基于单片机的三相电能表的设计.docx
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基于单片机的三相电能表的设计
摘要
本文以智能计量总表为研究对象,采用计量芯片ADE7758和AT89$52设计三相电能表,介绍了计量电路原理、系统结构特点以及分段计量的软件设计与实现。
针对10—35kV输配电网正常负荷和超低负荷两种情况下的精确计量,提出按功率额度实时分段计量的电能表设计方案;为了调整电力负荷曲线,针对用电量的时间不均衡问题,提出复费率分时段计量方案。
采用双变比电流传感器进行信号的检测采样,当负荷电流低于额定电流的20%时,单片机通过检测功率,自动切换到低负荷计量回路,即小电流比计量回路,最大限度降低了电流传感器低负荷运行时造成的信号检测误差,提高电能计量精度。
单片机通过对瞬时有功功率的检测,实现了计量回路的实时选通切换和功率分段计量:
通过对时间参数的检测,实现了定时存储和分时段计量。
根据电能表参数配置进行ADE7758初始化参数计算。
为了评估电能表计量数据的真实性和有效性,对模拟信号输入电路进行试验设计,应用ME300B单片机开发系统进行在线仿真调试。
以功率参数为性能指标,通过仿真试验,对功率参数的理论值和电能表的显示值两组数据进行分析比较,得出电能表计量数据是真实有效的结论。
采用双变比电流传感器进行电能表设计,扩大了负荷计量范围,提高了电能计量精度,且计量回路切换无需进行人工干预。
该方案有望实现全量程的精度均衡和精确计量,为具有实时分段计量功能的三相电能表设计提供一种可行的方案。
目前,已完成样表的设计与测试工作。
基于精确的试验平台,完成对电能表的增益和偏差校准,即可进行现场试验和数据采集,具有良好的市场应用前景。
关键词:
三相电能表,实时分段,精确计量,仿真试验,ME300B,ADE7758,AT89S52
符号约定及其说明
一、变量定义及显示代码(斜体时表示变量,正体时表示显示代码)
RO总的无功电量
ED总的有功电量
EJ分时段有功电量(00:
00~12:
00)
E2分时段有功电量(12:
00~00:
00)
E3按负荷功率分段小负荷计量时有功电量
E4按负荷功率分段正常负荷计量有功电量
P瞬时有功功率
V瞬时无功功率
H1断相事件次数
H2单相过流事件次数
H3单相过压事件次数
二、按键功能说明
K1手工复位
K2分时段电量参数查询显示
K3按功率分段电量参数查询显示
K4瞬时有功、无功功率参数查询显示
三、电能表参数
MC电能表脉冲常数
PO有功功率分段参考
Imax满足计量精度的负荷额定最大电流
Vn负荷额定电压值
VfADE7758电流、电压通道信号输入
IfullscalADE7758电流通道满刻度输入对应的负荷电流
VfullscaleADE7758电压通道满刻度输入对应的负荷电压
Wh/LSBADE7758有功能量寄存器最低有效值
VARh/LSBADE7758无功能量寄存器最低有效值
第一章绪论
电能表技术正向着复费率、多功能、网络化的方向发展。
电能计量芯片ADE7758、
ATT7022B等在电能表设计中的应用,提高了电能计量精度,简化了电能表设计结构。
随着电能计量芯片的推陈出新,复费率电能表、防窃电电能表、配置RS-485通信及红外通信接口的电能表以及三相多功能电能表发展迅速。
电能表的计量精度、功能扩展、抄表方式等发生了深刻变化,电能的科学管理和合理利用进入实施和操作阶段。
在这种背景下,电能表的功能、性能、以及可靠性设计等都有了显著提高与改进,电能表技术面临难得的发展机遇。
1.1电能表技术现状与发展趋势
早在本世纪初,电子式电能表就已经取代感应式表,成为工商业用表的主流。
随着电力系统在不断扩展三相多功能表的应用领域,三相多功能表的需求呈明显上升趋势。
功能的扩展提升了供电部门对居民用电的现代化管理,为将来实现大规模自动抄表提供了基础。
