（电机与电器专业论文）三相自抄表电子式电能表的设计和研究.pdf

| l l i i ii z ii l z li i i ii iiiiii 广西大学学位论文原创性声明和学位论文使用授j i ，7 3 7 6 9 2 学位论文原创性声明 。 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究 成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮 助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名： 狄鸭 劫肋年多月研日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容； 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 口即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名：浓鸭导师签名拶谚磐c 。年6 月节日 | 一 、 1 0 三相自抄表电子式电能表的设计和研究 摘要 本课题针对三相电力用户耗电统计的问题设计了一款新型的具有 自抄表功能的电子式电能表，该电能表以专业计量芯片为计量核心， 依靠单片机对整个系统进行控制。通过硬件和软件模块的相互配合， 可以稳定可靠的对电力用户的多种电能参数进行测量，并且能够将电 能参数信息上传到抄表系统。 文章首先论述了电子式电能表的电能数字化测算原理，对各种电 能参数的算法和电能计量芯片运算核心原理进行了解析。之后，论文 详细介绍了三相自抄表电子式电能表硬件系统和软件系统的设计。硬 件系统以a t t 7 0 2 2 a 芯片为电能计量核心，通过处理器a t m e g a 6 4 控制 连接各功能模块，在硬件核，b 模块基础上扩展掉电检测模块、自动抄 表模块、按键显示模块等等。自抄表功能为本设计的特色，通过该功 能电管部门可实现对电表的直接管理。本文还在软件方面进行了精心 设计，软件设计以实现所需功能为目的，充分利用已有硬件的资源， 利用c 语言进行编程。 在对电能表的硬件系统和软件系统设计进行介绍的同时配以各模 块相应的详细硬件电路原理图和软件流程图，介绍了各个硬件模块主 要芯片的特点和特性，详细说明了该芯片应用于本系统时硬件和软件 方面的配置情况。 由于电子设备在运行过程中必然受到所处电磁环境的干扰，任何 电子设备在设计过程中都需要考虑到系统电磁兼容的问题。本论文在 最后详细介绍了电子设备设计中常用电磁兼容原理和技术，并且逐一 列举了三相自抄表电子式电能表在电磁兼容处理上所做的硬件和软件 方面的考虑和设计。 在文章最后，详细阐述了需要进一步完善的内容和待解决的问题。 关键词：电子式电能表；掉电处理；自抄表；电能计量芯片；抗干扰 d e s i g na n dr e s e a r c ho nt h r e e p h a s e a u t o m a t i cr e a d i n ge l e c t r o n i cp o w e rm e t e r a b s t r a c t t h i sp a p e rp r o p o s e san e we l e c t r o n i ce n e r g ym e t e rw i t hs e l f - m e t e rr e a d i n g f u n c t i o nt oc o u n tp o w e rc o n s u m p t i o no ft h r e e p h a s ee l e c t r i c i t yu s e r s t h e m e t e r sc o r ei sap r o f e s s i o n a lm e a s u r e m e n tc h i p ，a n di tc o n t r o l st h ew h o l e s y s t e mb ym c u t h em e t e r s h a r d w a r em o d u l e sa n ds o f t w a r em o d u l e s c o m p l e m e n te a c ho t h e r , i t c a nm e a s u r et h e p o w e ru s e r s v a r i o u se n e r g y p a r a m e t e r ss t a b l ya n ds a f e l y , a l s o ，i tc a nu p l o a de l e c t r i c a le n e r g yp a r a m e t e r i n f o r m a t i o