（电机与电器专业论文）风力发电系统电参数测量.pdf

些穿鍪嗵杰q 塑! 篓蔓 a b s t r a c t a b s 打剐：t ：i n 豫c 饥ty c a 硌，t l l ew 砌c n e r 星：y 嬲ar e i l 哪y a b l ed e 锄l y e 耀yi sm o 柚d m o 心坞g a f d c db yc o u n t r i 髓a l lo v e ft h ew o d d ，f 研i 乜a d v 锄t a g e si nh l l g er e u r c 岛 w i d d yd i s t 姗i o na n dn op o l l u t i o n ni sac o m n l o nu n d 口蛐m 幽gf o ru 廿l i z i l l gw i n d 舶e r g yf h s t e rb yg l o b a l 锄e 强，萨o u p s t h e 谢n d 科料诋i u s 仃) ri 8a 重d e v c l o p i l l gf 融 帕涮m yi i lo u rc o u m 哆t h e 砌l e w a b l e 蚰髓蹦l a wi 珈【p i 锄c n 伽s 缸c c2 0 0 6 ，删c h p f e s c r i b 懿t h em l 韶o ff 踟- i nl g w ，f i i l lh l 如n g 觚dm i b l m d i i n gm a l 【韶t h e c i 【m t e m e 嬲u r i n gf o rp 猢e t 哪o fw i n dp o w 盯p 1 锄ts y s t 锄，e s p c c i a l l y 旬rg e i 】l 啪t c da n d d i s s i p 删a l e r g yo fw i n dt i l r b i 鹏，av e f yi 脚p o r t a n tt l l i n 吕t h t 黜f o r e ，t h ep a r 锄鼬e r m 翩飘m n gg y s t 鼬董研w i n dp o w 盯p l 孤t 科s t e mi s 抵re _ i o p e d a h i g l lp e f f o i m a n i c 肼0 2 2 bf o re l c c 缸cp a r 锄e t e 塔l l o c t i o ni su s e di l lm i s p r o 孕铷! 1 1 nc 硒m e a s u r ea 1 i n o s ta 1 1d 硎cp a 船m c t e 娼i nw i n dp o w 盯p l 弛ts y s t e mm i d 湖 州a 1 1 y枷e v cd e c 砸cp o 嗍sp o s i 吐v c a n d n e g 撕v em 龆s 嘲e 鸣 b i d i r ：硝讲t 赢s t o r a g e 锄dd i s p l a y t h ew h o l es y s 嘧nc o n s i s t so f m 飘l r 锄e mu i l i t ，d a t a p r o c c s s i n g1 1 1 1 i t 锄dd a t a 仃a r i s f e r r i n gu n i l m 髓s 咖e n tu l l i tu s 铭m c um c 9 s 1 2 a 6 4 t o c o l l c c tm em e 删r e dd a t ag i v 吼b y 肌7 0 2 2 b ；p r o c c s s i n g 叫tl l s em c 9 s 1 2 a 6 4t o p r o c c s s ，s a v e 锄dd i s p l a ym ed a 协；细m 向u 1 1 i te 】【c h 锄g e sd a t a 研t l lo 咖“ar s _ 4 8 5 c o m m u i l i c a 丘o na n di n 丘a r e d 鲫砌珊i c a 6 0 n w h i c h 如n o w st h ed i 以6 4 5c o n n l h i i c a l i 蛐 s t i p u i a t i o n m a i l l l yc o n s i d 盯出e 北i i a b i l i 够i nk u n d 仃w a d c s i g nf o rd a 诅p r o c e s s i n g u i i i t 1 ks y s t 锄a c h i 唧sm es e l f 删瑚乜l l 胁lf i | 1 1 c t i b yp c 脚躺t h es ) ，s t 锄 w h ic ：hh 勰t h ea ( 1 v 舭t a g 罄o f1 l i g h 觚吼m l c 弘v a r i o u s 觚c t i 蛳，h i g h 肌t i - j a 咖h l g c a p a b i l i 劬i su s e 】f i 】lf b re i e 嘶cp o w e rm 船s 1 1 r 锄e m 如i n j 。