（电力系统及其自动化专业论文）无源电能检测计量模块的研制.pdf

大连理工大学硕士学位论文 d e v e l o p m e n to fp o w e r d e t e c t i o na n dm e a s u r e m e n tm o d u l eb a s e do n p a s s i v ep o w e ra n dr e m o t em o n i t o r i n g a b s t r a c t i no r d e rt oi m p r o v et h eo l dp o w e rd e t e c t i o na n dm e a s u r e m e me q m p m e mo fc h i n e s e e n t e r p r i s e s ，an e wp o w e rd e t e c t i o na n dm e a s u r e m e mm o d u l ew a sd e v e l o p e dw h i c h c o m b i n e dw i t he l e c t r o n i ct r a n s f o r m e ra n dh a sm u l t i ，f u n c t i o n w h i c hi n c l u d e d ： t h ea n a l y s i so fa d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fo l dp o w e rd e t e c t i o na n dm e a s u r e m e n t e q u i p m e n to fc h i n e s ee n t e r p r i s e s ，a n dan e ws c h e m eo fd e v e l o p m e n tw a sp r o p o s e d ；i no r d e r t om e a s u r et h ep o w e rp a r a m e t e r sa c c u r a t e l y ，a t t 7 0 2 2 ban e ws p e c i a lc h i po fp o w e r d e t e c t i o na n dm e a s u r e m e n tw a su s e d 。ap o w e r f u la n dl o wp o w e rm c uw h i c hn a m ei s a t m e g a l6 lw a su s e d ，a n do t h e rp e r i p h e r a lc i r c u i tw a sd e s i g n e d 埘t l lg o o de m c ；t h i s m o d u l ew h i c hc o m b i n e dw i t he l e c t r o n i ct r a n s f o r m e rc l o s e l yc a l lm e a s u r em a n yp o w e r p a r a m e t e r s ，a n d s o l v e s p r o b l e m sb o t hw h i c hc a n n o tm e a s u r ee l e c t r i c i t yc o n s u m p t i o n a c c u r a t e l yf o re n t e r p r i s e sa n dw h i c hc a n n o tm e a s u r et h ep o w e rp o l l u t i o nc h a r g e db y e n t e r p r i s e s ；l o wp o w e rc h i p sw e r eu s e da n de v e r yp a r t sp o w e rh a sb e e na n a l y s i s e d 。a s c h e m ew h i c ht a k e sp o w e rf r o me l e c t r o n i ct r a n s f o r m e rc a nr e a l i z ep a s s i v ep o w e r ；p o w e r d e t e c t i o na n dm e a s u r e m e n tm o d u l ec a nc o n n e c tp ca n do t h e rm o d u l ec o n v e n i e n t l y ，w h e n c o n n e c t sg s mm o d u l e ，i tc a ns e n dp o w e rp a r a m e t e r sr e m o t e l yb ys m sa n dg p r s ，a n d r e a l i z er e m o t em o n i t o r i n g b yap e r i o do ft i m eo p e r a t i o n ，t h