（通信与信息系统专业论文）用电现场管理终端校验装置的研究与实现.pdf

武汉理1 二大学硕士学位论文 摘要 我国经济的快速发展促进各行业对电力需求的飞速增长，为了达到节能， 加强电力需求侧管理更是刻不容缓。用电现场管理终端是电力需求侧管理的一 个重要组成部分，它要能准确地检测各种电力参数，它的准确与否直接关系到 国家与用户的经济利益。为了确保用电现场管理终端的准确性，开发高精度、 自动化的用电现场管理终端校验装置具有重要的现实意义。目前，这种装置的 设计与生产，在原理和技术上都是成熟的，关键是如何提高它的自动化水平和 校验准确度。 本文论述了用电现场管理终端校验装置的工作原理及现阶段我国生产、使 用情况；重点介绍了一种程控用电现场管理终端校验装置的设计、实现方案， 分析了设计方案技术性能；并对市场现有产品进行细致的调查和对国家相关规 程进行研究，确定了装置的技术指标，根据这些指标进行了装置的系统设计， 经过若干方案的论证确定了系统构成。在系统设计定型后，对核心器件的选用 进行了论证和选型；设计了一种可程控功率源，其特点是可输出大功率的恒定 电流和恒定电压，波形参数和输出变化方式可由程序控制输出；介绍了电路设 计原理，并对其采用的主要技术特点进行了分析和讨论。还设计了全自动校验 方法，利用r s 一2 3 2 接口，采用在w i n d o w s 操作系统下用v i s u mc + + 6 0 进行 编程，实现了上位机与多个下位机的通信模式，能使校验工作的整个过程由微 机控制进行全自动校验。使其具有校验、测试、数据处理等功能；介绍了校验 软件主要设计过程，给出了程序校验流程图及部分程序。通过对用电现场管理 终端校验装置的各项误差源的分析，利用数理统计和实验方法对用电现场管理 终端校验装置的不确定度进行分析和计算。并对进一步的工作提出了设想。 本文给出了检定结果和不确定度分析，从检定结果可以看出，本设计方案 基本达到了系统所要求的精度，具有一定的实用价值。本装置己投入运行阶段， 工作状态良好，通过计算机软件实现自动校表大大提高校表效率和数据准确度， 同时降低校表的劳动强度。 关键字：用电现场管理终端校验装置，自动化，a t t 7 0 2 2 b ，电能计量，电参数 测量 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ee c o n o m yo fm yc o u n t r y , t h er e q u i r e m e n to f e l e c t r i cp o w e ri n c r e a s eq u i c k l yi na l le n t e r p r i s e s f o rt h es a k eo fs a v i n ge n e r g y , t h e n e e dt oe n h a n c et h ed e m a n d s i d em a n a g e m e n t ( d s m ) i sn ot i m et od e l a y u t i l i t y s p o tm a n a g e m e n tt e r m i n a l ( u s m t ) i sa ni m p o r t a n td e p a r t m e n t o fd s ma n ds h o u l d h a y et h ea b i l i t yt om e a s u r ee l e c t r i c a lp a r a m e t e r s ，s oi t sn i c e t yd i r e c t l yr e l a t e st h e e c o n o m vb e n e f i to ft h ec o u n t r ya n dt h eu s e r s t oi n s u r e t h eu s m t sv e r a c i t y , d e v e l o p i n gh i g hl e v e la n da u t o m a t i cc h e c k i n g d e v i c eo fu s m th a sw i d ef o r e g r o u n d n o w , t h ep r i n c i p l e sa n dt e c h n o l o g yo fd e s i g n i n ga n dp r o d u c i n gt h i sd e t e c t i n g