s t r 撕o no fj l l f 豳m 砸o n 趾d n e 啪o r k s 锄d w i l l b e u s c dw i d d y k e yw o r d s ：w i i l dp o w 盯p i 锄ts y s t 咖，p o 鲥wa n dn e g a d v em e a s i l r e l l l 蜘t ，a t t 7 0 2 2 b ， m c u6 8 h c l 2 致谢 本论文的工作是在我的导师李杏春教授和王占国老师的悉心指导下完成的， 李杏春教授和王占国老师严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和 影响。在此衷心感谢三年来李杏春老师和王占国老师对我的关心和指导。 李杏春教授和王占国老师悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上 和生活上都给予了我很大的关心和帮助，在此向李杏春老师和王占国老师表示衷 心的谢意。 李杏春教授和王占国老师对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意 见，在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，裴冠荣、郭宏榆、王旭辉、张晓亮等同学对 我论文中疑难问题研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人的理解和支持。他们的理解和支持使我能够在学校专心完成 我的学业。 引言 l 引言 1 1课题背景和意义 风力发电作为一种可再生能源，具有施工周期短、维护费用低、清洁无污染 和不消耗任何燃料的优点。随着发达国家对二氧化碳减排义务的承诺，风力发电 受到了许多国家的重视，成为未来能源的重要来源。 我国的“风电”事业有较快的发展，无论技术还是产业均取得长足进步，全 国风电装机到2 0 0 0 年底为3 4 4 【l l 万k w ，2 0 0 1 年为3 9 9 3 万k w ，2 0 0 2 年底达到 了4 6 8 4 万kw 。随着风力发电技术日趋成熟，市场规模不断扩大，风力发电的成 本效益也逐渐改善。设备的国产化率有了明显提高。风电的优越性愈来愈多地受 到人们的认识与重视。但也应该看到，风电在我国的电力装机容量中所占比重较 小( 2 0 0 2 年仅占全国发电装机3 5 6 5 7 万kw 的o 1 3 ) 。发展的实践证明，我国风 电产业的发展还面临一系列障碍和问题，其中既有政策问题，也有技术问题；既 有机制问题，也有认识问题。因此，研究分析风电发展存在的问题和影响因素， 提出相应的措施和对策，是促进我国风电产业发展的一项紧迫任务。 目前，我国风电产业的发展所面临的一系列障碍和问题中，最核心的问题是 上网电价过高。现有风电场的上网电价一般都在0 6 0 7 元“1 ( k w h ) 之间，最高 达1 2 元o 【w h ) ，不仅远远超过当地燃煤电厂的平均上网电价，也超过电网平均售 价，致使风力发电举步维艰，发展受阻。要有效地降低电价，改善风能的经济效 益，提高上网“风电”的竞争力，要求风电开发商既要做好建设前的测风工作， 也要扩大投资规模，尽可能采用兆瓦级单机，降低单位造价，力争国家和地方的 政策扶持。 由于风电的前期投入比较大很多企业不愿意投资在风电上，再加上我国技术 落后，所以我国的风电发展很慢。针对这种情况，“国家发改委“”制定了许多发 展风电的优惠政策，如：强制总量目标制度、优先上网、全额收购公开固定电价 制度和费用分摊制度等。伴随着技术的提高和国家政策支持，我国风力发电事业 得到了快速发展。风力发电机装机容量增大、风力发电厂增多和风电并网加大， 此时对风力发电系统电参数测量显得格外重要。 因为，风力发电场的建设一定要紧密依靠电力企业，如上网、调度、电价等。 只有提供准确的电能参数和发电能力给供电局，才有利于风电更好上网。风力发 电和火力、水力发电有所不同，风能是不受人类控制的，风能的有无和风力的大 些室寥逗太学蔓j ! i 鱼塞 小仅与自然条件有关，而火力和水力发电是可控制的。当无风或风力过大时风机 都不能工作，但此时风机还要消耗电能。如，风机的控制系统需要电源p 】，机头的 旋转、叶片的打开和关闭需要电机来带动【4 】，风机的刹车系统需要用电来启动、停 止，还有油路的加热系统等都需要电能。虽然一台风机在不发电时，一段时间内 所消耗的电能并不多，但是全国所有风机不发电时所消耗的电能之和，再加上长 时间的积累，那就不是一个小数字。此测量系统立足于风电测量和风电上网而开 发的。除了能实现普通电子式电表的功能外，还能对风机发出的电能和风机本身 消耗的电能进行准确计量，即正向计量和反向计量，然后对电能进行双向显示和分 别存储。为了满足网络化控制和数据采集需要，本系统采用r s - 4 8 5 通讯和红外通 讯进行数据采集和控制通信。 此风力发电测量系统可以为控制调度、经济调度、网络调度提供有利的依据； 调度人员可以在满足负荷需求的情况下合理安排机组出力，以使发电费用最经济。 调度人员同时也可以通过当前风机实时运行状态，考虑网损的影响，合理调整机 组出力，使系统达到经济运营的目的。