其中复费率表得到了很多经济发达而电力紧张的地区供电部门的青睐,复费率表的技术因此也得以迅速提高和发展。
预付费表技术趋于完善。
一方面由于供电部门加大对欠费用户的管理力度,使市场需求升温,另一方面由于技术改进,特别是使用了CPU卡和非接触式卡等最新技术,使预付费表的性能尤其是安全性和可靠性方面已逐步趋于完善。
文献【1】进行了基于RFID的预付费电能表的研制,文献[2]给出预付费电能表的设计方案,文献【3】进一步给出磁卡式预付费电能表的应用及其效益分析。
上述文献为预付费电能表的研制提供了设计经验。
自动抄表技术发展颇具前景。
近几年来,随着通信技术的不断进步以及电力市场应用的需要,国内自动抄表技术水平取得了长足的进步。
低压电力线载波技术逐步被越来越多的电力部门所采纳,短距离红外抄表技术得到应用和推广。
文献【4】基于单片机红外通信实现了无线抄表系统设计,文献【5】阐述了智能抄表系统的研究现状和发展,文献【6】基于低压电力载波技术实现了单相电子式电能表的设计,文献【7】把电力载波技术和GPRS技术相结合,阐述了远程抄表系统的设计实现方案。
在无线抄表方式中,红外方式用于短距离通信,而GPRS技术可以实现远程长距离通信。
随着社会需求的发展和科学技术的进步,无线通信技术和远程管理系统得到了广泛应用。
文献[8]给出基于无线网络通信技术的电力资源远程智能管理系统的设计和应用。
文献[9]基于GPRS技术进行了无线抄表系统的设计与实现;文献[10]基于ADE7758计量芯片进行了GPRS网络电能表的设计。
电子式电能表在可靠性、准确度、功能扩展、性价比等方面显著优于感应表,全面取代感应表的趋势。
防窃电要求进一步加强。
随着窃电方式的更加多样化和隐蔽化,对电能表防窃电的要求也越来越高,电子式电能表表现出强大的优势。
文献【11】-【12】阐述了三相电能表的错接线对电能计量的影响。
增强电能表的谐波计量能力,是提高电能计量准确度的有效手段。
文献【13】对非正弦条件下的感应式电能表的计量精度问题进行分析;文献[141对非正弦条件下电力系统的特性进行分析,并研究了在线计量问题。
具有通信接口尤其是RS一485接口成为趋势。
随着抄表到户的逐步实施以及电力部门的体制改革,自动抄表成为用户强烈的需求,因此越来越多地要求电能表配备通信接口。
目前的通信方式在一个或几个方面或多或少存在一些问题,无法全面满足用户的要求。
而电能表配备RS一485接口具有成熟和性价比的优势,适合未来采用更新、更好的通信技术,因此成为用户目前较为理想的选择而逐渐成为标准配置。
文献[15]进行了RS-485电路的匹配和保护性研究,文献[16]实现了PC机与RS一485总线多机串行通信的软硬件设计。
模块化设计成为趋势。
随着电力市场改造力度加大,对电能表的技术更新速度也提出了更高的要求。
电能表的硬件和软件可以采用模块化设计,将技术相对成熟和标准的部分进行封装入库,如计量模块、电源模块、RS.485模块、RTC模块、显示模块、继电器控制模块、IC卡模块、数据存储模块等。
当设计一个新的产品时,开发人员只需要将精力集中于产品的新模块、新功能的开发,以及模块的集成上,进而有效缩短产品的开发周期,提高产品设计的可靠性。
测量电路的集成化、模块化是计量芯片的发展趋势。
当前,各大型器件公司纷纷推出自己的计量芯片,并不断的进行产品更新换代。
比较典型的有美国ADI公司推出ADE7758计量芯片,珠海炬力公司推出的ATT7026A和北京福星晓程电子公司推出PL3223。
上述三种芯片都集成了DSP数字信号处理技术,支持硬件和软件两种校表方式,计量精度高,且外围电路设计简单。
文献[17]介绍了三种计量芯片的工作原理,比较了各自的性能指标,为合理选择芯片提供参考。
以ADE7758计量芯片【18】为例说明。
ADE7758是一款高精度的三相电量计量芯片,可以同时处理有功、无功等多个电量参数,符合IEC61036标准。