d e v i c e h a sb e e nr i p e ，t h ei m p o r t a n tp r o b l e mi sh o wt oi m p r o v ei t s a u t o m a t i cl e v e la n d a c c u r a t eg r a d eo fc a l i b r a t i n g i nm i st h e s i s ，t h ea u t h o rd i s c u s s e dt h ep r i n c i p l e so ft h ec h e c k i n gd e v i c eo fu s m t a n dg a v ei t sp r o d u c i n ga n du s i n gc o n d i t i o n si no u rc o u n t r y h el i e s t r e s so n e i n t r o d u c i n gak i n do fd e s i g n i n g , r e a l i z i n gs c h e m eo f t h ec h e c k i n gd e v i c eo fu s m t , a n da n a l y z e dt h et e c h n o l o g yf u n c t i o no ft h es c h e m e t h ep r o j e c ti n v e s t i g a t e sv a r i o u s k n o w ne q u i p m e n t so nm a r k e ta n dd e t e r m i n e st h eg o a l sb a s e do nt h er e q u i r e m e n t s t h es v s t e mi ss od e s i g n e da n dt h e nt h ek e yi c sa r ec h o o s ec a r e f u l l y ac o n t r o l l a b l e p o w e r s o u r c ei sd e s i g n e di n t h i sp a p e r i tc a ns u p p l yc o n s t a n tv o l t a g ea n d c u r r e n t s w i t hh i g hp o w e r , a n dt h es o f t w a r ec a ns e tt h ew a v e f o r mp a r a m e t e r sa n do u t p u tm o d e s t h ed e s i 霉田p r i n c i p l eo ft h ec i r c u i ti si n t r o d u c e da n dt h et e c h n o l o g yf e a t u r eo ft h e c i r c u i ti sa n a l y z e da n dd i s c u s s e d b yr s 一2 3 2i n t e r f a c ea n dp r o g r a m m i n gu n d e r t h e w i n d o w so p e r a t i o ns y s t e mt h r o u g hv cl a n g u a g e ，t h ea u t o m a t i cc h e c k i n gi sa c h i e v e d i l lt h i ss y s t e m ，t h e r ea r em u c hf u n c t i o n si n c l u d i n g ：c h e c k ，t e s t ，d a t a - p r o c e s se t c t h e d e s i 鲷p r o c e s so ft h ec h e c k i n gs o f t w a r ei si n t r o d u c e da n dt h ep r o g r a mf l o wd i a g r a m a n dp a r to fp r o g r a ma r eg i v e n b ya n a l y z i n ge a c he r r o rs o u r c eo fc h e c k i n gd e v i c