em o d u l e ss i t u a t i o no fo p e r a t i o ni sg o o d ，m e a s u r e s a c c u r a t e l ya n dm e e t st h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s t h i ss t u d yh a si m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e t oi m p r o v eo l dp o w e rd e t e c t i o na n dm e a s u r e m e n te q u i p m e n to fc h i n e s ee n t e r p r i s e s t h i s s t u d ys o l v e sp r o b l e m sb o t hw h i c hc a n n o tm e a s u r ee l e c t r i c i t yc o n s u m p t i o na c c u r a t e l yf o r e n t e r p r i s e sa n dw h i c hc a n n o tm e a s u r et h ep o w e rp o l l u t i o nc h a r g e db ye n t e r p r i s e s ，a n d r e d u c e sp o w e rp o l l u t i o n ，i m p r o v e s p o w e rq u a l i t y i np o w e rg n d t h e r e f o r e ，t h en e w t e c h n o l o g yi so fp r o m i s i n ga p p l i c a t i o np r o s p e c t k e yw o r d s ：e l e c t r o n i ct r a n s f o r m e ro fe n t e r p r i s e s ；p o w e rd e t e c t i o na n dm e a s u r e m e n t ； p a s s i v ep o w e r 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。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的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：型耋量硷日期：翟箜旦丝鱼 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了鳃“大连理王大学硕士、媾士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：塑查叠 导师签名：j 拿乒牝 型圣年用卫网 大连理工大学硕士学蕴论文 1绪论 1 1课题研究的背景 近年来，随着我圜经济的高速发展和人民生活水平的提高，对电力能源的需求也不 断增长，电力已经成为生产帮生活的重要组成部分；同时城乡用电负荷也在日益增长， 用户对用电质量的要求也越来越高j 。 但是，随着电力电子技术的发展，整流器、变频器以及电弧炉等各种j 蠡线性负载在 工业生产中的广泛应用。这些负载的非线性、冲击性和不平衡性使电网的供电质量日趋 恶化，给人民生活和社会发展带来了巨大的危害。如果电霹的电流、电压过低，用电设 备将不能充分发挥其功效，有的甚至不能正常工作；反之，如果过高，将会大大缩短用 电设备的使用寿命。频率的波动，不仅使过多的电能转换为热能而自自浪费掉，而且更 严重的是有可能损坏设备。如果电网的功率因数过低，则发电厂的电力不能得到充贫利 用弘5 1 。 进入2 l 世纪以来，人类社会进入信息化时代，随着电子计算枫，遥讯，网络等设 备的广泛普及，这些设备对电网的波动更加敏感，对供电质量的要求也更为苛刻。英国 曾就电熊质量闻题对容量超过l 兆瓦的1 0 0 家用户进行了调查，结果显示，有6 9 的用 户在生产过程中因电能质量问题受到过破坏。i b m 公司的市场调查也表明，4 8 5 的计 算机数据丢失是由于电能质量引起的。据美雷电力科学研究院的粗略估计，在美圜因电 能质量每年造成的损失高达2 6 0 亿美元睁7 j 。 目前，各个企业对电能的肆意污染和对电能治理的忽视，是造成电能质量下降的主 要原因【8 】。电子检测计量设备的落震，许多型企业鲍电能检测计量还停留在功能单一的 电子式电能表的基础上，甚至有些地方还在使用模拟式电度表，只能对其进行有功电能 进行计量，丽无法计量无功能量，在收取电费上采取根据有功电能进行估算的办法 9 1 。 因此，企业在电能检测计量上面临着电能计量收费不准和无法检测电能污染的双重问 题。 随着我国关于引进夕 资政策的调整，英特尔等大批高精技术企业落户国内，进一步 的提高了对电能质量的要求。