在250C条件下,有功能量计量在1000:
l动态范围内误差小于O.1%。
文献[19]-[21]阐述了ADE7758计量芯片在电能表设计中的具体应用。
目前,我国感应式电能表仍占据相当的市场。
峰谷分时电价和避峰电价政策的出台,将推动多费率表市场需求。
尤其是大工业用户,对三相多费率表的需求,会较快增长。
此外,三相高精度多功能表也将得到重点发展。
该电能表目前主要用于发电厂、变电站和各大用户,并不断扩大到普通三相表用户中。
电子式电能表有多功能、高精度、多费率、自动抄表等优势,逐步成为电能表发展的主流。
1.2拟解决的问题和本文的创新性工作
课题研究主要解决分段计量问题,包括按时间参数分段和按负荷功率实时分段两种方式。
基于ADE7758和单片机AT89S52进行电能表设计,根据负荷的功率额度实时分段计量,是本文的创新点。
为了实现正常负荷和超低负荷两种情况下的精确计量,提出按负荷功率实时分段计量方案;为了缓解电力供需矛盾,调整电力负荷曲线,提出复费率分时段计量方案。
两种计量方案分别针对提高电能计量精度和调整电力负荷曲线提出。
复费率分时段计量拟解决的问题。
随着经济的发展,各行各业对电力的需求越来越大,用电量时间不均衡的现象日益突出。
为了合理利用电量,调节电网负荷曲线.采用分时计费是一个有效的解决方案。
复费率电能表以时间参数为峰谷费率划分依据,通过设置多个费率和时段,通过“削峰平谷”的方法消减峰期的用电量,增加谷期的用电量。
文献[22]-[23]针对复费率计量问题,提出具体的设计实现方案。
复费率分时段计量有利于缓解用电量的时间不均衡现象。
按功率分段计量拟解决的问题。
在进行电量总表设计时,一般采用电流传感器进行电流信号的检测。
当电流传感器工作在一次端额定电讲L值附近时,电流信号的检测误差最小。
在配电系统中,电网电压一般是稳定的,电网电流则根据挂接的负荷大小发生变化。
为了扩大负荷计量范围,减小电流传感器的检测误差对计量精度的影响,采用双变比电流传感器进行电流信号的检测,根据负荷的功率额度实时进行变比切换,使电流传感器始终工作在检测误差最小状态。
这种计量方案有望实现全量程的糟度均街和精确计量。
在这方面,相关的参考文献及研究成果为数不多。
ADE7758、ATTT022B等计量芯片的应用,提高了电量计量精度,减少了电能计量误差。
针对电能计量精度问题,文献[10]进一步给出ADE7758软件校准流程和校准算法,对ADE7758应用手册中的一步校准算法进行改进,采用邂步逼近算法以减小电表校准误差;文献[25]从AD转换角度研究了提高电能计量精度的方法;文献[26]、[27]从谐波计量和辨识的角度进行分析;文献[28]从提高电能谐波功率的计量能力角度,提出一种基于高速单片机内核的高精度三相电能表设计方案;文献[29]提出基于ARM技术的三相电能表设计方案。
上述文献从不同角度阐述了提高电能计量精度的策略问题。
目前,还没有一种电能表产品具有按负荷功率额度实时分段检测计量功能。
对于高压,尤其是lO~35kV输配电网的高糟度计量问题,至今还没有涉及实时分段计量。
复费率分时段计量以时间参数为峰谷分段依据,但这种分段不具有实时性,且无法满足精确计量的要求.本文为了解决精确计量问题,从电流传感器的检涮误差角度进行分析.提出一种高精度10kv~35kv的输配电网电力负荷计量方案。
1.3电能表参数配王和论文组织结构
电能表参数配置如表1-1和表1-2所示。
电能表规格
脉冲常数
分流电流
CT规格
PT规格
高压比
150(250)A
200
0.012
150/5A
10000/100V
低压比
30(50)A
200
0.012
30(5)A
10000/100V
表1-2
Imax
额定电压Vn
Ifullscal
Vfullscale
高压比
250A
10KV
442.0A
17.68KV
低压比
50A
10KV
88.4A
17.68KV
