輸入引腳的VXP 和VXN 的直流偏置電壓為2.4V 左右, 偏置電壓由ATT7022A 芯片的第11腳REFOUT 提供。由電阻1.2kΩ和電容0.01μF 構成了抗混疊濾波器放置在ADC 的模擬輸入之前, 用于防止由于采樣可能引起的失真( 即混疊) 。ATT7022A 是一款高精度三相電能專用計量芯片。如圖3 所示, 內部結構主要包括電源監控電路、模/數轉換電路和計量模塊。電源監控電路是對模擬電源(AVCC) 進行監控, 當電源電壓低于4V±5%時, 芯片將被復位, 有利于電路上電和掉電時芯片的正常啟動和正常工作。電源監控電路被安排在延時和濾波環節中, 在最大程度上防止了由電源噪聲引發的錯誤。芯片內部集成的6 路16 位Σ- ΔADC 使芯片對有功功率的測量精度可達到0.2S 級。功率、能量、有效值、功率因數以及頻率測量的數字信號處理電路, 能夠測量多種電力參數,充分滿足電力監控系統的測量需求。特別是ATT7022A 還支持軟件校表, 提高了校表精度。該芯片的電壓、電流信號采用雙端差分信號輸入, 電壓通道有效值在10mV 至1V 的范圍內線性誤差小于0.1%,電流通道有效值在2mV 至1V 的范圍內線性誤差小
于0.1%, 在實際電路設計時, 為保證良好的信噪比,電壓通道對應的ADC 輸入選在0.5V 左右。而電流測量考慮量程的過流能力, 電流通道對應ADC 的輸入選在0.1V 左右。
于0.1%, 在實際電路設計時, 為保證良好的信噪比,電壓通道對應的ADC 輸入選在0.5V 左右。而電流測量考慮量程的過流能力, 電流通道對應ADC 的輸入選在0.1V 左右。
1.2.2 運算處理模塊
采用華邦W77E516 微處理器, 主要實現與ATT7022A 芯片的數據通信, 完成校表數據的寫入和寄存器結果的讀出, 驅動LED 顯示, 控制鍵盤輸入,數據的存儲及與485 芯片的接口通信等功能。該處理器支持較寬的電壓變化范圍, 內部包含4 個雙向8 位I/O 口, 3 個16 位定時器/計數器, 全雙工串行口和若干中斷源[6], 并含有1280B 的RAM和64kB 的ROM及看門狗復位電路, 能通過標志位區分上電復位和看門狗復位。因此片上資源豐富, 只需很少的外圍電路即可構成應用系統, 大大提高了系統的集成度, 減小
了系統的體積, 同時也增強了系統的抗干擾能力。
了系統的體積, 同時也增強了系統的抗干擾能力。
1.2.3 存儲單元及人機接口單元
系統配置了2K 字節的CMOS EEPROMFM24C16, 用于保存系統的初始化值, 存儲各種電能參數。該存儲器有著快速的存取速度和高達100 萬次的擦寫次數[7], 為系統提供可靠的數據記錄。人機接口單元包括鍵盤和LED 顯示兩部分。鍵盤部分用于對系統進行參數初始化設定以及設定要顯示的內容等功能, 而顯示部分則提供了良好的人機交互界面, 實時顯示電網的運行狀況。
1.2.4 通信接口
通信接口用來與上位機進行數據交換,將電網運行參數和系統運行狀態的數據輸出。本方案提供RS - 485 接口, 采用MAX1480B 進行通信, 該芯片將光電耦合器、隔離型DC- DC 變換器和RS- 485 驅動器集成在一個芯片內[8], 是一個完整的輸入/輸出電氣隔離的RS- 485 數據接口芯片, 能適應較惡劣的工業現場環境[9], 為系統的正常工作提供了保障。
2. 系統軟件設計