nt om e t e rr e a d i n gs y s t e m f i r s t l y , t h ep a p e rd i s c u s s e st h ee l e c t r o n i ce n e r g ym e t e rp r i n c i p l eo fd i g i t a l p o w e rm e a s u r e m e n t ，a n di ta n a l y z e sv a r i o u se n e r g yp a r a m e t e r so f t h ea l g o r i t h m a n dt h ec o v ep r i n c i p l eo fe n e r g ym e a s u r e m e n tc h i po p e r a t i o n t h e n ，t h ep a p e r i n t r o d u c e st h e t h r e e p h a s e a u t o m a t i cr e a d i n ge l e c t r o n i cp o w e rm e t e ro n h a r d w a r es y s t e ma n ds o f t w a r es y s t e mi nd e t a i l t h ec o v eo fe n e r g ym e a s u r e m e n t c o r ei sa t t 7 0 2 2 a ，a n dt h ep r o c e s s o ra t m e g a 6 4c o n t r o l sa l lo t h e rp a r t so ft h e s y s t e m i t sh a r d w a r es y s t e mb a s e do nt h ec o v em o d u l ei nt h ee x p a n s i o no ft h e p o w e r - d o w nd e t e c t i o n m o d u l e ，a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n gm o d u l ea n dd i s p l a y m o d u l e ，e t c a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n gf u n c t i o ni st h ec h a r a c t e r i s t i co ft h i sd e s i g n ， p o w e rm a n a g e m e n te n a b l e st h ed i r e c tm a n a g e m e n to ft h e m e t e rw i t ht h e f u n c t i o n w ed e s i g nc a r e f u l l yi nt h ea s p e c to fs o f t w a r ep r o g r a m m i n gw i t hc l a n g u a g ef o rt h ep u r p o s eo fa c h i e v i n ge v e r yf u n c t i o na n dm a k ef u l lu s eo f e x i s t i n gh a r d w a r er e s o u r c e s t h ep a p e ri n t r o d u c e st h eh a r d w a r es y s t e ma n ds o f t w a r es y s t e mo f p o w e r m e t e rw i t hd e t a i l e dh a r d w a r ec i r c u i ta n ds o f t w a r ef l o wc h a r t ，i n t r o d u c e s c h a r a c t e r so f e v e r ym a i nc h i p i n e v e r y h a r d w a r em o d u l e ，a n ds h o w s l 乏 i _；j。