此风力发电测量系统还对变电站的经济运 营、对用电方需求管理、对发电厂上网电量和跨省电网联络线交换电量的计费等， 都有重要的意义。为实现电能计量的信息化和网络化构造坚实的基础。 1 2课题综述 计量装置在风电测量中的安装位置示意图。1 ： 图卜l 安装位置示意 f i g 1 一l 吐坞s k e t c hm 印o f i n s t a l l i n gp o s i t i o n 从1 1 图上可以看出本风电参数测量装置的安装位置，同时也获得了进入计量 装置的额定电压3 x 6 9 0 v ，标定电流5 a ( 6 a ) ，额定频率5 0 h z 。 2 引言 本课题主要研究风力发电系统电参数测量以及通过p c 机进行自动软件校表。 主要研究内容包括： ( 1 ) 风力发电系统电参数测量，主要电参数有电压、电流、有功功率、无功功 率、视在功率、功率因数、频率等。 ( 2 ) 实现正向累计用电量和反向累计用电的计量，正反向电能的存储和显示 ( 3 ) 兼容r s 一4 8 5 集中采集数据和红外采集数据两种方式 ( 4 ) 自动校准功能。 1 3 本系统的技术及功能要求 风力发电系统的电参数测量系统性能指标要求比普通测量系统更高，对多项 指标作出了新的要求，主要有： ( 1 ) 电磁兼容要求更高； ( 2 ) 数据保存时间要求更长； ( 3 ) 掉电后电能丢失最小； ( 4 ) 其它功能要求更明确； 本风力发电系统的电参数测量系统具体技术要求： ( 1 ) 优良的电磁兼容性，能承受8 k v 静电放电抗扰度试验、频率8 0 1 0 0 0 m h z 强为l o v m 高频电磁场抗扰度试验【埘、4 k v 电快速瞬变脉冲群实验以及6 k v 浪 实验。 ( 2 ) 测量数据保护的可靠性，任何情况下如掉电、干扰等测量的数据以及内部设簧 均不能改变，停电后电能数据、设置数据应能长时间不丢失。 ( 3 ) 有功准确度为o 5 级，无功准确度2 级，额定电压3 x 6 9 0 v ，标定电流1 5 a ( 6 ) ， 额定频率5 0 h z ，仪表常数3 2 0 0 i p l l l 瓜w h ，启动电流小于o 4 i b 。 ( 4 ) 对风机提供给电网电能和风机从电网获得电能要分别精确计量。 功能要求： ( 1 ) 液晶显示 ( 2 ) r s - 4 8 5 通讯和红外通讯 ( 3 ) 数据统计 ( 4 ) 校表参数传递 些醚婆盔等婴地壅 2 系统的整体结构和工作原理 2 1系统的整体结构 整个系统的结构包括以下六部分，即电压和电流信号采集部分，数据处理部 分，r s - 4 8 5 通讯和红外通讯部分，程序的下载部分，液晶显示部分和重要数据的 存储部分，图2 1 是系统的整体结构图。 圈2 1 系统的整体结构图 f i g 2 一lm ew h o l ec o n f i 鲫d o nd r 赫go f s y 3 t 锄 电压和电流采集部分主要完成原始参数的采样，数据处理部分对采样数据进 行处理和运算来获得更多有用数据，r s - 4 8 5 通讯和红外通讯接口是单片机与外界 通讯的主要接口，程序下载部分实现了程序的下载和在线调试，液晶显示和数据 存储部分主要完成了信息的显示和数据可靠存储。 6 8 h c l 2 单片机第一个任务是通过s p i 通信方式对御r r 7 0 2 2 b 进行初始化设 置；第二个任务是读取a 1 t 7 0 2 2 b 的测量数据，计算出风机正向发出的电能和反 向消耗的电能。第三个任务是通过r s 4 8 5 接口方式与p c 机连接，配合开发的p c 机校准软件完成对a 1 t 7 0 2 2 b 校准，并把相关的校准数据保存在外部的f r a m ( f m 2 4 c “) 中，存储器n 铊4 c 6 4 同时也用来保存用户电量数据。l c d 显示、 4 系统的整体结构和i ：作原理 红外接口、r s 4 8 5 接口和与外界实现数据交换的中介。 6 8 h c l 2 单片机支持b d m 调试方式，p c 机通过b d m 接口模块就可以完成对 6 8 h c l 2 单片机的程序下载和硬件仿真调试，开发环境集成度高，开发方便。 2 2 系统的工作原理 本系统主要完成对风力发电系统电参数的测量，对风机正向发出的电能和风 机在不发电时所消耗的电能分别进行计量，并对这两种能量数据进行显示和存储。 风力发电系统的电参数测量仪表要完成对电能的测量和处理。它首先要对三 相电压和电流进行采样，被测线路的电压电流信号经过互感器和采样通道送到芯 片a t t 7 0 2 2 b ，它是珠海炬力公司的三相电能计量专用芯片，由它来完成电压、电 流、频率等参数的测量，计算出各相电压有效值、电流有效值、有功功率、无功 功率、视在功率、功率因数、正反向电能等，然后将功率信号转化成脉冲信号， 将脉冲信号送到c p u 进行处理。c p u 根据脉冲常数计算出有功电能和无功电能，再 通过功率方向寄存器判断出风机是在消耗电能还是在发出电能，从而分别得到正 向和反向电能。按照所要求的功能对数据进行加工，l c d 显示相关数据，并把重 要参数保存在f m 2 4 c 6 4 中。做好通过红外通讯和r s 4 8 5 通讯接口与外界进行数据 交换的准备。 