电能表配置两个量程,30A(50A)和150A(250A),分别对应高变比计量和低变
比计量两种模式;按负荷的功率额度实时进行不同量程的计量切换,以实现正常负荷和超低负荷两种情况下的精确计量。
有功、无功脉冲常数设计分200impulsos/kWh和200impulses/kVAR;匹配电阻为电流传感器二次端的两个串联分流电阻,其作用是把电流信号转换为电压信号;Vn、Imax对应额定电压值和负荷最大额定电流值,IfulbcaI、Vful居cale为ADE7758满刻度输入时对应的负荷电流、电压值。
根据电能表参数设置和ADE7758计量芯片特点,计算公式如下:
小变比时Ifullscale=(0.5V×6)/(0.024Q×√2)=88.4A(1.1)
高变比时Ifullscale=(0.5V×30)/(0.024Q×√2)=88.4A(1.2)
式中O.5V为ADE7758电流通道满刻度输入信号,30和6为电流传感器高低变比,0.024Q为电流传感器二次端分流电阻大小,电路结构设计参考计量原理图3-2。
根据国家标准GB/T15283--94和国际标准IEC521-1988,电能表标有两个电流值,如30(50)A。
这里30A为基本电流(basiccurrent),符号易,是确定仪表有关特性的电流值,也称此电流值为标定电流。
括号内所标(50)A为额定最大电流(ratedmaximumcurrent),符号Imax,为满足标准规定的准确度的最大电流值。
设计时在外加额定电压Vn=10kV时,ADE7758电压通道信号输入为0.2V。
高变比计量在负荷电流Imax=250A时,ADE7758电流通道信号输入为0.2V;小变比计量在Imax=50A时信号输入为0.2V。
针对具有实时分段和分时段计量功能的三相电能表进行了软硬件设计和仿真试验,阐述了电路功能模块划分以及电能计量原理,分为七个章节进行论述。
第一章阐述了电能表技术现状和发展趋势,提出本文拟解决的问题及创新点,说明了电能表参数配置;第二章介绍了系统结构框图,提出具体的设计要求;第三章分析了硬件电路结构,介绍了芯片具体应用特点,阐述了以ADE7758为核心的计量电路设计和以单片机AT89S52为核心的外围电路设计;第四章应用ME300B单片机开发板进行系统功能模块调试,进行功能函数的定义与测试,介绍了显示函数和存储函数;第五章进行系统软件流程设计以及电量参数的算法设计,阐述了功率分段计量以及按时间分段计量的软件设计与实现,进行按键中断处理设计和时钟初值输入调整设计;第六章进行仿真试验,以功率参数为性能指标,说明电能表计量数据是真实有效的;第七章进行论文总结工作,阐述了设计中的重点和难点及其解决。
第二章系统结构框图与设计要求
2.1系统结构框图
系统结构框图是系统产品化的基础,它包含了系统的硬件选择及软件开发,是在对系统功能、技术指标、性价比、元器件的可购性等因素进行可行性分析的基础上,对多个方案比较权衡后确定。
系统结构框图参考图2-1所示。
应用Protel.99SE软件进行系统原理图设计和PCB电路板设计,参考附录A和附录B所示。
系统结构框图有以下几个模块组成,计量模块、主控模块、显示模块、存储模块、看门狗复位模块、时钟模块、RS一485通信模块、计量回路选通模块、后备电源和主电源切换电路等。
采用ADE7758计量芯片和AT89S52设计三相电能表,单片机的TO、T1对ADE7758的APCF、VARCF端子发出的脉冲计数,实现有功、无功等多个电量参数的计量。
单片机通过12C总线进行电量参数的定时存储,通过按键进行电量参数的查询,通过液晶HCl602进行电量参数的显示,通过RS.485总线进行电量参数的远程数据传送,采用AT24C02芯片进行电量参数的存储。
考虑到存储芯片擦写次数的有限性,电量参数的计量累加在单片机内部完成。
DSl302为分时段计量和定时存储提供时间参数;通过三个功能键实现DSl302芯片时钟的初值输入调整。