y ， c o n f i g u r a t i o n so fe v e r yc h i pi nt h es y s t e m b e c a u s ee l e c t r o n i c e q u i p m e n t s a r ei n t e r f e r e b ye l e c t r o m a g n e t i c e n v i r o n m e n td u r i n go p e r a t i o n ，a n ye l e c t r o n i cd e v i c e st ot h es y s t e mn e e dt o c o n s i d e rt h e p r o b l e mo fe l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t yi nt h ed e s i g np r o c e s s i nd e t a i lt h i sp a p e rd e s c r i b e s e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t yp r i n c i p l e sa n d t e c h n i q u e si nt h ef i n a lt h ed e s i g no fe l e c t r o n i ce q u i p m e n t t h ep a p e ri n t r o d u c e s h a r d w a r ea n ds o f t w a r ec o n s i d e r a t i o n sa n dd e s i g n so ft h et h r e e p h a s ee l e c t r o n i c e n e r g ym e t e ra tl a s to f t h i sp a r to n eb yo n e t h ep a p e rd e s c r i b e st h ep a r tt ob ef u r t h e ri m p r o v e do ft h ed e s i g na n d p r o p o s e ss o l u t i o n si nt h el a s t k e yw o r d s ：e l e c t r o n i ce n e r g ym e t e r ；p o w e r - d o w np r o c e s s i n g ；a u t o m a t i c m e t e r r e a d i n gf u n c t i o n ；e n e r g ym e a s u r e m e n tc h i p ；i n t e r f e r e n c e i i i ，ijapnm巷fh璃、。日鼎。 ；， ， 目录 第1 章前 言1 1 1 三相自抄表电子式电能表的研究背景1 1 2 电子式电能表概述2 1 2 1 分类及功能 2 1 2 2 发展趋势3 1 3 课题主要研究内容3 第2 章电力参数数字化算法及电能表测量原理：5 2 1 电能参数测量数学模型5 2 1 1 电压有效值的计算5 2 1 2 电流有效值的计算5 2 1 3 有功功率及有功电能的计算6 2 2 基于专用计量芯片的电子式电能表的测量原理8 2 2 1 专用计量芯片的优势8 2 2 2 电子式电能表的一般构成8 2 2 3 模拟型乘法器的基本原理9 2 2 4 数字型乘法器的基本原理11 2 2 5p f 变换器及计数显示控制部分1 2 第3 章电子式电能表的硬件设计1 3 3 1 硬件总体设计方案13 3 2 系统整机性能指标14 3 3 电源电路的设计15 3 4m c u 的选择及资源配置16 3 4 1m c u 的选择1 6 3 4 2a t m e g a 6 4 介绍17 3 4 3 处理器资源分配1 8 3 。5 计量模块硬件设计1 8 3 5 1 电能采集电路的设计1 9 3 5 2a t t 7 0 2 2 a 芯片介绍2 0 3 5 3a t t 7 0 2 2 a 内部结构及外部电路连接2 1 3 6 时钟模块设计2 3 3 7 自动抄表模块的设计2 4 i v 3 7 1 抄表方式选择2 5 3 7 2r s 一4 8 5 通讯接口设计2 5 3 8 按键及显示模块的设计2 7 3 8 1 液晶显示部分2 7 3 8 2 按键部分2 8 第4 章三相自抄表电子式电能表的软件设计及通讯功能实现。3 0 4 1 软件系统设计环境及方案3 0 4 1 1 程序设计环境3 0 4 1 2 软件设计总方案3 0 4 2 初始化模块3 1 4 3 电能计量模块3 2 4 3 1s p i 通信功能的实现3 3 4 3 2 软件流程图3 5 4 4 自抄表模块3 6 4 4 1r s - 4 8 5 通信协议介绍3 6 4 4 2r s 4 8 5 通讯的网络设计及功能实现3 8 4 4 3 软件流程图3 9 4 5 按键显示模块4 1 第5 章单片机系统抗干扰技术的研究4 3 5 1 电磁干扰的分类和特性4 3 5 2 硬件抗干扰技术4 4 5 3 软件抗干扰技术4 6 5 4 本设计中的主要抗干扰措施4 6 第6 章结论与展望4 9 参考文献5 1 附录三相自抄表电子式电能表p c b 板5 4 致谢5 5 攻读学位期间发表论文情况5 6 基金资助声明5 6 v 矿 三相自抄表电子式电能表的设计与研究 第1 章前言 i i 三相自抄表电子式电能表的研究背景 进入2 l 世纪，电能已经成为人类社会必不可少的主要能源。