北京交通大学硕十论文 3 系统的硬件设计 3 1采样电路设计m 1 原始参数的采样是实现测量的基础，采样电路设计的好坏，直接关系到系统 的测量精度，必须加以重视。 当前测量系统对用户用电采样方式主要有两种形式：一种是互感器采样，另 一种为直接采样。 采用互感器采样即利用电压互感器和电流互感器分别来采集用户的电压信号 和电流信号；直接采样则是用热稳定性高的电阻分压网络来取得电压信号，而用 电阻温度系数非常小的锰铜片进行电流信号采样。 直接采样方式启动电流小、线性范围好、功耗低、精度高和成本低廉，设计 时应优先考虑。本设计中电压采样部分正是如此，使用了电阻分压网络直接对电 压采样。但是，直接采样方式有一个致命的缺点，即在三相电测量时，难以设置 公共点，采样信号间电位差远远超出芯片耐受能力，会烧坏芯片乃至整个电路板， 所以，综合考虑后，采取混合方式，即采用电流互感器和电阻分压网络分别对电 流和电压进行采样。 电流采样电路如图3 1 所示，a t t 7 0 2 2 b 采用双端差分信号输入，有一个专门 的r e f o u t 管脚输出2 5 v 的a d c 基准电压，用于外部信号的直流偏置，即图中所 i c k a 3 ：争l 鞲 v v vf l i l 电流 ，即t d d 互感 ：争蔗三 器 罴争蔗 图3 一l 电流采样电路图 f i g 3 - l 血cc i m t m p l j n g 6 系统的硬什设计 示的v n ，它与三相四线的中线接在一起，将输入交流信号的直流电平拉到2 5 v ， 使输入信号位于a 0 c 参考电压的一半左右，保证了a d 转换的精度。同时，v n 充当 三路取样电压和三路取样电流的公共点，统一了六路信号的直流电位。 片内集成了7 路1 6 位a d c ，最大输入电压为1 5 伏，即输入正弦信号的有效 值最大可为1 o v ，根据a t t 7 0 2 2 b 用户手册的推荐数值，电压通道对应到a d c 的输 入选在o 5 v 左右，电流通道对应到a d c 的输入选在o 1 v 左右。 电流互感器串联在三相电路中，箭头方向表示电流流向。以a 相为例分析，阻 值相同的r a q l 、r a q 2 串接作为采样电阻，中心接到v n 上，互感器二次侧电流 在其上产生采样电压，经抗混叠滤波后，输入到a 1 1 7 0 2 2 对应的通道。 电流互感器采用l ：l 0 0 0 变比，二次侧取样电流为5 m a ，r a q l 、r a q 2 阻值 为1 0 q ，电流经采样后的电压为：o 0 0 5 a + 2 0 0 = o 1 v 基本位于推荐的数值范围内。 抗混叠滤波器是一种低通滤波器，放置在a d c 的模拟输入端之前。为了防止 由于采样可能引起的失真( 即混叠) 必须采用抗混叠滤波器。 这里我们采用最简单的低通滤波器( l p f ) 作为抗混叠滤波器，也即r c 滤波器， r a 3 为l k ，c a 3 为3 3 n f ，其它抗混叠滤波器与此数值相同。 电压采样电路各相都相同，现仅以a 相为例说明。 电压采样电路如图3 2 所示，相电压v a 经r a l 、a 2 、r a 3 、r a 4 、r a 5 ， r a 6 、r a 7 、构成的电阻分压网络，在r a 7 上得到取样电压，经抗混叠滤波后输 v nv c n 一一一。弋灯一弋一一一 r 9 宁 图3 2 电压采样电路 f i g 3 - 2i h cv o l 协g e8 a m p l i n g 入到芯片该相电压的正向管脚。中线v n 接到r e f 叫t 管脚，经抗混叠滤波后接到 芯片的该相电压的负向管脚。 r a l 选用3 0 0 k q 贴片电阻，r a 2 、r a 3 、r a 4 、r a 5 选用2 7 0 k q 贴片电阻，r a 6 是小阻值的调节电阻，r a 7 选用1 ko 贴片电阻，基本保证了采样电压位于推荐数 值附近： 采样电压= 6 9 0 v + l ( 3 0 0 + 2 7 0 + 4 + 1 ) = 0 5 l v 为了增加电阻耐压值，r a l 、r a 2 、r a 3 、r a 4 、r a 5 这五个电阻选用1 2 0 6 7 些枣窑望蟛堡! ! ! 鱼茎 大封装，经过这样的优化设计，保证了电路的安全运行。 3 2电能计量芯片a t t 7 0 2 2 的应用设计 3 2 1a t t 7 0 2 2 b 芯片介绍【5 】 a t t 7 0 2 2 b 是一颗高精度三相电能专用计量芯片，适用于三相三线和三相四线 应用，a t t 7 0 2 2 内部框图如图3 3 所示： 图3 3a t t 7 0 2 2 b 内部框图 f i g 3 - 3 岫i n s i d e 咖丘g u 删o f a l l 7 0 2 2 b a t t 7 0 2 2 b 集成了七路二阶s i g m a - d e l t aa d c 、参考电压电路以及所有功率、能 量、有效值、功率因数以及频率测量的数字信号处理等电路。 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， 充分满足多参数测量系统的需求。 朋盯7 0 2 2 b 支持全数字域的增益、相位校正，即纯软件校表。