目前，电力部门已经将对中小企业的电能治理提上了日程， 其中包括：对现有检测计量设备进行更新，对企业的用电情况进行监控，准确逑收取电 费，对电能污染严重的企业征收惩罚性的电价【l 0 1 。 大连理工大学硬士学位论文 对企业用户的毫能检测计量设备进行更新是解决闻题的有效手段。现阶段，企业用 户进行电能检测计量，都是通过检测奠电力互感器的二次端输出实现的，所有的检测计 量设备都是连接在电力互感器上的二次仪表。 电力互感器是电力系统中测量电量、电麓计量和继电保护的重要设备，萁精度及可 靠性与电力系统的安全、可靠和经济运行密切相关。传统电磁式电流互感器是通过电磁 感应原理进行工作。其主要优点在予简单、可靠性高、输出容量大，同时性能毙较稳定， 适合长期运行，并且有丰富的运行经验【ll 】；主要缺点在于无法数字化输出，必须外接二 次仪表，在二次设备的传输过程中容易引入于扰。 随着电力电子的发展，电力互感器正向着电子式电力互感器的方向迈进。电予式电 力互感器主要优点在于【1 2 】具蠢数字化输出，简化了互感器与二次设备的接口，避免了信 号在传输、储存和处理中的附一加误差，提高了系统可靠性；5 v 供电，m a 级的电流消 耗；具有良好的电磁兼容特性，即使在强电磁场中也能准确的传输信号。 近年来，电力部门在全慝大力推震数字化电站和数字纯供配毫工程，大部分2 2 0 k v 电磁式电力互感器已经被先进的电子式电力互感器所取代。但是e l j 于技术因素和成本因 素的双重限制，电子式电力互感器仅主要应用在1 0 k v 以上的电力测量，对于3 8 0 v 的 企业电力测量还是在使用传统的电磁式电力互感器，同时二次端所接的检测仪表也良莠 不齐，远远没有达到数字化供配电的要求。 综上所述，在电力系统数字纯改造过程中，对于3 8 0 v 的企业电力检测计量，无论 在技术层面，还是在应用层面，都存在着一定程度的空白。如果能填补这个空白，将在 电力系统数字化改造中垂土一个浓墨重彩赞一笔；进两可以解决企业毫麓计量收费不 准，无法检测其电能污染的双重问题，改善我国的电网电能质量。 2 国内外电畿检测计量研究现状 目前世界各国都在对传统的电力工业生产方式和管理模式进行改革。各种类型的新 型仪表曾嬲不穷，功能也在不断的更薪耪完善，丽且威立许多专门的机构来定制各种电 能检测计量的规范。在国内，随着电力电子检测技术的不断发展，电能检测计量技术也 经历了以下几个时期 1 3 - 1 4 ： 初级时期，检测仪表都是基于电磁通量原理的指针式仪表，如指针式电压表，电流 表，功率表等，都是检测模拟量的仪表。其机械结构和电磁通量结构一般比较复杂，测 量的精度也很难提高。 大连理工大学硕士学位论文 中级时期，检测仪表都是基于直流采样，先将被测量的交流信号整流成直流信号， 再通过测量平均值来测量电参量的有效值。此方法的优点是算法简单，计算速度快，对 采样值只需作比例变换即可得到被测量的数值。但是，此方法存在许多些问题，如测量 准确度直接受整流电路的准确度和稳定性的影响，整流电路参数调整困难等。 现在，检测仪表都是基于交流采样，先将电压、电流信号经高精度的电压、电流互 感器变成数字系统可测量的交流小信号，然后再送入数字信号处理器进行计算。交流采 样是对被测信号的瞬时值进行采样，然后对采样值进行分析计算获取被测量信号的，对 采样的速率要求高，程序计算量相对较大，但它的采样值中所含信息量大，可通过不同 的算法获取所关心的多种信息( 如有效值、相位、谐波分量等) ，实时性好，精度高。随 着微机技术的不断发展以及电力参数实时测量要求的提高，交流采样技术己经逐步取代 了传统的直流采样方法。 在电能检测计量设备不断更新的情况下，电力参数传送技术也在日新月异的变化， 远程发送电力参数正在成为新的趋势。随着无线通讯网络的覆盖与普及，利用通讯网络 进行远程抄表已经成为现在的热门技术【1 0 1 。 1 3 论文的选题及研究内容 本课题属于电力系统自动化领域，是一个与大连普兰店市x x 互感器厂合作的实际 项目。结合现有的电磁式电力互感器与先进的电能检测技术，将新型的电能检测计量模 块紧密地整合在电磁式电力互感器的二次端，并且带有数字接1 2 1 。在具有电子式电力互 感器优点的同时，又具备了成本优势，实现3 8 0 v 企业电力检测计量的数字化。 目前，虽然电能检测计量技术发展迅速，也有很多电能质量分析设备投入市场，但 是对于3 8 0 v 的企业电力检测计量还处在一个初级阶段，没有与企业检测电力互感器紧 密结合的设备出现。国内企业还在沿用过去的电能检测计量设备，无论在功能，还是设 计上都存在一些不足，主要表现在：对企业的电能计量收费不准确，只能通过有功能量 来大致核算用电量，不能对其无功能量进行测量；电能参数测量单一，不能对多个参数 进行全面的测量，对企业的电能污染也就无法查证，无法治理；不能和电力互感器紧密 地结合，进而限制了使用范围；没有附带通讯接1 2 1 ，不能进行功能扩展。 综上所述，为了对企业的电能检测计量设备进行改造，实现3 8 0 v 企业电力检测计 量的数字化，迫切的需要一款能整合在电力互感器二次端的新型检测计量设备。本文基 于电能检测计量技术的发展趋势，研制了一款新型的面向企业的电能检测计量模块。