综合电力监控仪表的设计

日期: 2018-12-25    访问数 :280

引言
        电能是最重要的能源, 随着国民经济的发展, 电能用户逐渐增多, 使电能的质量问题日益严重[1]。为了解电网运行状态、保障电网的安全运行, 需对电力线路进行实时监控, 即在供电系统中对负荷、电压、电流、功率因数等电力参数进行准确、及时的测量, 并将数据信息通过总线传输给监控总站, 以便进行数据管理和相应的决策[2]。
        本文讨论的综合电力监控仪表采用先进的数字计量技术, 对电网中电能质量的各项指标进行监测和分析, 实现了电力线路的无人监管、维护及智能控制,对电能质量监测管理工作有积极的推动作用, 并为我国电网进一步建设提供准确的基础数据。

 

1 测量原理及硬件结构

        电力监控仪表主要包括电能计量和电力参数监控两部分, 常规的A/D+MCU 的硬件实现方案开发难度较大, 软件算法比较复杂, 硬件成本较高[3]。而基于ATT7022A 专用电能计量芯片的电力监控仪表有测量电网参数准确度高、硬件成本较低、开发难度相对小等优点。
1.1 电能测量原理
该仪表采用全数字测量技术, 通过采样、滤波再经过一系列的数字信号处理后获得如下电能值[4]:
( 1) 电压有效值的计算:
U= 1
N- 1
N
m = 1 !um
2 " ( 2) 电流有效值的计算:
I= 1
N- 1
N
m = 1 !im
2 " ( 3) 有功功率的计算:
P= 1
N- 1
N
m = 1 !U(m)I(m)
( 4) 有功能量的计算:EP= #P( t) dt
( 5) 无功功率Q 的计量, 根据视在功率计算公式:S= P2+Q2 " , 已知S 和P 即可求出Q 值。
( 6) 电压线频率测量: ATT7022A 自动选择A/B/C三相中的任一相电压为电压频率测量的基准, 直接输出电压频率参数。电压线频率测量范围为10~500Hz。
( 7) 视在功率的计算: S=U×I, U、I 分别为电压、电流有效值。
( 8) 功率因数角计算: !=arctan(Q/P)电流、电压有效值是通过ATT7022A 的6 通道模数转换电路对电流、电压采样值进行平方、开方以及数字滤波等一系列运算得到。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、数字滤波等数字信号处理后得到的[5]。
1.2 硬件结构

        本方案由微控制器对专用电能芯片、LED 模块、存储器、通讯模块等设备进行控制, 实现了各种电力参数的准确测量、数据的安全纪录、全软件校表以及总线通讯传输。系统结构图如图1 所示, 它主要由测量单元(ATT7022A) 、运算处理模块(W77E516) 、存储单元、人机接口单元、通信接口组成。

1.2.1 测量单元
        测量单元主要由电流互感器、电流型电压互感器和专用电能计量芯片ATT7022A 构成, 电流和电压信号分别经过电流互感器、电压互感器送ATT7022A 处理。互感器的作用是将测量的电流、电压信号降低到ATT7022A 电流和电压ADC 通道的输入范围之内, 同时也实现了测量系统和被测系统之间的电气隔离, 从而可以获得良好的抗干扰性能。本文采用的二次互感器规格是: 精密电流互感器5A/5mA, 电流型电压互感器2mA/2mA, 对于电压、电流不在二次互感器范围之内的, 需加一次互感器将电压、电流值降至二次互感器测量范围之内, 一次互感器与二次互感器的变比只需通过人机接口- 键盘进行设置即可。输入接口电路
如图2 所示。