由于電網的各項參數可從ATT7022A 中直接讀出, CPU 不涉及A/D 采樣數據的處理, 這使CPU 運算量大大減少, 因此單片機軟件的設計核心主要包括電力數據的讀取、數據存儲、鍵盤掃描、LED 顯示、通信等部分, 主循環中任務執行由任務標志位控制, 確保任務執行的實時性, 采用定時器中斷來控制數據的定時讀取, 對鍵盤操作和接口呼叫采用查詢方式。電力監控儀表上電, 執行CPU 及ATT7022A 初始化后, 清看門狗定時器。數據的讀取由定時器產生讀ATT7022A 中斷進行, 若定時時間到, 則轉入中斷處理程序, MCU 通過SPI 總線讀ATT7022A 的電能寄存器( 電能寄存器讀后自動清零) , 將讀取的值累加入總電量的值。接著檢查電能是否發生進位, 若進位則將電能數據寫入FM24C16。再看是否需要執行鍵盤操作,是否發生接口呼叫, 若有則進行相應的處理, 執行了上述一系列操作后轉LED 顯示程序, 根據顯示緩沖區的內容按要求循環顯示各種電能參數。
3. 軟件校表
為保證電能表的正常工作和測量結果的精度,ATT7022A 上電和WDT 復位后需對ATT7022A 進行軟件校表。當MCU 檢測到ATT7022A 的SIG 引腳為低電平時, 就將校表數據通過SPI 寫入ATT7022A, 在寫入校表數據后, 該信號會自動恢復到高電平狀態。ATT7022A 提供的校表參數寄存器包括相位補償區域設置、相位校正、功率增益校正、電壓/電流校正、比差補償設置、啟動電流等寄存器。在做軟件校表時,一般來說電壓、電流校正, 起動電流設置, 斷相閾值電壓設置均沒有順序上的要求。但在進行功率增益校正時, 應先設置合相能量累加模式、電壓通道ADC 增益和高頻輸出參數, 這是功率校正的條件, 而后做功率增益校正, 再進行相位校正。相位校正是在完成功率增益校正后進行的。以1.5A、220V 三相四線表為例, 設計參數為: 額定電流輸入時, 電流通道的輸入電壓Vi 為0.1V, 參比電壓輸入時, 電壓通道的輸入電壓Vu 為0.1V。軟件校表流程如下:
( 1) RESET 復位控制線為低20μs, 檢測到SIG 為低時, 送校表數據。
( 2) 填寫電壓通道ADC 增益UADCPga(0x3F), 設置電壓通道ADC 放大倍數為4。
( 3) 將高頻輸出參數寫入校表寄存器20HHfreq=INT[5760000000]×G×G×Vu ×ViUn ×Ib ×N式中Vu 是在參比電壓輸入下, 芯片電壓采樣管腳上對應的電壓, 若設置了電壓通道的增益, 則為放大后的電壓; G 是常數0.648。
( 4) 設置啟動電流: 復位后啟動電流寄存器的默認值為0x280, 對應的啟動電流為0.1%Ib , 不需要另外設置。
( 5) A 相功率增益校正: 三相電壓輸入220V, 僅輸入A 相電流1.5A, 功率因數為1.0, 標準表的電能誤差讀數為- 0.74%, 即err=- 0.0074, 則Pgain= - err1+err×223=0F44AH , 寫功率增益值Pgain 到相應相的校表寄存器。B、C 相功率增益校正方法相同。
( 6) 寫A 相相位校正: 三相電壓輸入220V, 僅輸入A 相電流1.5A, 功率因數為0.5, 標準表的電能誤差讀數為1.74%, err=0.0074,則:"=arccos(1+err)×0.5- π/3=- 0.01007537由于"＜0,所以Phsreg=224+"×223=16692697=FFB5D9H因不分段做相位校準, 則將相位校正值寫到校表寄存器即可。B、C 相位校正方法同A 相。
( 7) 寫A、B、C 相電壓校正: 三相電壓輸入為220V, 三相電流輸入1.5A, 功率因數為1.0, 電壓寄存器的值分別為0x2A8000、0x2AE305、0xB00F1, 經有效值計算: Urms=Vu/213; 電能表上的電壓讀數分別為340V、343.09V、344.03V, 電壓校正值為: Ugain=Ur/Urms-1, 其中Ur 為標準表的電壓讀數。A 相電壓校正值:Ugain=220/340- 1=- 0.352941＜0, 所以Ugain=INT(224+Ugain×223) =0xD2D2D4, 將值寫入相關寄存器。B、C 相電壓校正方法同A 相。