eo f u s m t , t h eu n c e r t a i n t yo fc h e c k i n gd e v i c eo fu s m t i sa n a l y z e da n dc a l c u l a t e dw i t h m a t h e m a t i c a ls t a t i s t i c sa n de x p e r i m e n t a lm e t h o d a n d ，t h ep r o p o s a lo fn e x ts t e pw o r k i sp r e s e n t e d a tl a s t ，e r r o ra n a l y s e sa n de x p e r i m e n tr e s u l t sa r ep r o v i d e d f r o mt h er e s u l t s ，w e c a ns e et h es y s t e ma c h i e v et h ee x p e c t e dr e q u e s ta n dh a v ep r a c t i c a l i t y t h ed e v i c eh a s l i 武汉理工大学硕士学位论文 b e e ni na no p e r a t i o n a lt e s t ，a n dt h ep e r f o r m a n c ei sg o o d a u t o c a l i b r a t i o na c h i e v e db y s o f t w a r ec a ni m p r o v et h ee f f i c i e n c ya n da c c u r a c ya sw e l la sr e d u c i n gt h el a b o r i n t e n s i t yg r e a t l y k e yw o r d s ：c h e c k i n gd e v i c eo fu t i l i t ys p o tm a n a g e m e n tt e r m i n a l ，a u t o m a t i o n ， a t i 7 0 2 2 b ，p o w e rm e a s u r e m e n t ，e l e c t r i cp a r a m e t e rm e a s u r e m e n t i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 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过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 国内外研究现状和技术的发展趋势 本课题研究的领域是电测仪表计量，对电能计量装置进行测量校验。目前， 国内在较高等级电能计量装置的检定多采用手动校验的检定方法，检定过程复 杂，大量的重复测量工作以及多而繁琐的数据处理，造成检定工作费时费力， 极容易造成人为差错，使检定准确性难以保证。与此相适应，在我国，建立完整 的电能计量标准和高度自动化的电能计量装置检定体系是至关重要的。随着我 国国民经济的发展，信息技术在各行各业得到越来越广泛的运用。电能计量装置 是电力生产、输送和使用过程中的重要衡器。近年来，电能计量技术发展较快， 出现了计量方式的多样化、表计检定的自动化、计量器具的现代化的新格局。 随着电子技术的迅猛发展，大部分电能计量装置都采用高精度计量芯片来 完成各种电参数的精密计算及测量，国内外许多公司研制出基于不同测量原理 的电能计量专用芯片，各专用芯片对校验方式的要求也是各不相同，这使得电 能计量装置的校验装置也发生巨大改变。在我国，校验自动化和高精度程控功率 源的设计是校验装置的两项关键技术，这两项技术的不断发展直接推动了校验 装置的更新换代。到目前为止这种装置已经经历了三代：电工式校验装置，电 子式校验装置和程控式校验装置。 电工式校验装置可以说是发展的第一个阶段，六、七十年代使用最为广泛。 优点是结构简单，便于维护，输出功率大，便于大电流输出设计。但存在明显 的三个缺点： 1 移相精确度较低。一般变压器式移相器的移相细度在0 5 左右。 2 输出的电流、电压信号，频率，波形均取决于市电，难以满足规程要求。 3 电工式校验装置通过测量人员手动调节电压电流和对电表的目测来实现 对电表的检测，对测量人员要求较高，操作人员的劳动强度大。 