有功、无功电能 脉冲输出c f l 、c f 2 提供瞬时有功、无功功率信息，可以直接接到标准表，进行 系统的硬什设计 误差校正。 a 1 1 阿0 2 2 b 可以对基波有功、无功功率进行测量，提供脉冲输出c f 3 和c f 4 提供瞬时基波有功功率以及基波无功功率信息，可直接用于基波的校正。 a 1 1 r 7 0 2 2 b 提供一个s p l 接口，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。所有计量参数都可以通过s p i 接口读出。 a 1 t 7 0 2 2 b 内部的电压监测电路可以保证加电和断电时正常工作 芯片引脚描述如表3 1 所示： 表3 1 t t 7 0 2 2 b 芯片引脚功能描述 t a b l e3 一l 地f i l n c d o no fa t r 7 0 2 2 b sp i | 勰 引脚标识特性功能描述 t t 7 0 2 2 b 复位管脚，低电平有效，内部有4 7 k 上拉 lr e s e t 输入 电阻 a t t 7 0 2 2 b 上电复位或异常原因重新启动时，s i g 将 2s i g 输出变为低电平当外部赫c u _ 通过s p i 写入校表数据后，s i g 将立即变为高电平 a 相电流信道正，负模式输入引脚完全差动输 3 ，4 v l p v l n输入入方式，正常工作最大输入v p p 为1 5 v ，两个引脚 内部都有e s d 保护电路，最人承受电压为士6 v 基准2 4 v ，可以外接；该引脚应使用1 0 uf 电容并 5r e f c a p 输出 联o 1 u f 电容进行去耦 b 相电流倍道正，负模式输入引脚完全差动输 6 。7v 3 p v 3 n 输入入方式，正常工作最大输入v p p 为1 5 v ，两个引脚内 部都有e s d 保护电路，最大承受电压为6 v 8a g n d电源 模拟电路( 即a d c 和基准源) 的接地参考点 c 相电流信道正，负模式输入引脚。完全差动输 9 。1 0n 5 p n 销 输入 入方式，正常工作最大输入v p p 为1 5 v ，两个引脚内 部都有e s d 保护电路，最人承受电压为士6 v l lr e f o u t输出基准电压输出，用作外部信号的直流偏置 该引脚提供a t t 7 0 2 2 b 模拟电路的电源，正常工作 电源电压应保持在5 v 5 ，为使电源的纹波和噪声减 1 2a v c c电源 小至最低程度，该引脚应使用l o i l f 电容并联o 1 u f 电容 进行去耦 表3 1( 续) 9 北京交通人学硕十论文 引脚标识特性 功能描述 a 相电压信道正，负模式输入引脚完全差动输 1 3 ，1 4v 2 p ，2 n 输入 入方式，正常工作最大输入v 叩为士1 5 v ，两个引脚内 部都有e s d 保护电路，最大承受电压为6 v 1 5a g n d电源 模拟电路( 即a d c 和基准源) 的接地参考点 b 相电压信道正，负模式输入引脚完全差动输 入方式，正常工作最大输入v p d 为1 ，两个引脚内 1 6 ，1 7 v 4 p v 4 n输入 部都有e s d 保护电路，最大承受电压为士6 v 该引脚提供a t t 7 0 2 2 b 模拟电路的电源。正常工作 电源电压应保持在5 v 5 ，为使电源的纹波和骤卢减 1 8 a v c c 电源 小至最低程度，该引脚应使用i o l i f 电容弗联0 1 u f 电容 去耦 c 相电压信道正，负模式输入引脚。完全差动输 1 9 。2 0v 6 p v 6 n 输入入方式，正常工作最大输，p p 为i ，5 v ，两个弓i 脚内 部都有e s d 保护电路，最大承受电压为士6 v 第七路a d c 的正、负模拟输入引脚。完全差动输入 方式，正常工作最大输入v 为1 5 v ，两个弓l 脚内部 2 1 ，2 2n 1 p 强 输入 都有e s d 保护电路，最大承受电压为6 v 2 3g n d 电源数字地引脚 2 4 t e s t 输入测试管脚，正常应用接地。内有4 7 i c 下拉电阻 2 5n c 不连接 三相三线低电平，三相四线高电平选择。内部3 0 0 l c 2 6s e l 输入 上拉电阻 有功电能脉冲输出，其频率反映台相平均有功功 2 7 c f l 输出率的大小。常用于仪表有功功率的校验，也可以用作 有功电能的计量 无功电能脉冲输出，其频率反映合相平均无功功 2 bc f 2 输出 率的大小，常用于仪表无功功率的校验，也可以用作 无功电能的计量 2 9n c 不连接 表3 一l ( 续) 系统的硬件设计 引脚 标识特性功能描述 c f 3 ：基波有功电能脉冲输出，其频率反映基波合 相平均有功功率的大小，常用于仪表基波有功功率的 3 0c f 3输出 校验，也可以用作基波有功电能的计量 c f 3 也可配置为跚s 视在电能脉冲输出。 c f 4 ：基波无功电能脉冲输出，其频率反映基波合 相平均无功功率的大小，常用于仪表基波无功功率的 3 lc f 4 输出 校验也可以用作基波无功电能的计量。 c f 4 也可配置为p q s 视在电能脉冲输出。 