图2 中, 输入引脚的VXP 和VXN 的直流偏置电压为2.4V 左右, 偏置电压由ATT7022A 芯片的第11脚REFOUT 提供。由电阻1.2kΩ和电容0.01μF 构成了抗混叠滤波器放置在ADC 的模拟输入之前, 用于防止由于采样可能引起的失真( 即混叠) 。ATT7022A 是一款高精度三相电能专用计量芯片。如图3 所示, 内部结构主要包括电源监控电路、模/数转换电路和计量模块。电源监控电路是对模拟电源(AVCC) 进行监控, 当电源电压低于4V±5%时, 芯片将被复位, 有利于电路上电和掉电时芯片的正常启动和正常工作。电源监控电路被安排在延时和滤波环节中, 在最大程度上防止了由电源噪声引发的错误。芯片内部集成的6 路16 位Σ- ΔADC 使芯片对有功功率的测量精度可达到0.2S 级。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, 能够测量多种电力参数,充分满足电力监控系统的测量需求。特别是ATT7022A 还支持软件校表, 提高了校表精度。该芯片的电压、电流信号采用双端差分信号输入, 电压通道有效值在10mV 至1V 的范围内线性误差小于0.1%,电流通道有效值在2mV 至1V 的范围内线性误差小
于0.1%, 在实际电路设计时, 为保证良好的信噪比,电压通道对应的ADC 输入选在0.5V 左右。而电流测量考虑量程的过流能力, 电流通道对应ADC 的输入选在0.1V 左右。

 

1.2.2 运算处理模块

        采用华邦W77E516 微处理器, 主要实现与ATT7022A 芯片的数据通信, 完成校表数据的写入和寄存器结果的读出, 驱动LED 显示, 控制键盘输入,数据的存储及与485 芯片的接口通信等功能。该处理器支持较宽的电压变化范围, 内部包含4 个双向8 位I/O 口, 3 个16 位定时器/计数器, 全双工串行口和若干中断源[6], 并含有1280B 的RAM和64kB 的ROM及看门狗复位电路, 能通过标志位区分上电复位和看门狗复位。因此片上资源丰富, 只需很少的外围电路即可构成应用系统, 大大提高了系统的集成度, 减小
了系统的体积, 同时也增强了系统的抗干扰能力。
1.2.3 存储单元及人机接口单元
        系统配置了2K 字节的CMOS EEPROMFM24C16, 用于保存系统的初始化值, 存储各种电能参数。该存储器有着快速的存取速度和高达100 万次的擦写次数[7], 为系统提供可靠的数据记录。人机接口单元包括键盘和LED 显示两部分。键盘部分用于对系统进行参数初始化设定以及设定要显示的内容等功能, 而显示部分则提供了良好的人机交互界面, 实时显示电网的运行状况。
1.2.4 通信接口
        通信接口用来与上位机进行数据交换,将电网运行参数和系统运行状态的数据输出。本方案提供RS - 485 接口, 采用MAX1480B 进行通信, 该芯片将光电耦合器、隔离型DC- DC 变换器和RS- 485 驱动器集成在一个芯片内[8], 是一个完整的输入/输出电气隔离的RS- 485 数据接口芯片, 能适应较恶劣的工业现场环境[9], 为系统的正常工作提供了保障。

 

2 系统软件设计

        由于电网的各项参数可从ATT7022A 中直接读出, CPU 不涉及A/D 采样数据的处理, 这使CPU 运算量大大减少, 因此单片机软件的设计核心主要包括电力数据的读取、数据存储、键盘扫描、LED 显示、通信等部分, 主循环中任务执行由任务标志位控制, 确保任务执行的实时性, 采用定时器中断来控制数据的定时读取, 对键盘操作和接口呼叫采用查询方式。电力监控仪表上电, 执行CPU 及ATT7022A 初始化后, 清看门狗定时器。数据的读取由定时器产生读ATT7022A 中断进行, 若定时时间到, 则转入中断处理程序, MCU 通过SPI 总线读ATT7022A 的电能寄存器( 电能寄存器读后自动清零) , 将读取的值累加入总电量的值。接着检查电能是否发生进位, 若进位则将电能数据写入FM24C16。再看是否需要执行键盘操作,是否发生接口呼叫, 若有则进行相应的处理, 执行了上述一系列操作后转LED 显示程序, 根据显示缓冲区的内容按要求循环显示各种电能参数。

 