科技进步推动着人类 社会不断发展，各种各样的电气化生产设备以及生活用电设施的应用越来越广泛，各行 各业的生产用电量以及居民生活用电量的需求日益增长，电力生产和电力消费已经成为 各国经济实力发展水平的重要参考指标。 在我国，电能作为一种清洁的二次能源是一种重要的消费品。改革开放以来，我国 经济的发展突飞猛进，电力工业生产规模不断扩大，各行各业对电能需求量大幅提高。 每年我国都在不断扩建发电设施，更新扩建配电系统，目的是增加发电量供电量，以满 足与日俱增的生产生活用电需求。近几年电力系统又进入一个新的建设高峰，随着国内 电煤供应形势r 益严峻，党中央提出了节能减排的战略举措。我国电力管理部门逐渐加 大对电网用电管理的力度，频频出台用电管理政策，阶梯电价的试运行以及推行智能电 网建设促进电力管理完善提供一定促进作用。 在电能消费过程中，买卖公平是必不可少的交易规则。电能表是电力交易中的重 要量具，电能交易中的各个环节，比如电能统计、电能质量检测、电费收缴等等，都离 不开电能计量装置来准确统计。电能管理监督到户的手段是国外个别发达国家实行电网 统一管理的主要措施。电力公司对所辖地区内各电力用户的用电信息进行采集，直接或 间接对每个用户电能的使用进行管理，这样可以大力的提高电能管理的力度。我国也在 逐渐推行这一举措，电子式电能表就是在这种大环境下出现并开始迅速推广。 在电子式电能表之前，感应式电能表又称机电式电能表由于开发时间较长，它的设 计手段和生产加工技术都比较成熟，而且使用寿命较长。所以，在相当长的阶段，感应 式电能表在电能计量应用中占据极其重要的地位。然而，随着微电子高新技术和电子工 业的发展，用电量的不断增长，电力行业也对电能的计量有了更高更新的标准，要求电 能表不仅仅是提供单一的电能测算功能和单一的电参数统计功能，对计量的精度也更加 苛刻。由于感应式电能表的驱动线圈的低频窄带电磁特性，对于基波外的各次谐波信号 难以转换成等比的驱动转矩，因而造成感应式电能表对非线性负荷、冲击负荷的计量误 差较大。感应式电能表的精度低、非线性负荷计量误差大，难以实现各种功能。电子式 电能表以其优于感应式电能表的各种特点，逐渐在应用当中推广开来。 上个世纪6 0 年代出现了时分割乘法器的功率测量原理，在这个原理基础上各国研 制出了单相和三相电子式功率电能表，那时的电子式电能表都是时分割乘法器为核心的 电路系统。后来嵌入式系统进一步发展，模数转换技术和大规模集成电路开始广泛应用， 具有集成a d 转换功能、存储器、处理器、通信接口的专业计量芯片出现，各种性能和 广西大学硕士学位论文 三相自抄表电子式电能表的设计与研究 功能的电子式电能表逐步成为电能计量行业的主导。 国际上近些年电子式电能表的发展非常快，许多欧洲发达国家以及北美等许多国家 工商用电计费电能表已经实现1 0 0 电子化，居民用户的计费电能表也几乎被电子式计 量设备取代，目前很多国家已经宣布完全停止对传统的感应式电能表的购买和安装。电 子式电能表有着诸多优点，如高精度、功能易扩展、抄表便利、可联网通信，使各种电 子式电能表设计生产行业发展迅速。在我国，电子式电能表已经占据了电能表生产行业 的主要份额，有多家大型电子设备制造公司长期致力于电子式电能表的研究和生产，他 们的实践和努力为电子式电能表在我国的发展打下基础。国家电力系统的两网改造工程 开展后，国内的电子式电能表研究机构如雨后春笋，不断涌现，设计水平和生产工艺水 平一直在不断提高。 1 2 电子式电能表概述 1 2 1 分类及功能 电能的测量是测量某一段时间内发送或消耗电能的总量，也就是将某一段时间内的 电能量累积起来。常用的交流电能表不论感应式电能表还是电子式电能表按照接线方式 都可以分为直接连接式和经电流互感器或电压互感器接通两大类。与感应式电能表的结 构模式单一不同，电子式电能表的构造和运行原理多种多样。因此，按照不同标准电子 式电能表的分类方法有很多，通常有以下几种。 1 电子式电能表是负责测量单相电力用户或三相电力用户的电能表，按照电子式 电能表的规格分类可分为单相电能表、三相三线和三相四线电能表。 2 功能上电子式电能表可以按照被测电参量的不同分为有功电能表和无功电能表。 与感应式电能表相比，感应式电能表只能测量一个电能量j 而电子式电能表可以实现多 个电能参数的测量，同时可以实现有功电能、无功电能和视在电能的测量。基于微处理 器的电子式电能表比较易于开发设计出特殊功用，如大需量电能表、多费率分时电能表、 预付费电能表、损耗电能表等。