3 2n c 不连接 内核电源输出3 o v 外接1 0 u f 电容并联0 1 u f 电容 3 3v d d 电源 进行去耦 数字电源引脚；正常工作电源电压保持在5 v 土5 ， 3 4v o c电源 该引脚应使用1 0 l i f 电容并联o 1 u f 电容进行去耦 3 5c s 输入s p i 片选信号，低电平有效，内部上拉2 0 0 k 电阻 s p i 串行时钟输入 3 6s c l k 输入 注意：上升沿放数据，下降沿取数据 3 7d n q 输入 s p i 串行数据输入，内部下拉2 0 0 k 电阻 3 8d o l r r 输出 s p i 串行数据输出，c s 为高时高阻输出 内核电源输出3 o v 。外接l o u f 电容并联0 1 u f 电容 3 9v d d 电源 进行去耦 当检测到任意一相的有功功率为负时，输出高电 4 0r e 、，p 输出 平：当检测到各相有功功率都为正时，该引脚的输出 又将复位到低电平 数字电源引脚；正常工作电源电压保持在5 v 5 ， 4 lv c c 电源 该引脚应使用l o u f 电容并联0 1 u f 电容进行去耦 系统晶振的输入端，或是外灌系统时钟输入 4 2o s c i 输入 晶振频率为2 4 5 7 6 姗z 4 3 o s c o输出晶振的输出 4 4g n d 电源数字地引脚 a 1 r r 7 0 2 2 b 电源监控电路，a ，r r 7 0 2 2 b 片内包含一个电源监控电路，连续对 模拟电源( a v 。) 进行监控。当电源电压低于4 v 5 时，芯片将被复位。这有利 于电路上电和掉电时芯片的正确启动和正常工作。电源监控电路被安排在延时和 j b 京奎堡叁警雯_ 十谂塞 滤波环节中，这在最大程度上防止了由电源噪声引发的错误。为保证芯片正常工 作应对电源去耦，使a v 0 的波动不超过5 v 5 。 a 竹7 0 2 2 b 系统复位，a 1 盯7 0 2 2 b 提供两种复位方式：硬件复位和软件复位。 硬件复位通过外部引脚r e s r t 完成，r e s e t 引脚内部有4 7 k 电阻上拉，所以正 常工作时为高电平，当r e s e t 出现大于2 0 i l s 的低电平时，a t r 7 0 2 2 b 进入复位 状态，当r e s e t 变为高电平时a n 7 0 2 2 b 将从复位状态进入正常工作状态。 软件复位通过s p i 口完成，当往s p i 口写入o x d 3 命令后，系统进行一次复位， 复位之后a 1 t i v 7 0 2 2 b 从初始化状态运行。 j u t 7 0 2 2 b 在复位状态下s i g 为高电平，当盯7 0 2 2 b 从复位到工作状态之 后，大约经过5 0 0 u s 左右，s i g 将从高电平变为低电平，此时芯片开始进入正常工 作状态，方可写入校表数据，一旦写入校表数据之后，s i g 又会立刻变为高电平。 本系统在初始化时使用的是硬件复位，即通过单片机对御盯7 0 2 2 b 的r e s e t 管脚给出长达3 0 i l s 的低电平，然后通过检测a 1 1 7 0 2 2 b 的s i g 管脚是否出现了高 电平来确定a 厂r 7 0 2 2 b 是否真的进入了复位状态。如果复位完成再给r e s e t 管脚 高电平使j u t 7 0 2 2 b 芯片进入正常工作状态。此状态也要通过检测s i g 管脚是否 为高电平来完成。在校表期间是通过往s p i 口写入0 x d 3 命令进行软件复位，使各 个寄存器处于初始状态，同时也通过软件对r o m 进行清零。方便进行软件校表。 3 2 2a 1 盯7 0 2 2 b 硬件电路设计 系统的测量是基于a t t 7 0 2 2 b 计量专用芯片的，从本节将详细介绍a t t 7 0 2 2 b 的 应用要点。 图3 4 是仅以a 相电压、电流通道为例的删0 2 2 b 的硬件连接图。本系统 测量的额定电压有效值是6 9 0 v ，电流有效值是5 a 。负载的电压和电流分别通过 分压和电流互感器接到a ：1 1 r 7 0 2 2 b 的模拟口。分压电阻和电流采样电阻大小的选 择既要充分利用a m 0 2 2 b 的a d 转换位数，以提高精度，还要防止过量程时不 至于测量溢出。最终输入到a ：】广r 7 0 2 2 b 模拟端的电压大小还与g a i n 寄存器设置 有关。 为了增加钔) 转换精度和模拟抗干扰性，应当提高a ：m 0 2 2 b 模拟端口的信 号幅值，故设定g 的放大倍数等于l ，v f ”端和i a p 端的最大输入幅值分别 为o 5 v 和o 1 v ；电压通道以6 9 0 v 额定值，根据变压器的变比和o 5 v 的末端电压， 粗略计算分压电阻的个数和阻值；电流通道类似，换成考虑电流互感的变比，来 系统的硬件设计 估算采样电阻的值。在调试时，读出a 丌7 0 2 2 b 的电压、电流、功率等内部寄存 器的原始值，来验证电阻值是否合适。 图3 - 4 t t 7 0 2 2 b 的硬件连接图 = 士：一 i a p d v d d i 鞋堕州僦 。_ _ _ _ 。