后备电源LIR2032为可充电的3.6V锂电池,充电时电流最大不超过20mA。
单片机复位采用MAX813L芯片。
单片机的RXD、TXD串口预留作为RS.485通信接口,文献[30]具体阐述了RS.485总线通信过程的设计与实现。
课题研究采用MAX485芯片进行RS.485总线与单片机的接口电路设计,其中RS.485通信软件设计留待后续进行。
2.2内客显示与设计要求
课题内容围绕三相电能表多个电量参数的计量、存储、显示、按键查询展开。
显示分两行显示,每行16个字符。
在参数显示的同时进行代码的显示。
若系统无中断发生-渡晶显示当前总的有功电量和无功电量,有功电量和无功电量代码已为E0、R0,数据显示格式如图2-2,由8个整数位和1个小数位组成,显示范围O-99999999.9。
EO:
00000000.1
RO:
00000000.1
图2-2计量数据显示格式
系统配置三个功能按键,记为K2、K3、K4.功能描述参考表2-l所示-
按键类型
显示界面示例
功能描述
K2
E1:
00000000.0
E2:
00000000.0
显示分时段计量的有功功率
K3
E3:
00000000.0
E4:
00000000.0
显示实时分段计量的有功电量
K4
P:
00000000.0
V:
00000000.0
显示瞬时有功功率P、无功功率V
K2、K3组合
0805/04/00:
00:
00
进入时钟初值调整,光标指示调整对象
K2、K4组合
H1:
0002
0805/04/00:
00:
00
异常事件记录查询
K3、K4组合
E0:
00000000.1
R0:
00000000.1
退出时钟初值调整并返回主显示
其中R0、E0、E1、E2、E3、E4、P、V、H1、H2、H3参考符号约定部分说明。
显
示码在进行LCD显示时表示显示参数的物理意义,在源程序设计时,对应全局变量名电能计量结果通过三个功能按键进行查询显示,系统具体设计要求如下。
(1)实现总的有功、无功等电能计量与显示z通过按链查询显示分时段电量、功率分段电量和瞬时有功、无功功率。
(2)通过对负荷瞬时功率的检测,实现功率分段和有功电量的实时分段计量.
(3)通过对时问参数的检测,实现电量参数的定时存储和有功电量的分时段计量。
(4)通过按键进行时钟初值输入调整。
(5)实现异常事件的中断记录,其中异常事件包括断相、过流、过压等三种情况。
第三章系统硬件电路设计与实现
本章节进行系统硬件电路设计、功能模块划分和元器件选型。
围绕ADE7758外围电路设计,阐述了电能计量原理.并进行有关电路参数计算;围绕AT89S52外围电路设计,阐述了各功能模块与单片机的接口电路设计;最后介绍了电源模块设计及其特点。
3.1计量芯片ADE7758
3.I.1引脚配置及功能描述
计量芯片ADE7758引脚配置如图3-1所示。
该芯片采用SOIC封装,有24个引脚,76个寄存嚣:
电压通道采用16位Σ-△型ADC,动态范围20:
1;电流通道采用24位Σ-△型ADC,动态范围500:
1。
在10MHz晶振驱动下,最大采样速率25ksps。
引脚功能描述参考表3-1所示。
表3-1ADE7758引脚功能描述
3.1.2计量电路原理
计量电路采用ADE7758专用电能计量芯片,由信号衰减网络和滤波网络两部分组成。
衰减网络用来实现负荷电流、电压信号的衰减,由电流传感器、电压互感器组成;滤波网络用来实现抗混叠滤波,由电阻、电容元器件组成。
文献[31]提出不对称的三相四线系统的滤波设计方案。
频率混叠是A/D信号采样处理中的特有现象,混叠会产生假频率假信号,影响测量结果。
在进行电流、电压信号衰减后,要进行抗混叠滤波设计。
计量电路原理参考图3—2所示。
电流回路由电流传感器进行信号取样,电压回路由电压互感器进行信号取样。
计量芯片ADE7758对取样信号进行处理,计算出瞬时有功、无功功率。
平均有功、无功功率通过瞬时功率的直流分量获得。