因此，电力系统中常常采用各种功能的电子式电能表来 对大型用户和中型用户的各种电能进行统计，并且电管部门还可以通过有线无线等种种 通信方式来实现控制和用电信息管理。 3 电子式电能表按照用途和使用场合来说，可以分为安装式电能表和标准式电能 表。在工业农业和民用电的管理中，安装式电能表应用比较广泛，由于这些用户的电力 消费是长期的或不定期的，所以安装式电能表需要长期运行。安装式电能表结构简单造 价低，等级要求比标准式电能表低，是最常见的电能计量工具。 4 按照电子式电能表的系统结构和运行原理可以分为模拟乘法器式和a d 转换数 2 f - 西大学硕士学位论文 三相自抄表电子式电能表的设计与研究 字乘法器式两大类。 1 2 2 发展趋势 随着集成电路的日益发展和新器件的开发成功，电子式电能表逐步进入电力系统生 产和销售管理部门的电能计量计费第一线，电子式电能表进入千家万户，我国加入w t o 之后，电能表产品在国际市场上崭露头角，我国自主研发的专业计量芯片已被国际上认 可，许多我国生产的优秀芯片类型已经和世界上高端厂商生产的芯片在功能和性能上基 本达到同一水平。由于专业计量芯片行业的蓬勃发展，电子式电能表的设计和生产也已 经取得了质的飞跃。目前，电子式电能表制造行业已经从原来的功能单一，内部构造模 式单一，核心技术相似，性能不及传统感应式电能表的状态逐渐发展为现在的多功能多 品种，精度指标高，性能质量好，知识产权自主的形势。不但如此，我国电子式电能表 行业逐渐发展成两个成长方向，即专一功能高性能化和多功能多兼容化。 电能计量装置是商品交易中一种特殊的计量器具，其自身技术性强，要求高，因为 生产企业在单位时间内生产所消耗的电能数量巨大，电能计量装置运行计量工作是与用 户用电同时进行的，电能计量的瞬时性和不可重复性决定做好电能计量工作格外重要。 国家对电能计量装置执行强制检定，监管力度大，必须定期校验，阶段性的改进和更新 计量装置是我国电管部门的工作要求。 电力生产需要不断改进经营管理方式和方法，用电子式电能表计量发电量、供电量 及实际用电量，按照数据来分析电力生产才能合理经营和科学管理。电管部门为了做到 经济运行，不断加强节能措施，根据科学的电量数据进行科学的运行管理，减少发电、 供电、用电过程中的能耗，来达到预期的节能减排经济指标，创造更高的经济效益。因 此电能计量水平的高低已经上升为决定国民经济发展的一项指标。 国家电网和南方电网两大电网公司共同推行“一户一表”政策和城乡电网改造建设， 最近，国家政府部门又决定逐步实施阶梯电价的电网管理策略，这些都为电子式电能表 的普及起到了推波助澜的作用。同时我国的经济建设飞速发展，全社会势必对电力需求 一天一天增加，电力改造主要是进行电网建设电网改造。我国又面向国际提出了节能减 排的倡导，这大大制约了碳排放量巨大的发电行业的电力生产。煤电紧缺的现状已经被 社会承认和重视，电力的紧缺势必要求电管部门对电网的管理进一步升级。所有这些都 决定了全电子、多功能、监管能力强的电子式电能表的需求会一天天加大。 1 3 课题主要研究内容 本课题是基于应用一款功能强大的电能计量芯片a t t 7 0 2 2 a ，采用以a t m e g a 6 4 为 核心的单片机系统，研发的一款综合自动抄表功能、多参数测量功能等于一体的电子式 3 广西大掌硕士掌位论文 - , 三4 t l 自抄表电 - 2 r - 式电能表的设计与研究 电能表。该电能表的研发方向定位于三相四线制电能测量方式，有功精度满足o 5 s 、0 2 s ， 动态范围1 0 0 0 ：1 ，无功精度满足o 5 s ，动态范围1 0 0 0 ：l 。 本课题的主要内容及安排如下： 1 设计之前对电能参数的传统测量方法与数学模型进行研究与探讨，并从电子式 电能表的计量芯片运算的原理层面，简单研究电子式电能表的核心模块在统计用户消耗 功率时所用到的计算方法，做到知己知彼。 2 硬件设计之初构建电子式电能表的p c b 电路板，要求通过电路板能够完成从电 能信号采集、转换、计算、显示输出等一系列过程。并且该设计硬件接口支持在线升级 以及远程抄表。 、 硬件电路完成以下要求： ( 1 ) 利用电网电源供电，并且在电网掉电情况下保障系统数据安全保存，恢复供电 后可重新投入使用。 ( 2 ) 具备灵活方便的用户操作键盘和一目了然的信息显示系统，建立通畅的人机交 流渠道。 ( 3 ) 通信接1 2 1 包括s p i 通信接口和r s 4 8 5 通信接口，s p i 接口负责对单片机进行烧 写程序，r s 4 8 5 负责抄表时的数据传输。 ( 4 ) 具备近程或远程的通信功能，在需要的情况下，系统能够做到抄表员不需要直 接到户读表通过网络便可直接读取电量参数信息，并且可以对电表存储器内数 据进行更改。 ( 5 ) 硬件系统在常规环境下运行稳定，在硬件层面能够抵抗一定的电磁干扰。 