与 以前的设备不同，本模块可对电压，电流，频率，功率因数，有功功率，无功功率，谐 波功率，有功能量和无功能量等多个参数进行全面的测量，进而可以准确的收取企业的 大连理王大学硕士学位论文 电费，并且得知企业对电能污染的情况，督促其治理；可与企业电力互感器紧密结合， 将先进的检测技术融入对企业的电能检测计量设备之中；预留了通信扩展接口，可外接 多种设备，并可以通过外接g s m 模块，实现电能数据的远传。 本文在了解国内外电能检测计量技术发展现状和趋势的基础上，结合与大连普兰店 市互感器厂合作的实际顼警，磺制了新型的无源电能检测计量模块。文章主要包括如下 几个方面的内容： ( 1 ) 分析了电力互感器的发展趋势和传统的金韭电能检测计量设备的优缺点，提磁 了将新型电能检测计量模块紧密地整合在电磁式电力互感器的二次端的设计方案，实现 3 8 0 v 企业电力检测计量的数字化。 ( 2 ) 研制小体积、低成本、操作方便、运行可靠的电能检测计量模块。其巾包括前 端采集电路的设计，计量芯片和m c u 电路的设计，其它外围电路的设计以及e m c 抗 干扰的设计。 ( 3 ) 通过选取低功耗器件和对各个部分功耗的分析，提出了从电力电压互感器二次 端取电的设计方案，实现了电熊检测计量模块的无源化。减小了整个模块的体积，使模 块适用于没有2 2 0 v 供电的高压环境中，并且可以将模块与电力互感器整体封装，实现 二者的无缝衔接。 ( 4 ) 电能检测计量模块中预留了通用的r s 2 3 2 数字接网，可方便的连接上位p c 机， 并且可以连接各种仪器和其它模块。在连接g s m 模块后，可通过短信息和g p r s 等先 进无线通讯技术，将各个电力参数远传，并进行实时检测，实现了电能检测计量模块的 远程化。 ( 5 ) 结合电力互感器，经过了一段时间的运行，对模块的测量数据进行统计和分析， 经过验证，达到了设计指标。 大连理工大学颈学位论文 2 系统的整体设计 本章分析了企业传统的电能检测计量设备的构成和工作机理，结合现有的电磁式电 力互感器与先进的电麓检测技术，为新式的无源寇能检测计量模块进行了整体的设计， 很好解决了电能计量收费不准和无法检测电能污染的问题。并且将新型的电能检测计量 模块紧密雉整合在电磁式电力互感器的二次端，实现3 8 0 v 企业电力检测计量的数字化。 2 。电能检测计量和与电力互感器的结合 由于企业用电量较大，电能检测计量设备不能直接接在母线上，都是连接在电力互 感器的= 次端，对其电能参数进行检测和计量。传统的设备大致可分为两种类型： 一种是基于电磁转换原理的模拟仪表，此类仪表的优点是冤需夕 接电源，结构篱单， 运行稳定；缺点是只能进行单一参数的计量，并且没有扩展功能，不能对数据进行存储 和一些复杂操作。芄类仪表已经使用了很长时闻，虽然坚固耐露，但是随着信息化的发 展，弊端日益突出。 另一种是基于直流采样，先将被测量的交流信号整流成直流信号，再通过测量平均 值来测量电参量的有效值的电子式仪表，并且带有单片机控制。此类仪表的优点是结构 简单，接口丰富，有很强的扩展功能；缺点是只能进行一些简单电能参数的测量，对于 无功功率，谐波功率，有功能量和无功能量就无能为力，需要有2 2 0 v 电源供电。此类 仪表虽然符合信息化的发展，但是在检测计量功能和精确程度上仍有欠缺。 综上所述，传统的仪表设备都有着明显的缺点，主要体现在功能单一，不能检测无 功功率和谐波功率，电能计量收费不准并且无法检测电能污染，其功能已经不能满足飞 速发展的信息纯时代的需求。针对实际需要和互感器厂商的设计要求，新型电能检测计 量模块的具体功能设计如下： 1 与企业电力互感器紧密结合 连接在企业电力互感器= 次斌，对二次端的数据进行检测计量；并且同时从电力电 压互感器的二次端进行取电，实现整个模块的无源化。减小了整个模块的体积，使模块 适用于没有2 2 0 v 供电的高压琢境中，并且可以将模块与电力互感器整体封装，实现二 者的无缝衔接。 2 。多个电力参数的检测与计量 电能检测计量模块可以对电压，电流，频率，功率因数，有功功率，无功功率，谐 波功率，有功能量和无功能量等多个参数进行全面的测量，进而准确的收取其电费，并 且督促其治理电能污染。 大连理工大学硕上学位论文 3 顺4 量的准确性和良好的电磁兼容性 电能检测计量模块使用最新的电能专用计量芯片a t t 7 0 2 2 b ，对有功功率测量达到 国家标准o 5 s ，0 2 s 、对无功功率测量精度均能达到国家2 级、3 级标准，保证了测量 的准确性；在设计原理图和设计p c b 板时，对所有器件的摆放和电路的走线都进行了 精心的设计，并且增加了许多抗干扰措施，保证了良好的电磁兼容性。 4 可扩展的远程电力参数传递 在电能检测计量模块上设计了r s 2 3 2 数字，可方便的连接g s m 模块，并通过短信 息和g p r s 等先进无线通讯技术，将各个电力参数远传，并进行实时检测，实现了电能 检测计量模块的远程化。 2 2 模块整体组成 无源电能检测计量模块整体结构图2 1 所示，主要分为五个部分。分别是前端电压 电流采集电路部分；专用计量芯片a t t 7 0 2 2 b 电路部分；m c u 及其外围电路部分；系 统供电电路部分；r s 2 3 2 串口电路部分。这五个部分谐调工作，完成模块的整体功能。 