由此可以看出，电工式校验装置自动化技术水平低且测试精度低，所以难 以满足现代对高精度、高效率的测试要求，新型电子技术的不断发展必将使“电 工型 校验装置退出了校验装置的历史舞台，取而代之的是电子式校验装置。 从八十年代开始，电子技术正以前所未有的速度快步向前发展，校验装置 也在不断的从中摄取营养。事实上所谓的“电子式是指采用电子技术产生单、 武汉理工大学硕士学位论文 三相正弦交流信号加以功率放大，其相位、频率、幅度的调节往往在“弱电” 部分完成。其优点是输出波形质量好，输出稳定度高，大大降低了操作人员的 劳动强度，易实现操作程控化；缺点是电路故障率高，大功率输出较困难。八 十年代后期较普遍采用“数字波形合成 原理的电子式校验装置己成为现在的 主流产品。其综合性能大大优于电工式校验装置。 现在，计算机技术的迅猛发展使得电能表校验装置也发生了巨大的变革。自 从九十年代以来，国内许多厂家纷纷设计、生产了新一代的校验装置程控 式校验台。这种校验装置使用微机对整个台体进行控制，校表工作及校表结果 数据均由计算机统一自动管理，大大提高了校表的自动化水平和效率。程控式 校验台利用数字波形合成技术产生一定频率、相位的电压、电流信号，使得测 试的精度大为提高，并且利用计算机强大的硬件资源和广泛的软件支持，具有 计算精度更高，速度更快同时可以排除人为误差干扰等优点。 我国的校验装置在其产品质量与生产工艺上已经获得了长足的进步，特别 是九十年代以来，程控式校表台基本取代电工式校表台，使得我国在电能计量 装置的校验方面进入一个全新的时代砼1 。 1 2 课题研究的目的及意义 电力需求侧管理是一个庞大的系统工程，它涉及到经济社会的方方面面。 终端电力客户，特别是大电力客户是电力需求侧管理的重要参与者，起按照国 家机关要求和规定严格执行的作用。交流采样是电力系统中实现各种监测功能 的一项关键技术，2 0 世纪9 0 年代中后期该技术与电力负荷管理系统初步结合， 随着现代电子技术的高速发展，其实现方法也逐步成熟，由电力负荷管理系统 中的可选配置变为标准配置。利用交流采样单元，用电现场管理终端获得前所 未有的新功能：谐波分析，防窃电线损，功率因数补偿等口1 。 如何提高供电可靠性、降低线损、防止窃电，向管理要效益己成为各级用 电管理部门的一个重要课题。经仔细分析，线损过高的主要原因有技术线损和 管理线损两方面：就技术线损而言，主要是对该线路负荷的参量信息了解不足， 无法及时分析处理；就管理线损而言，主要是防止各种方式的偷电漏电行为。 所以我们需要通过交流采样单元对用户端进行监测分析，规范用户的用电行为 以便在一定程度上达到防窃电目的。用户的窃电手段日趋隐蔽，面对这种情况， 单纯通过传统型负荷控制终端不可能监测到用户的窃电行为，因为传统负荷控 2 武汉理t 大学硕士学位论文 制终端的电量获得只能是通过计量侧的电能表脉冲输出获得，不具有任何分析 能力。然而具有交流采样单元的终端可以监测指示回路或保护回路的电压电流， 连续采集其每周波的瞬时值，分析线路电压电流的变化，从而得到线路异常情 况并上报或记录。同时计算用户用电量，并与计量回路电表的脉冲输出累计电 量进行比较，确定电力线路的窃电用户、计量装置的故障和计量装置误差大的 受电点，很好地解决了防窃电、降线损的难题h 1 。 f k g a 4 2 - r t 6 1 0 0 型用电现场管理终端是由精伦电子公司独立研制开发的，是 根据国家有关标准、规程及广大电力用户的实际需求，综合了先进的交流采样、 无线电通信、t c p i p 网络、移动通信等技术研制而成的新一代终端，除了具备 传统的负荷管理功能之外，还具备交流采样、异常检测上报、支持多种通信方 式，维护成本低、运行稳定可靠等特点，用于实施电力负荷的科学管理。该终 端实现了对变压器的实时监测和用电计量数据的自动采集，成功实现了电能计 量回路远距离监视的功能，为及时、准确地发现电能计量回路中的各种窃电行 为提供了有效的技术手段，也为打击窃电行为提供了可靠、可信的依据。 用电现场管理终端是使用一款高精度三相电能专用计量芯片来实现交流采 样功能的，无论从功能上说还是从准确度考虑，用电现场管理终端均属电能计 量装置之高端产品。但由于各种电能计量芯片校准方式各不相同，而普通的市 售的校验台主要是针对感应式电表，针对用电现场管理终端的校验，不管在试 验项目和功能上都需要很大扩展，市面上可供选择的颇适用的校准与误差检验 系统并非很多，目前市场常见的一些校准台( 校验台) 或多或少地存在着不尽人 意之处。 