3 因为电路板设计由多个功能模块组建，并且需要扩展远程抄表功能，因此各个 模块间的通信和抄表通信的可靠性显得尤为重要。在电路板设计的同时对电子设备电磁 兼容技术进行研究，并将电磁兼容技术应用于电路设计。 4 完成电子式电能表程序设计，软件程序可控制系统完成各个功能并且运行稳定。 4 r o 广西大掌硕士掌位论文三相自抄表电子式电能表的设计与研究 第2 章电力参数数字化算法及电能表测量原理 作为电能测量仪器的设计，了解一般电子式电能表实现电能参数测量的方法是进行 硬件设计和软件设计的基础，电子式电能表的计量核心模块和处理器模块是按照一定的 数学原理进行电能参数的测量和运算。为了完成三相自抄表电子式电能表的性能设计目 标，我们还要了解一下一般电子式电能表的运行原理。 2 1 电能参数测量数学模型 2 1 1 电压有效值的计算 正弦变换电压信号的有效值为 u ( f ) = u m s i n c o t = q 互- u s i n c o t 离散化得： ”1 蓼1 n - i ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) 其中u ( n ) 为采样电压信号经采样转换后所得的离散序列，n 为一个信号周期内的采 样个数。得到a 、b 、c 三相电各相电压有效值： u a r r n s = 1 篓u z ( a n ) c 2 - 3 ， u b r m s = 痧 p 4 ， = 痧 p 5 ， 2 1 2 电流有效值的计算 正弦变换电流信号有效值 将其离散化得： i 。酾 5 ( 2 6 ) 广西大学硕士学位论文三相自抄表电子式电能表的设计与研究 = 隔n n = o ( 2 7 ) 武中z 。【功刀电况1 吾亏毪术件侏_ i 守、俣致转茯，口侍到削呙耿j 于少u on 刀一一i 上刎周 期内的采样点数。 得到a 、b 、c 三相的电流有效值分别为： 髓。= 后黔 弘8 ， 凹= 专篓z 2 c 砌，q 一9 ， = 污塾州 弘呐 2 1 3 有功功率及有功电能的计算 图2 - 1 测量原理图 f i g 2 - 1m e a s u r e m e n ts c h e m a t i c 设输入交流电压、电流分别为： “( f ) = u 。s i n ( 1 0 0 n t 一) ( 2 - 1 1 ) f ( f ) = ls i n l 0 0 n t ( 2 - 1 2 ) 整形电路将厂= 5 0 h z 的交流采样信号变换为1 ：l 占空比的同相位、同脉冲波后， 输入到同步时序逻辑电路。在时序逻辑电路中，将5 0 h z 的交流信号进行n 倍频，便可 输出信号p ( f ) 。采用p ( t ) 同步触发采样保持器与a d 转换器，使其电压、电流实现同步 6 广西大学硕士学位论文 三相自抄表电子式电能表的设计与研究 采样。”( f ) 与p ( t ) 具有如下图所示的时序逻辑关系。 p ( t ) l 卜n 一 7 ：n 几几几几几几几几门几n 几几几几几几：t 图2 - 2 甜( f ) 与p ( f ) 时序逻辑关系图 f i g 2 - 2 “( f ) a n dp ( f ) st e m p o r a ll o g i cd i a g r a m 电压互感器将电压“( f ) 转换，加到信号调理器输入端，信号经放大调理后，由采样 保持器采样，进而信号数模转换器的输入端进入。经同步时序电路作用下，采样保持器 输出电压值： “( f ) = 虬s i n ( 1 0 0 n t + ) ( 行= 0 ，1 ，n 一1 ) ( 2 - 1 3 ) 电流互感器将电流讹) 转换，二次侧输出电流，经过负载电阻变换为电压信号，电 压信号同样被信号调理器放大，经由模数转换器将电流与电压信号同步采样并进行模数 转换。在模数转换器对交流信号在一个周期内进行n 次采样，采样输出值是一个梯形 波，我们可以将其视为一系列冲击脉冲串p ( t ) 对标准正弦波采样，之后经零阶采样保持 系统后，离散化得梯形波，其零阶采样保持系统为一个采样周期矩形脉冲。 电压与电流经过d a 转换器后，通过乘法器实现乘法运算得到有功功率瞬时值 p ( t ) ，瞬时值经过积分后便得到有功功率。 p ：专d t = 巩l 孚叫+ 寺 ( 2 1 4 ) n 万 s 1 n 由于寸0 0 时，三_ 0 ，则l i m ：1 n 三一+ o 万 n 有功功率为： 川i 三m p = l i 三m u m i m 孚c o s ( + 争吼c o 溉( 2 - 1 5 ) 万石 ，r ， ， ” 、 nn 可 7 广西大掌硕士掌位论文 三相自抄表电子式电能表的设计与研究 2 2 基于专用计量芯片的电子式电能表的测量原理 2 2 1 专用计量芯片的优势 目前电参数测量方法主要有传统电能表应用的模拟测量法和电子式电能表应用的 数字测量法两大类。