三项 电能 质量 分析 芯片 a t t 7 0 2 2 b s p i 接1 ：3 从母线取电 系统供电 图2 1 整体硬件结构图 f i g 2 1 s t r u c t u r a ld i a g r a mo fs y s t e m 时钟电路 数据存储 远程数据发送 前端电压电流采集电路的作用是：通过电压采集电路和电流采集电路，将从电力互 感器二次端得到的1 0 0 v 5 a 工频信号转换成适合a t t 7 0 2 2 b 片内a d 采集的交流信号。 其中a t t 7 0 2 2 b 片内集成了7 路1 6 位a d 转换器，电压通道在1 0 m v 至l v 时，线性 大连理工大擎硕士学位论文 误差小于0 5 ；电流通道在2 m v 至l v 时，线性误差小予0 5 。所以在a d 转换器接 入输入时，电压的输入额定值我们选择0 4 v ；电流输入额定值我们选择o 。1 v 。同时基 于抗干扰和测量精准度的考虑，a d 转换的输入方式为差分输入。 电能计量芯片是无源电能检测计量模块的核心部件，它主要完成对电压和电流的采 集、a d 转换、数字信号处理、计算各种所需的参数。a t t 7 0 2 2 b 能够测量各相以及合 相的有功功率、无功功率、视在功率、有功能量以及无功能量，同时还能测量各相电流、 电压有效值、功率因数、相角、频率等参数，并且对有功功率测量达到国家标准0 5 s ， 0 2 s 、对无功功率测量精度均能达到嚣家2 级、3 级标准，同时该产品也是一款抗干扰 能力强的低功耗产品。 m c u 是整个系统的信息交汇与命令控制的核心部分，主要负责控制盯7 0 2 2 b ， 从a t t 7 0 2 2 b 读取各种电能参数；从存储芯片中读取和存储一些关键数据；读取时钟芯 片的时间参数；并且翻上位控制端通过r s 2 3 2 进行数据通讯。 系统供电部分为整个模块提供了电能，通过选取低功耗器件和对各个部分功耗的分 析，提出了从电力电压互感器二次端取电的设计方案，实现了电能检测计量模块的无源 化。减小了整个模块的体积，使模块适雳予没有2 2 0 v 供电的高压环境中，并可以将模 块与电力互感器整体封装，实现二者的无缝衔接。 r s 2 3 2 串口部分是用来连接g s m 终端，由于本项目的无线发送和接收终端g s m 模 块以及其上位机软件是由合作伙伴完成。故此2 3 2 接翻在项目成功对接前是用以调试程 序之用，在成功对接后可直接连接g s m 模块。 大连理工大学硕士学位论文 3 无源电能检测计量模块的硬件设计 3 1核心器件的选择 3 。 1 m c u 的选撵 三相电能检测计量模块中的m c u 是整个系统的信息交汇与命令控制的核心部分， 主要负责控制a t t 7 0 2 2 b ，从a 竹7 0 2 2 b 读取各种电能参数；从存储芯片中读欷和存储 一些关键数据；将检测的数据通过r s 2 3 2 与上位控制端进行通讯；此外，由于整个系统 的供电采用了从电力电压互感器二次端取电的设计，为了减少对电力电压互感器的影 响，m c u 的功耗要尽可能的低。因此需要选择一款满足以上功能，抗干扰能力强并且 低功耗的m c u 。 主控制器是整个系统的核心，直接关系到系统的性能。在选择主控制器时，需要考 虑其指令的长度，指令执行的速度，内部集成及可扩展的r o m 和r a m 的大小，提供 的通讯接口和经济性等许多因素。现在市场上的m c u 有很多种，如m s p 4 3 0 系列，基 于a r m 技术的m c u 系列，具有精简指令集的a v r 系列等等，每种芯片都有各自的特 l + 点o m s p 4 3 0 t 2 0 系列的m c u 是由美国霹公司推出的3 2 位m c u 。它主要特点是低功耗， 具有五种省亳运行模式，使整个系统能够根据实际需要在五种省电运行模式下运行，达 到低功耗的嚣的。而且该系列很多m c u 内部集成了液晶显示模块，能直接驱动液晶显 示器，无须外加驱动芯片。但其外部接髓很少，对于外部功能扩展有很大的限制，丽且 芯片的抗干扰能力不是很强。 基于a r m 技术掰韵m c u 是近年来兴起的1 6 3 2 位m c u 。它的主要特点是处理速 度快，一些高端产品的主频可以达到6 0 m h z ，具有1 6 k b 的片内静态r a m 和6 4 k b 的 片内f l a s h 程序存储器，扩展接翻也很丰富，但是它的功耗较大，不适用于低功耗的 场合，并且程序复杂，开发周期较长。 a v r 系列【2 2 彩1 幸的a t m e g a l6 l 2 4 ，是基于增强的r i s c 结构的低功耗8 位c m o s 徽控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，a t m e g a l 6 l 的数据吞 睦率高达1 m i p s m h z 。a t m e g a l 6 l 具有8 k 字节的系统内可编程f l a s h ( 具有同时读写 的能力，即r w w ) ，5 1 2 字节残p r o m ，i k 字节s r a m ，3 2 个透用i o1 3 线，3 2 个遥 用工作寄存器，三个具有眈较模式的灵活的定时器计数器( 僦) ，片内汐 中断，可编程 串行u s a r t ，面向字节的两线率行接隧，l o 位6 路( 8 路为t q 阡与m l f 封装) a d c ， 大连理工大学硕士学位论文 具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个s p i 串行端口。