一一 1 椤 一二一 r 8 v a p d 跚 d r n 蒗 s c l k s c l k c p u c s c s v a n s i g s i g 圭a r e s e t r e s e t r e f c a p 蛩c sr e f a g n d f 选f o 【r r c 5 o s c l c f l喝辱羽荽 ”占y l p lo s c o c f 2 ? 。 询卫li p - f i g 3 - 4n l ep e r i p h e m lc i 枷i to fa 1 v r 7 0 2 2 b r e f o u t 端为a d 转换的参考电压端，芯片内部可产生2 5 v 基准电压，它对 测量精度的影响很大，所以用2 2 f 的钽电容和o 1 f 独石电容并联进行去藕卦 c f l 和c f 2 端采用光电隔离的方式输出脉冲信号，以供校准和电能计算。 3 2 3计量模块工作原型5 l 1 有功功率测量 各相的有功功率是通过对直流分量后的电流、电压信号进行乘法、加法、数 图3 - 5 有功功率测量 f i g3 - 5m ea c t i v ep o 、懈c a l c t l l a t i 燮望杰堂堡十墼 字滤波等一系列数字信号处理后得到的。电压、电流采样数据中包含高达2 1 次的 1 谐波信息，所以依据公式p = 寺u ( ，1 ) ，( n ) 计算得到的有功功率也至少包含2 i 1 月。o 次谐波信息。有功功率测量原理如下图3 5 所示。合相有功功率p 仁p a + p b + p c 。 2 有功能量测量 有功能量通过瞬时有功功率对时间的积分得到。 单相有功能量计算公式为：e p = l ，( f ) 西 合相能量可以根据设置按照代数和或者绝对值的模式进行累加。代数加模式 e p t = e p a + e p b + e p c ，而绝对值加模式p t = i e p a i + f e p b i + f e p c i 。如图所示。 e p 产e p a 十e p b + e p c 圊 或者 e p p l e p a i + i e p b i + i e p c i 幽3 6 有功能量测量 f i g3 6t h ea 商v c 锄盯科c a l l 砌 3 无功功率测量 根据真无功功率( 正弦式无功功率) 定义公式，无功功率q = u 。，。s i n ( 伊) ， i i 无功功率计量算法与有功类似，只是电压信号采用移相9 0 度之后的。测量带宽主 要受到数字移相滤波器的带宽限制，a t t 7 0 2 2 b 无功功率的测量带宽也可高达2 1 次 谐波。 图3 7 无功功率测量 f i g3 - 7 血cr e a c t i v ep 佣惯c a i c u l a 6 锄 a t t 7 0 2 2 b 采用的数字9 0 移相滤波器具有优越的频率响应特性，如图所示。它 是幅频特性为l ，频带范围内的所有频率成分进行一9 0 移相的线性滤波器。所以即 使对于相当高次谐波无功功率的测量，也能获得很高的测量准确度。 1 4 系统的硬r l ：设计 特别指示，对无功功率进行检定时，必须确保用于检测的标准表的无功功率 算法与a t t 7 0 2 2 b 的无功功率相同，否则会由于无功功率的算法原理不同而产生一 定的误差，特别是在检定谐波下的无功功率时误差更大。 4 无功能量测量 无功能量通过瞬时无功功率对时间的积分得到 单相无功能量的计算公式为：e q = 昱旮= i 口( f 净 合相无功能量可以根据设备按照代数或者绝对值的模式进行累加。代数加模 式e q t = e q a + e q b + e q c ，而绝对值加模式e q t = i e q a i + i e q b i + l e q c l 。如图所示。 旦虻圈e q a 壁衄圈一吵 旦缸圈田鼬 e q # - e q a + e ( 一e q c 或者 e q 睁l e q a l + l e q b l + i e q c l c f 2 e q t 图3 _ 8 无功能量测量 f i g3 - 8 t b c 嘲硎v c 啷y l l a t i o n 5 视在功率测量 视在功率有两类计算公式： p q s 视在功率公式一：，= p 2 + 9 2 跚s 视在功率公式二：s = u n n s 幸i n n s 由于a t t 7 0 2 2 b 可以直接提供电流和电压的有效值，剐s 视在功率公式二可以在 外部m c u 很方便的实现，所以a ”7 0 2 2 b 仅提供采用p q s 视在功率公式一实现的视在 功率值，如下图所示： 图3 9a 相视在功率计算 f i g3 9 a p h a 印p 删t p 矾憎c a l 刚撕彻 对于合相视在功率，册0 2 2 b 按照公式一，根据合相有功功率和合相无功功率计 算得到，如下图所示。 塑塑堂点塑塑鱼熹 图3 一l o 视在功率计算 f i g3 l o m e a p 科咖t p 嗍c a i c u l a 6 0 n 6 视在能量计量 视在能量定义视在功率对时间的积分，由于视在功率存在两类计算公式，所 以a 1 r 7 0 2 2 b 提供两类视在能量。 按照公式一计算p q s 视在能量，如下图所示，公式一合相p q s 视在能量脉冲通 过c f 4 输出。 圃圃 图3 1 l 合相视在能量测量 按照公式二计算r m s 视在能量，如下图所示，公式二合相r m s 视在能量脉冲 通过c f 3 输出。 