3 软件校表

        为保证电能表的正常工作和测量结果的精度,ATT7022A 上电和WDT 复位后需对ATT7022A 进行软件校表。当MCU 检测到ATT7022A 的SIG 引脚为低电平时, 就将校表数据通过SPI 写入ATT7022A, 在写入校表数据后, 该信号会自动恢复到高电平状态。ATT7022A 提供的校表参数寄存器包括相位补偿区域设置、相位校正、功率增益校正、电压/电流校正、比差补偿设置、启动电流等寄存器。在做软件校表时,一般来说电压、电流校正, 起动电流设置, 断相阈值电压设置均没有顺序上的要求。但在进行功率增益校正时, 应先设置合相能量累加模式、电压通道ADC 增益和高频输出参数, 这是功率校正的条件, 而后做功率增益校正, 再进行相位校正。相位校正是在完成功率增益校正后进行的。以1.5A、220V 三相四线表为例, 设计参数为: 额定电流输入时, 电流通道的输入电压Vi 为0.1V, 参比电压输入时, 电压通道的输入电压Vu 为0.1V。软件校表流程如下:
( 1) RESET 复位控制线为低20μs, 检测到SIG 为低时, 送校表数据。
( 2) 填写电压通道ADC 增益UADCPga(0x3F), 设置电压通道ADC 放大倍数为4。
( 3) 将高频输出参数写入校表寄存器20HHfreq=INT[5760000000]×G×G×Vu ×ViUn ×Ib ×N式中Vu 是在参比电压输入下, 芯片电压采样管脚上对应的电压, 若设置了电压通道的增益, 则为放大后的电压; G 是常数0.648。
( 4) 设置启动电流: 复位后启动电流寄存器的默认值为0x280, 对应的启动电流为0.1%Ib , 不需要另外设置。
( 5) A 相功率增益校正: 三相电压输入220V, 仅输入A 相电流1.5A, 功率因数为1.0, 标准表的电能误差读数为- 0.74%, 即err=- 0.0074, 则Pgain= - err1+err×223=0F44AH , 写功率增益值Pgain 到相应相的校表寄存器。B、C 相功率增益校正方法相同。
( 6) 写A 相相位校正: 三相电压输入220V, 仅输入A 相电流1.5A, 功率因数为0.5, 标准表的电能误差读数为1.74%, err=0.0074,则:"=arccos(1+err)×0.5- π/3=- 0.01007537由于"<0,所以Phsreg=224+"×223=16692697=FFB5D9H因不分段做相位校准, 则将相位校正值写到校表寄存器即可。B、C 相位校正方法同A 相。
( 7) 写A、B、C 相电压校正: 三相电压输入为220V, 三相电流输入1.5A, 功率因数为1.0, 电压寄存器的值分别为0x2A8000、0x2AE305、0xB00F1, 经有效值计算: Urms=Vu/213; 电能表上的电压读数分别为340V、343.09V、344.03V, 电压校正值为: Ugain=Ur/Urms-1, 其中Ur 为标准表的电压读数。A 相电压校正值:Ugain=220/340- 1=- 0.352941<0, 所以Ugain=INT(224+Ugain×223) =0xD2D2D4, 将值写入相关寄存器。B、C 相电压校正方法同A 相。
( 8) 写A、B、C 相电流校正: 三相电压输入220V,三相电流输入1.5A, 功率因数1.0, 读电流寄存器的值分别为0x7C000、0x75CCC、0x78000, 经有效值计算Irms=Ii/213, 电能表上的电流读数分别为62A, 58.9A,60A, 电流校正Igain=Ir/Irms- 1=- 0.975806<0, 所以Igain=INT (224+Igain×223) =0x8318C9, 将值写入相关寄存器。B、C 相电流校正方法同A 相。

 

4 结论

        电力监控仪表的开发, 具有很高的实用价值。本文设计的基于ATT7022A 的综合电力监控仪表实现了全数字能耗计量, 大大减少了电能计量误差, 能监测电力线路负荷、工作电压值、电流值; 具有电力线路工作参数越限报警功能, 自动记录报警数据, 以便主站查询和分析; 同时具有软件校验功能及友好的人机接口, 实现用电管理自动化, 提高了电网供电效率。
 
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