( 8) 寫A、B、C 相電流校正: 三相電壓輸入220V,三相電流輸入1.5A, 功率因數1.0, 讀電流寄存器的值分別為0x7C000、0x75CCC、0x78000, 經有效值計算Irms=Ii/213, 電能表上的電流讀數分別為62A, 58.9A,60A, 電流校正Igain=Ir/Irms- 1=- 0.975806＜0, 所以Igain=INT (224+Igain×223) =0x8318C9, 將值寫入相關寄存器。B、C 相電流校正方法同A 相。
( 1) RESET 復位控制線為低20μs, 檢測到SIG 為低時, 送校表數據。
( 2) 填寫電壓通道ADC 增益UADCPga(0x3F), 設置電壓通道ADC 放大倍數為4。
( 3) 將高頻輸出參數寫入校表寄存器20HHfreq=INT[5760000000]×G×G×Vu ×ViUn ×Ib ×N式中Vu 是在參比電壓輸入下, 芯片電壓采樣管腳上對應的電壓, 若設置了電壓通道的增益, 則為放大后的電壓; G 是常數0.648。
( 4) 設置啟動電流: 復位后啟動電流寄存器的默認值為0x280, 對應的啟動電流為0.1%Ib , 不需要另外設置。
( 5) A 相功率增益校正: 三相電壓輸入220V, 僅輸入A 相電流1.5A, 功率因數為1.0, 標準表的電能誤差讀數為- 0.74%, 即err=- 0.0074, 則Pgain= - err1+err×223=0F44AH , 寫功率增益值Pgain 到相應相的校表寄存器。B、C 相功率增益校正方法相同。
( 6) 寫A 相相位校正: 三相電壓輸入220V, 僅輸入A 相電流1.5A, 功率因數為0.5, 標準表的電能誤差讀數為1.74%, err=0.0074,則:"=arccos(1+err)×0.5- π/3=- 0.01007537由于"＜0,所以Phsreg=224+"×223=16692697=FFB5D9H因不分段做相位校準, 則將相位校正值寫到校表寄存器即可。B、C 相位校正方法同A 相。
( 7) 寫A、B、C 相電壓校正: 三相電壓輸入為220V, 三相電流輸入1.5A, 功率因數為1.0, 電壓寄存器的值分別為0x2A8000、0x2AE305、0xB00F1, 經有效值計算: Urms=Vu/213; 電能表上的電壓讀數分別為340V、343.09V、344.03V, 電壓校正值為: Ugain=Ur/Urms-1, 其中Ur 為標準表的電壓讀數。A 相電壓校正值:Ugain=220/340- 1=- 0.352941＜0, 所以Ugain=INT(224+Ugain×223) =0xD2D2D4, 將值寫入相關寄存器。B、C 相電壓校正方法同A 相。
( 8) 寫A、B、C 相電流校正: 三相電壓輸入220V,三相電流輸入1.5A, 功率因數1.0, 讀電流寄存器的值分別為0x7C000、0x75CCC、0x78000, 經有效值計算Irms=Ii/213, 電能表上的電流讀數分別為62A, 58.9A,60A, 電流校正Igain=Ir/Irms- 1=- 0.975806＜0, 所以Igain=INT (224+Igain×223) =0x8318C9, 將值寫入相關寄存器。B、C 相電流校正方法同A 相。
4. 結論
電力監控儀表的開發, 具有很高的實用價值。本文設計的基于ATT7022A 的綜合電力監控儀表實現了全數字能耗計量, 大大減少了電能計量誤差, 能監測電力線路負荷、工作電壓值、電流值; 具有電力線路工作參數越限報警功能, 自動記錄報警數據, 以便主站查詢和分析; 同時具有軟件校驗功能及友好的人機接口, 實現用電管理自動化, 提高了電網供電效率。
備案號：滬ICP備18025528號-1