在电量累加寄存器中对平均功率进行累加得到分相电量;分相电量可以通过SPI端口读出,也可以转换为计量脉冲输出。
ADE7758有两路脉冲输出,对应端子为APCF和VARCF。
脉冲输出频率与能量寄存器中累加的能量成正比,通过对脉冲计数实现电量参数的累加。
以ADE7758的A相电流、电压通道为例分析。
参考图3—2所示,电流通道采用差动方式输入,信号电压小于0.5V;设计最大负荷电流时为O.2V。
IAP为差动信号的正极性输入端子,IAN为负极性输入端子:
各端子的抗混叠滤波网络由lkQ的电阻和10nF的电容组成。
电压通道采用单端方式输入,设计额定电压输入时为0.2V。
发光二极管LEDl指示功率分段和变比切换情况。
P1.0为高电平时,CD4053的ay端子与a选通,A相小变比电流检测信号选通,对应低负荷计量模式:
P1.0为低电平时,ay端子与a选通,高变比电流检测信号选通,对应正常负荷计量模式,此时LEDl导通发光。
电流传感器在工作时二次端不允许断路,在设计时采用Rbl、Rb2,Rb3、Rb4作为
二次端高低变比计量回路的分流电阻,阻值大小为0.012Q。
在进行电流信号检测时,两组计量回路彼此独立,通过CD4053芯片进行选通。
对于B、C两相电路结构,设计与A相同。
虚线框内电路已完成PCB电路设计,框外衰减网络在仿真试验时通过分压电阻网络进行等效替代。
分流电阻选取要考虑阻值大小和额定功率两个因素,阻值选取与负荷额定最大电流Icax、传感器变比CTRN有关。
设计额定最大电流输入时ADE7758电流通道为忙0.20V。
根据电能表参数配置,高变比时Imax=250A,CTRN=30。
分流电阻肋计算如下:
(3.1)
高变比最大额定电流输入时,分流电阻肋消耗功率助计算为:
(3.2)
根据上述计算参数进行分流电阻的选择。
上述参数确定之后,以小变比计量为例,说明ADE7758前端模拟电路的电流、电压信号衰减问题。
如图3—2所示,在小变比额定电流输入I=30A时,ADE7758电流通道信号输入为O.12V,计算公式如下:
(3.3)
其中6为电流传感器低变比系数。
电流信号在进入ADE7758计量芯片前,其衰减倍率记为f1=30/0.12=250。
10kV的电压信号在经过电压互感器后转换为100V,再由500MQ和lkQ的电阻网络分压后,其衰减倍率记为fv=100×500。
3.1.3接口电路设计
接口电路用来实现ADE7758与单片机的数据通信,一方面可以通过SPI口进行计量芯片ADE7758的初始化,另一方面ADE7758把数据处理的结果以脉冲形式或SPI口送出,供单片机进行计量处理。
ADE7758与单片机接口电路设计如图3-3所示。
与接口电路有关的全局变量说明如下:
长整型变量,RO,EO、E1、E2、E3、E4、P、V,字符型变量,H1、H2、H3。
去耦电容C4、C6的作用是滤除芯片电源输入中的尖峰脉冲成分,旁路电容C29的作用是使ADE7758电源电压输入保持基本稳定。
在进行PCB电路设计时,在每一芯片的电源输入端子外接0.1心的去耦电容,以提高电路的抗干扰性能。
R3、R9为限流电阻,对单片机的I/O口起到限流保护作用。
ADE7758每产生一个有功或无功脉冲,对应的LED3或LED2会闪亮一次。
IRQ为ADE7758中断输出端子,低电平有效,漏极开路,外接lOkQ的上拉电阻。
当ADE7758检测到中断发生时,IRQ向低电平跳变,发出INTl中断申请;单片机通过读取ADE7758状态复位寄存器内容,判断中断事件的类型。
3.2单片机外围电路设计与器件选择
3.2.1单片机及外围电路设计
AT89C52是一款单片封装的微控制器,具有8k的程序存储和256个字节的数据存储,可以满
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- 基于 单片机 三相 电能表 设计