a t m e g a l 6 l 采用低功耗 设计，具有五种可以通过软件进行选择的省电模式。工作于空闲模式时c p u 停止工作， 而s r a m 、t c 、s p i 端口以及中断系统继续工作；掉电模式时晶体振荡器停止振荡， 所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作；在省电模式下，异步定时器继续运行， 允许用户保持一个时间基准，而其余功能模块处于休眠状态；s t a n d b y 模式下只有晶体 或谐振振荡器运行，其余功能模块处于休眠状态，使得器件只消耗极少的电流，同时具 有快速启动能力；此外a t m e g a l 6 l 具有较强的抗干扰能力。 根据无源电能检测计量模块的实际功能需求和市面上几种常用的m c u 功能上的比 较，a v r 系列中的m e g a l6 l 是最为合适的。不仅具有大的内存空间，为复杂的程序 设计提供了空间的保证；而且还具有丰富的外部接口，使三相电能检测计量模块具有很 强的扩展性；此外具有较强的抗干扰能力；并且由于它的低功耗设计，为整个模块的无 源化提供了坚实的保障。 3 1 2 计量芯片a t t 7 0 2 2 b 电能计量芯片是无源电能检测计量模块的核心部件，它主要完成对电压和电流的采 集、a d 转换、数字信号处理、计算各种所需的参数。芯片的性能直接决定了三相数字 远传电能表的各项性能指标，因此所选的电能计量芯片需要有较高的精准度。此外由于 电能检测计量模块应用的环境都比较复杂，因此需要电能计量芯片有较强的抗干扰能 力。并且，由于整个系统采用了从电力互感器取电的电源设计，为了减少对电力互感器 的影响，要选择一款低功耗的电能计量芯片。 市场上有很多电能计量芯片，有代表性的如珠海炬力集成电路设计有限公司的 a t t 7 0 2 2 b 、a t t 7 0 2 6 等，a t m e l 公司的电能计量专用芯片组a t 7 3 c 5 0 0 和a t 7 3 c 5 0 1 、 美国a d i 公司的a d e 7 7 5 8 等等。这些专用芯片的共同特点是：集成度高、精度高、接 口简单，为设计高性能的电子式电能表提供了很好的解决方案。采用这些专用芯片来开 发电子式电能表，不仅能够测量功率、电能，还能够测量电压、电流、功率因数、频率 等多种电参数，为电能管理的现代化提供了可能。 综合各种电能计量芯片的特性和功能，认为珠海炬力集成电路设计有限公司的 a t t 7 0 2 2 b 比较适合该系统对于电能计量芯片的要求。a t t 7 0 2 2 b e 2 弛6 】能够测量各相以 及合相的有功功率、无功功率、视在功率、有功能量以及无功能量，同时还能测量各相 电流、电压有效值、功率因数、相角、频率等参数，并且对有功功率测量达到国家标准 o 5 s ，0 2 s 、对无功功率测量精度均能达到国家2 级、3 级标准，同时该产品也是一款 抗干扰能力强的低功耗产品。 大连理工大学磺学位讼交 a t t 7 0 2 2 b 集成了七路二酚s i g m a - d e l t aa d c 、参考电压电路以及所有功率、畿量、 有效值、功率因数以及频率测量的数字信号处理等电路。其中路a d c 可用于防窃电。 a t t 7 0 2 2 b 能够测量各相，以及合相的有功功率、无功功率、视在功率、有功能量 以及无功熊量，同时还能测量各相电流、电压有效值、功率因数、相角、频率等参数， 充分满足三相复费率多功能电能表的需求。 a t t 7 0 2 2 b 支持全数字域的增益、楣位校正，帮纯软件校表。有功、无功电能脉冲 输出c f i 、c f z 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。 a t t 7 0 2 2 b 提供一个s p i 接墨，方便与外部m c u 之闻进行计量参数以及校表参数 的传递。所有计量参数都可以通过s p i 接口读出。 a t t 7 0 2 2 b 内部的电压检测电路可以保证加电和断电时正常工作。 玎7 0 2 2 b 的内部结构图如图3 1 所示： 图3 1a t t 7 0 2 2 b 内部结构框 f i g 3 1 t h ei n s i d ec o n f i g u r a t i o no fa t t 7 0 2 2 b p 聱p n p 冀p x p x p 嚣 x 钱锻琵镪琵程谨w w 撼豫l ；： 大连理工大学硕士学位论文 a t t 7 0 2 2 b 的内部结构框图可大致分为a d 模数转换模块、数字信号处理模块 ( o s e ) 、s p i 通信接口模块、脉冲生成模块等几部分，如图3 1 所示。图中v i p v i n 、 v 3 p 3 n 、v s p s n 为三相电的电流信道正、负模拟输入引脚，v z p v z n 、v 4 p v 4 n 、 v 6 p v 6 n 为三相电的电压信道的正、负模拟输入引脚；输入的模拟电信号分别经过电流 a d c ( 模拟数字转换器) 和电压a d c ；转换后的数字信号再经过数字信号处理模块( d s p ) 转换成需要的电能数据，同时生成电脉冲，用来进行校表；最后通过s p i 通信口与外部 进行数据通信。 