数字测量法经过近几十年的应用和不断改进，技术已经取得空前进 步。目前，随着电子式电能表的普及，数字测量方法已经成为电参数测量领域最重要的 方法。 电子式电能表内核一般采用三种方式构建：a d c + m c u 方式、a d c + d s p 方式、 专业计量芯片+ m c u 方式。这几种方式中，以a d c + m c u 构建的电子式电能表由于功 能太过单一，而且测量精度一般达不到标准，一般不被采纳。以a d c + d s p 方式构建的 电子式电能表虽然精度高，功能多，但是由于使用的是通用的d s p 处理器，对开发阶 段的设计要求高，而且芯片成本较高，不易进行系统维护。 由专业计量芯片+ m c u 构建内核的电子式电能表系统，专业计量芯片是电测量的相 关理论和d s p 技术的结合，专业芯片内部集成了专用的d s p 和a d c ，使得电能信号从 模拟量输入到数字电能参数量输出都在一片小小的芯片内部完成，实现高度的集成化， 不需要复杂的外围电路。而且专业计量芯片可以将电量转换为设计所需要的电参数数 值，精度能够保证达到标准，这样降低了对m c u 的要求，从而可以进一步降低对m c u 选型的要求，达到控制成本的作用。专业计量芯片的应用可以减少对电子式电能表前期 设计的要求，降低研发成本，而且芯片高度集成化，系统运行稳定可靠。如今可供设计 者选用的专用计量芯片种类繁多，利用专业计量芯片作为核心的电子式电能表已经成为 业内主流。 2 2 2 电子式电能表的一般构成 电子式电能表对电能的计算是时间t 内的电压电流乘积的积分 p t村 形( f ) = i p ( f ) 出= i “( f ) f ( f ) 协 ( 2 1 6 ) e f te f t 为了完成将电网交流信号进行处理并进行相关运算，输出代表目标电能参数的数字 信号的整个过程，电能计算电子式电能表的核心计量部分在输入级首先将交流电压与电 流信号进行信号调理，将电网用户端中的大电压大电流转变成微处理系统能够接受的电 子信号。在电能表的关键模块乘法器中实现被测电压、电流相乘，输出功率信号，再在 频率转换模块中将功率信号转换为计数显示器能够接受的标准脉冲。此时脉冲频率的大 小代表功率的大小，由计数器对功率脉冲信号进行积分处理。 8 i ” l 蓊 广西大学硕士掌位论文 三相自抄表电子式电能表的设计与研究 p 缓 输 乘 p 变t计数器 控制 入 法 显示 换 级 器 器 电能计算单元 图2 - 3 电子式电能表内核基本组成 f i g 2 3 e l e m e n t so fe l e c t r o n i cp o w e rm e t e r 计量核心单元式能处理的电能信号需要满足电压较低以及电流较小的要求，输入级 的输入电压较高电流也相对较强，必须按照一定变比进行变换后才能输入乘法器处理。 这旱采用标准电压或电流互感器以及精密分压取样电阻。 由上图可见，电能表的核心运算部分就是电能计量芯片的乘法器。电能表测量目标 参数中的功率是由电压与电流相乘得到的，乘法器在计量芯片中的作用就是乘积处理输 入电压电流信号。 乘法器运算处理得到的功率大小是以输出的数字信号形式表示的，需要将数字信号 进行转换得到计数器能够累加的频率信号。频率的大小与功率大小成正比，计数器的单 位时间脉冲个数累加值就代表了功率值便得到了处理器能够接受的电能值数字信号。 实现电能量计算最主要的过程是在乘法器中完成电压“( f ) 和电流f ( f ) 进行相乘，根 据处理方法的不同乘法器有不同的分类，一般可分为模拟型乘法器和数字型乘法器。 2 2 3 模拟型乘法器的基本原理 模拟乘法器又分为电压型和电流型，电压型由于尖峰电压的干扰现在基本被淘汰， 而电流型时分割乘法器得到广泛应用。电流型乘法器是指被测电压、电流都变成电流形 式然后相乘，其乘积即为功率大小也以电流形式表示。一般利用对正弦周期信号进行时 分割进而生成一定脉宽和幅度的脉冲波的方法，因此这种乘法器也叫p w m 模拟乘法器。 i 与l 【 图2 4 模拟型乘法器内部原理 f i g 2 4i n t e r n a lp r i n c i p l eo fa n a l o g u em u l t i p l i e r 9 广西大掌硕士学位论文三相自抄表电子式电能表的设计与研究 p w m 模拟乘法器由调宽电路、调幅电路、脉冲生成电路组成。在p w m 模拟乘法 器中，以微小时间段出为单位将输入级输出的正弦波信号无限分割，在出内的正弦信 号瞬时值可看作是常数，即直流量u 、，。u 经过调宽电路处理转变为代表电压u 的调 宽电流，。，经过调幅电路处理转变为代表电流，的调幅电流，i u 和，进入脉冲生成 器进行整合。 