i i l m 图3 1 2 视在能量测量 1 6 一由- 9珞， n q 一 蒿 一一一 画圃匿 ， ， ， 鸯鸯鸯 三置詈一 系统的硬件设计 7 电压有效值测量 通过对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。电压通道 输入l o o o i i i v 到10 i i i v 的信号电压有效值的误差小于o 5 。 电压采样值 i 琅m s a 一恒圃l 圆吁一 图3 1 3 电压有效值测量 f i g3 一1 3t h ev o l t a g e 舢s i g n a lp f 8 i n g 8 电流有效值测量 ， 通过对电流采样值进行平方、开方以及数字滤波等一系列运算得到。电流通 道输入1 0 0 0 m v 到2 m v 的信号时电流有效值的误差小于o 5 。 电流采样值iitm姐 一高通滤波器卜上 卜叫数字滤波器 叫开平方卜一 图3 一1 4 电流有效值测量 f i g3 一1 4 删肛蜘t 椰s i g n a l 芦o c 髓妇喀 9 电压线频率测量 a t t 7 0 2 2 b 可以直接输出电压频率参数，a t t 7 0 2 2 b 可以自动选择a b c 三相中的 任意一相电压为电压频率测量的基准。可测量的电压线频范围为l o h z 一5 0 0 h z 。 1 0 功率因数测量 功率因数计算斌可都轫( q ) 锱 d n s - j l 功率因数的符号由无功功率的符号来确定。 3 2 4相序检测 l 、电压相序检测 a t t 7 0 2 2 b 可以对电压的相序进行检测，三相四线与三相三线模式的电压相序 检测依据不完全一样。 三相四线模式下电压相序检测按照a b c 三相电压的过零点顺序进行判断，电 压相序正确的依据是当a 相电压过零点之后，b 相电压过零，然后才是c 相电压过零。 1 7 北京交通人学硕十论文 否则电压错序。另外只要当a b c 三相电压中任何一相没有电压输入时，a t t 7 0 2 2 b 也认为是电压错序。 三相三线模式下电压相序检测按照a 相电压与c 相电压的夹角进行判断，当a 相 电压与c 相电压的夹角在3 0 0 度左右时，才认为电压相序正常，否则判断电压出现 错序。 电压相序的标志存放于状态标志寄存器s f l a g 中，s f l a g 的b “3 为l 表示b c 电 压出现错序，s f l a g 的b i t 3 为o 表示b c 电压相序正确。 2 、电流相序检测 a t t 7 0 2 2 b 可以对电流的相序进行检测，电流相序检测按照a b c 三相电流的过 零点顺序进行判断，电流相序正确的依据是当a 相电流过零之后，b 相电流过零， 然后才足c 相电流过零。否则电流错序。另外只要当a b c 三相电流中任何一相电 流丢失，a 盯7 0 2 2 b 也认为是电流错序。 电流相序的标志存放于状态标志寄存器f l a g 中，s f l a g 的b i t 4 为1 表示a b c 电 流出现错序，s f l a g 的b i t 4 为0 表示a b c 电流相序正确。 特别提示：电流相序检测功能需要通过相序检测使能控制寄存器e n d t i o r d e r 将其开启，否则不能对电流相序进行检测。注意：客户在需要对电流相序进行检 测时才将这个功能开启，在不检测电流相序时请尽量将其关闭。 3 2 5起动潜动设置 a t t 7 0 2 2 b 通过判断电流是否小于起动阀值来实现能量计量的起动和潜动的。 当a t t 7 0 2 2 b 检测到某相电流大于起动阀值时，该相能量就开始计量，也就是可以 起动；而将测到某相电流小于起动阀值时，该相能量停止计量，也就是处于潜动 状态。 a t t 7 0 2 2 b 起动电流阀值寄存器i s t a r t u p 在上电复位后默认为o x 0 0 0 2 8 0 ，表示 在额定电流i b 输入时采样信号为1 0 0 m v 左右的输入时，a t t 7 0 2 2 b 可以在o 。1 实现起 动，低于o 0 8 时实现潜动。 3 2 6功率方向判断 a t t 7 0 2 2 b 实时提供功率的方向指示，方便实现四象限功率计量。 负功率指示r e l i r p ：当检测到三相中任意一相的有功功率为负，则r e v p 输出高 电平，直到下次检测到有功功率都为正时，r e v p 才恢复为低电平。 功率方向指示寄存器p f l a g ：用于指示a b c 合相的有功以及无功功率的方向。 1 8 系统的硬仆没计 b i t o 一3 ：分别表示a 、b 、c 、合相的有功功率的方向，0 表示为正，l 表示为负。 b i t 4 7 ：分别表示a 、b 、c 、合相的无功功率的方向，0 表示为正，1 表示为负。 3 2 7三相三线与三相四线应用1 0 】 a t t 7 0 2 2 b 三相四线模式下采用三元件测量法，合相功率计算公式为： 只= u l 件u b l 8 七u c i c q 粕i 威舶i b 戚m i c 郐 s 4 = 嗣。 而a t t 7 0 2 2 b 在三相三线模式下采用两元件测量方法，合相功率计算公式为： b =