3 1 3 计量芯片a t t 7 0 2 2 b 与a t m e g a l 6 l 的通讯 计量芯片盯7 0 2 2 b 和a t m e g a l6 l 是三相电能检测计量模块中的两个最重要的部 分，因此二者的通讯就显得尤为重要，不但要求数据传输准确，还要求有良好的电磁兼 容抗干扰特性，因此从器件的安放位置到p c b 的走线都必须有严格的要求。 a t t 7 0 2 2 b 内部集成了一个s p i 串行通讯接i s l t 2 7 ，方便与外部m c u 之间进行计量 参数以及校表参数的传递，所有计量参数也通过s p i 接口读出。a t t 7 0 2 2 b 与单片机有 6 条连线，其中4 条是s p i 口线c s 、s c l k 、d i n 、d o u t ，一条a t t 7 0 2 2 b 的复位控 制线，一条握手信号线s i g 。a t t 7 0 2 2 b 与a t m e g a l 6 l 的s p i 连接图如图3 2 所示： c s s e u f a t t 7 0 2 2 a d i ： d 0 盯 图3 2a t t 7 0 2 2 b 与a t m e g a l 6 l 的s p i 连接图 f i g 3 2 a t t 7 0 2 2 bc o n n e c tw i t ha t m e g a l6 lo f s p i 为了保证信号的传输准确和良好的电磁兼容抗干扰性，本模块在制作p c b 板时特做 出了以下优化设计【2 8 】： 大连理工大学硕士学位论文 1 s p i 通讯连线应尽可能短，并且周围用地线包起来，否则s p i 传输信号可能受到干 扰。在s p i 信号线上串联一个1 0 q 电阻并且在信号的输入端加一个去耦电容，这个电阻 靠近i c 的输入端并与所接的去耦电容结合起来构成一个低通滤波器，从而可以消除接 受信号的高频干扰。在保证s p i 通讯速率正常的情况下，去耦电容可适当选大，以增强 抗干扰能力，并且c s 、s c l k 、d i n 所串电阻和所并电容要尽量靠近计量芯片，d o u t 所串电阻和所并电容要靠近单片机，这样可以加强信号线的抗干扰能力。 2 在单片机与芯片的握手信号线s i g 输入口处外接0 0 1 u f 的去耦电容，增强芯片的 抗干扰能力。 3 为了在上电和单片机复位后，a t t 7 0 2 2 b 能与单片机同步工作，a t t 7 0 2 2 b 的 r e s e r 信号需要有单片机控制，在a t t 7 0 2 2 b 的r e s e t 端口处接0 1 u f 的去耦电容， 增强其抗干扰能力。 3 2 外围电路的设计 3 2 1前端采集电路的设计 前端采集电路的作用是：通过电压采集电路和电流采集电路，将从电力互感器二次 端得到的1 0 0 v 5 a 工频信号转换成适合a t t 7 0 2 2 b 片内a d 采集的交流信号。其中 a t t 7 0 2 2 b 片内集成了7 路1 6 位a d 转换器，电压通道在1 0 m v 至1 v 时，线性误差 小于0 5 ；电流通道在2 m v 至1 v 时，线性误差小于o 5 。所以在a d 转换器接入输 入时，电压的输入额定值我们选择o 4 v ；电流输入额定值我们选择0 1 v 。同时基于抗 干扰和测量精准度的考虑，a d 转换的输入方式为差分输入。 三相计量芯片的电压采样可以采用3 种方式，第一种方法是电阻分压的方式，把输 入的1 0 0 v 工频进行分压，然后再传给计量芯片的a d 接口；第二种是直接用电压互感 器进行变压，得到需的交流信号后，输出给计量芯片的a d 接口；第三种方法是先将电 压信号通过电阻变成电流信号，再通过电流互感器进行电流的变换，最后通过精密电阻， 将电流信号还原成电压信号眇j 。 这3 种方式各有优缺点，第一种方式成本很低，但因为是直接接到1 0 0 v 工频交流 电，电路中所选元件均为大功率元件，而且无法对交流电干扰进行隔离，容易引入干扰； 第二种方式，直接利用电压互感器进行电压变换，在确保隔离抗干扰的同时，也保证了 准确性，但是1 0 0 v 0 4 v 的电压互感器需要特别订做，购买及其不方便，缺乏实用性； 第三种电压变电流，再使用电流互感器的方法不但确保了抗干扰性和准确性，2 m a 2 m a 大连理工大学硕士学位论文 的电流互感器比较普遍，更具有使用性，所以选取了第三种电压变换的方式为a d 转换 提供合适的输入电压。 根据采样定理可知在对信号采样时为避免高于折叠频率的杂散频谱进入采样器造成 频谱混淆，采样器蓠常常加一个保护性的前置低通滤波，阻止高频率分量进入。在这里 采用的是r c 低通滤波电路对互感器后端的信号进行处型如j 。 由予a d 输入方式为差分输入，根据a t t 7 0 2 2 b 片内偏置放大的要求，输入电压为 0 到3 v ，所以在原有交流信号基础上，再加入直流偏置电压。