图2 - 5 正弦电路瞬时功率 f i g 2 5s i n u s o i d a lc i r c u i tt h ei n s t a n t a n e o u sp o w e r 0 厂l u + i ： 五 l 一i i 二、f： l 一土 一一i 。 丰 i 图2 6 三角波脉冲和方波脉冲 f i g 2 6t r i a n g u l a rp u l s e sa n ds q u a r ew a v ep u l s e s 在脉冲生成器中生成周期相等的三角波厶和方波k ，厶控制三角波厶的拐点位置， l 与时间量存在如下关系： 猎= 每i p 互+ 疋o 、 。 即 l = 猎 ( 2 - 1 8 ) 其中z o 为恒定电流参考量。 1 0 广西大学硕士学位论文 三相自抄表电子式电能表的设计与研究 从式( 2 5 4 ) 中我们发现l 的大小决定了互与正的大小，进而可以决定方波脉冲的脉 宽。在一个周期f 内方波脉冲的幅值是由，确定，正半波幅值为+ ，负半波幅值为一， 周期为a t 电流平均值l 为正半波与负半波面积之差。 l ：掣i i ：毕 ( 2 1 9 ) 凸- z 0 由此可见，被测电路的功率尸即厶l 的大小与方波电流平均值成正比。 p w m 模拟乘法器原理较为先进，制造技术目前比较成熟，具有较好的线性度，在 最好情况下，准确度可以达到o o l 级。 2 2 4 数字型乘法器的基本原理 数字模式的乘法器原理比较简单，采样电压与电流流入乘法器前先通过模数转换 器，模拟量被数字量所替代，连续信号被离散数字信号替代，接下来在乘法器中，两个 数字量进行相乘。电量等于一个周期内采样电流与采样电压乘积在时间上的累加。 u ia d 卜 数字乘法器 i 加卜 p ( d ) 图2 - 7 数字乘法器原理框图 f i g 2 7d i 百m lm u l t i p l i e rb l o c kd i a 伊a m 在数字乘法器中一种方法是利用硬件逻辑电路进行乘法计算，另一种是利用处理器 的乘法命令程序进行乘法计算。 逻辑电路方式的乘法器中，整个系统包括时序控制器、加法器和移位寄存器，由时 序电路提供时间信号，模数转换器输出的高低电平在时钟频率控制下依次进入系统，系 统根据电平的高低决定是否电压或电流信号应该被累加，累加一位乘积右移一位。硬件 构建的逻辑电路乘法器有运算稳定速度快的优点，但是硬件系统的组件往往要求较高较 为复杂。 依靠程序指令进行乘法运算方式的乘法器，利用计算机语言中乘法指令对数字量进 行乘积运算。这种方式的优点是不需要硬件资源，甚至可以利用处理器里自带的硬件乘 法器，缺点是运算速度较慢，而且稳定性没有硬件系统实现的乘法器高。 数字乘法器与模拟乘法器最根本的区别是数字乘法器必须具有模数转换器，因为数 字乘法器的运算处理对象必须是离散的数字信号。将电压与电流的模拟信号转变为处理 器能够接受的数字信号，然后通过乘法软件将数字量进行相乘，数字乘法器处理的有功 功率可以用公式表示为： 广西大学硕士掌位论文三相自抄表电子式电能表的设计与研究 p = 专喜俐( 刀) ( 2 - 2 0 ) 式中u ( n ) ，i ( n ) 为电压、电流每次采样值，n 为一周内的采样点数。 2 2 5p f 变换器及计数显示控制部分 乘法器的输出量进入p f 变换器，由它来把代表有功功率的信号变为标准脉冲，脉 冲频率f 的大小就代表了测得功率的大小，它和计数器仪器实现电能测量中的积分运算。 比如在p w m 乘法器中，在一段时间内将各个分割时间段f 累加计算便可得到总有功能 量形。 与不同的乘法器匹配的p f 变换器也不同，模拟乘法器与u f 变换器匹配，从而能 够产生频率正比于有功功率的电能脉冲。u f 变换器在极低频率时误差较大，为了获得 线性较好而且稳定的频率信号，需要把电压变换为数值较高的频率信号，然后再经过分 频使高频信号变为频率相对较低的低频信号。数字乘法器与d f 变换器对应，由于数字 乘法器输出的信号是代表功率大小的数字参数，d f 变换器将数字信号转变为相应的频 率信号，在有的芯片中d f 变换器是由软件来实现的。 计数器将p f 变换器输出的标准脉冲信号进行累加，从而完成乘法运算之后的积分 运算，最后显示器显示出所测得的目标电能参数。对于一些由高档次单片机或d s p 作 为处理核心的电子式电能表，由于处理器运算能力较强，计数及显示控制都是由处理器 完成。除此之外，处理器还要负责人机交流等其他外围功能。 1 2 三相自抄表电子式电能表的设i - f 与研究 第3 章电子式电能表的硬件设计 3 1 硬件总体设计方案 u a u b u c i a i b i c 图3 - 1 电能表硬件总体设计 f i g 3 1m e t e rh a r d w a r ed e s i g n 本设计目的是进行三相电能检测，因此首先将三相电流电压分别输入采集电路，电 流与电压信号经过互感器降压，并且将信号进行调理输入到计量芯片a t t