其中偏置电压直接由 a t t 7 0 2 2 b 的r e f o u t 引脚提供，确保了基准电压的稳定性和测量的精度，r e f o u t 电压为2 。4 5 v 。 根据以上对电压采集电路的研究，设计出电压信号的采集电路图如图3 3 所示： ￥争 图3 3 电压信号采集电路 f i g 。3 3 t h ev o l t a g es a m p l i n g 同理，电流信号采样使用电流互感器进行电流信号的采集，再将电流信号变为o 。l v 的电压信号，然后通过抗混叠电路并加入2 4 5 v 的偏置电压，最后送入电流的a f t ) 转换 口。电流信号的采集电路如图3 。4 所示： t l 图3 4 电流信号采集电路 f i g 3 4 t h ec u r r e n ts a m p l i n g r l l r 大连理工大学硕士学位论文 为了保证采集电路精准的测量和良好的电磁兼容抗干扰性，采集电路在制作p c b 板 时特做出了以下优化设计p l 】： 1 互感器的摆放位置要远离计量芯片a t t 7 0 2 2 b ，采样电阻r 2 和r 7 也要和计量芯 片保持定的距离，以免引入干扰。 2 抗混叠滤波电路要尽量靠近计量芯片。 3 为了保证测量精度，芯片第5 脚外接滤波电容尽量靠近管脚处，走线粗短，远离 其它信号线，并且一定要加滤波电容，电容的接地点应与采样信号的地线尽可能短的联 在一起。 4 v x p 和v x n 的输入端的抗混叠滤波器，要求其结构参数要讲求对称，采用温度性 能较好的元器件，从而保证电表获得良好的温度特性。 3 2 2 时钟电路的设计 在无源电能检测计量模块向上位控制端发送电能数据的同时，也发送时间参数；另 外，时钟电路也起到一个计时器的作用，每1 0 s 通知a t m e g a l 6 l 读取一次电力参数， 记录用户用电量的同时，并查看是否有越限报警。 现在流行的串行时钟电路很多，如d s l 3 0 2 、d s l 3 0 7 、p c f 8 4 8 5 等。这些电路的 接口简单、价格低廉、使用方便，被广泛地采用。其中美国d a l l a s 公司推出的低功 耗实时时钟电路d s l 3 0 2 具有更高的性价比。 d s l 3 0 2 0 2 1 是d a l l a s 公司推出的涓流充电时钟芯片，内含有一个实时时钟日历和 3 l 字节静态r a m ，通过简单的串行接口与单片机进行通信。实时时钟日历电路提供 秒、分、时、日、日期、月、年的信息，每月的天数和闰年的天数可自动调整，时钟操 作可通j 立a m p m 指示决定采用2 4 或1 2 小时格式。d s l 3 0 2 是由d s l 2 0 2 改进而来， 增加了以下的特性：双电源管脚用于主电源和备份电源供应，v c c l 为可编程涓流充电电 源，附加七个字节存储器。它广泛应用于电话、传真、便携式仪器以及仪器仪表等产品 领域。下面将主要的性能指标做出综合说明： ( 1 ) 实时时钟具有能计算2 1 0 0 年之前的秒、分、时、日、日期、星期、月、年的能 力，还有闰年调整的能力 ( 2 ) 318 位暂存数据存储r a m ( 3 ) 串行i ( 3 口方式使得管脚数量最少 ( 4 ) 宽范围工作电压2 0v 5 5 v ( 5 ) 工作电流2 o v 时，小于3 0 0 n a 大连理工大学硕士学位论文 ( 6 ) 读，写时钟或r a m 数据时，有两种传送方式：肇字节传送和多字节传送字符组方 式 ( 7 ) 8 脚d i p 封装或可选的8 脚s o i c 封装 ( 8 ) 简单3 线接口 ( 9 ) 与t t l 兼容v e c = 5 v ( 1 0 ) 可选工业级温度范围- 4 0 - - - + 8 5 在时钟电路的设计中，d s l 3 0 2 采取双电源供电，其中v e c l 为后备电源( 3 。6 v 电池供 电) ，v c e 2 为主电源。在主电源关闭的清况下，也能保持时钟的连续运行。d s l 3 0 2 盘 v c c l 或v c c 2 两者中的较大者供电。当v c c 2 大于v c c l + 0 2 v 时，v e t 2 给d s l 3 0 2 供电，当 v c e 2 d 、于v c e l 时，d s l 3 0 2 由v c c l 供电。要特别说明的是备用电源，可以用电池或者超 级电容器1 f 以上) 。虽然d s l 3 0 2 在主电源掉电后的耗电很小，但是，如栗要长时间保 证时钟正常，最好选用小型充电电池。如果断电时间较短( 几小时或几天) 时，就可以用 漏电较小的普通电解电容器代替。1 0 0g f 就可以保证l 小时的正常走时。d s l 3 0 2 在第一 次加电后，必须进行初始化操作。初始化后就可以按正常方法调整时间。时钟系统采用 盼晶振频率为外接3 2 ，7 6 8 k h z 晶振。 d s l 3 0 2 与单片机之间能简单地采用同步串行的方式进行通信，仅需用到三个口线： r e s 复位，i o 数据线，s c l k 。时钟瓜a m 的读写数据以一个字节或多达3 1 个字节的 字符组方式通信。由于就是用两条通讯线，提高抗干扰能力，同时d s l 3 舵工作时功耗很 低，保持数据和时钟信息时功率小于l m w 。时钟部分电路如图3 5 所示： 图3 5 时