考虑到用电现场管理终端作为电力系统的重要监控装置，首先，必须保证 其自身对电能计量的准确性，它的计量准确与否直接关系到国家与人民的经济 利益。其次，市场的残酷竞争要求产品的开发周期短，所需资源少。故对用电 现场管理终端的校验装置的自动化要求非常高。所以研制针对用电现场管理终 端的校验装置，满足现代自动化水平的要求和生产需要，这对高效高质量的开 发产品，发展和提高用电现场管理终端的电能计量水平和监控能力，都是非常 有意义的。 1 3 课题内容和研究方案确定 1 3 1 研究内容 3 武汉理工大学硕士学位论文 围绕本课题的要求，本文将完成如下工作： 1 查阅国内外有关电能计量装置的校验装置方面的文献资料，剖析校验装 置方面的实际产品，吸取同类产品的优点。 2 根据目前电能计量装置的校验装置的发展趋势和现有的设计条件，设计 出用电现场管理终端校验装置的整体方案。 3 完成系统硬件部分的选型；电路原理图设计。 4 分析串口通信原理，设计实现多机串行通信的方法，自定通信协议。 5 查阅事件驱动编程技术和面向对象语言方面的资料，讨论程序如何划分 为多个模块，以及如何设计实现，使应用程序完成自动化功能，并给出流程图， 完成系统所要求的功能。 1 3 2 研究方案 鉴于上述要实现的功能，该系统主要由p c 端校验软件、标准表、程控功率 源、用电现场管理终端四个部分组成，整个系统如图卜1 所示。其中p c 端校验 软件和程控功率源的具体实现方案将在以下各章中阐述。 图卜1 系统框图 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章用电现场管理终端校验装置的理论基础 2 1 用电现场管理终端校验装置的技术要求 用电现场管理终端的校验装置具备如下基本功能：自动调幅( 0 - - - , 1 2 0 ) 、 调相( 0 - - - 3 6 0 。) 、调频( 4 0 7 0 h z ) 、自动量程切换；按规程全自动校表，校 表过程可以随时退出、重复启动；校验结果可以显示在p c 端软件的界面上，供 用户查看；故障自诊断、自保护，杜绝死机可能性，事故报警；模块化的设计， 方便产品的定制、功能的扩展。 技术指标如下： 1 电压：各相输出电压幅度分别连续可调，相电压调节范围：7 5 v 2 7 5 v 。 分辨率：0 2 v ，稳定性不大于0 5 。 2 电流：各相输出电流分别连续可调，调节范围：o a 6 a ；分辨率：0 0 0 2 a ， 稳定性不大于0 5 。 3 各相输出电压与电流的相角可连续调节，调节范围：1 8 0 。；分辨率： 0 1 。，稳定性不大于o 5 。 4 输出三相四线正弦交流电源，频率5 0 h z ，在一6 + 6 之间可连续调 节；分辨率：0 1 h z ，稳定性不大于0 5 。 5 标准功率、电能测量准确度等级o 5 级。 2 2 用电现场管理终端校验装置的校验方法 用电现场管理终端的校验装置的设计定位应以被校对象用电现场管理 终端的特征( 功能与指标) 为依据。现代基于电能计量芯片开发的终端设备特 点是功能甚多，应以检查直接测量功能与指标为主，校验及校准并重。在昂贵 的、使用条件要求苛刻、非常娇气的具有多种计量功能的高准确度装置( 标准) 上做那些与高准确度无关的事是浪费资源，使生产资源配置不够合理。它应当 只用于校验与校准，那里才是瓶颈。而用电工式走字台加些辅助电子工装及计 算机组成的考核系统做这些工作则更合适，它们运行可靠、高度自动化、高效 而廉价引。 1 用电现场管理终端的校验 s 武汉理工大学硕士学位论文 用电现场管理终端不同于传统电测量指针式盘表和电测量变送器，它采用 模块化结构，测量参数较多，信息一次采集多次使用，数据采集具有实时性。 随着综合自动化技术的广泛运用，如何保证传送到后台测控机的采集数据可靠、 准确，终端的校验尤为迫切，是电气测量、综合自动化等专业关注的问题。 用电现场管理终端虽然是计量器具，但是国家至今尚未制定检定规程。我 们的校验装置主要是参照国家电网公司发布的交流采样测量装置校验规范 指导文件，对装置的校验方法及校验系统进行探讨嘲。 与普通仪表的校验原理相同，用“标准表法”对用电现场管理终端( 下面 简称终端) 测量数据进行校验，首先需要根据终端的技术要求给终端施加输入 量，然后在使用符合校验精度的标准表测定输入量，与终端的输出值进行比较， 并计算误差。根据误差计算公式( 2 - 1 ) 可以计算终端各测量功能的基本误差 ，。 ，一百e 1 - e 2 1 。 ( 2 - 1 ) 式中e 1 终端测量值 e ，标准装置的输入值 a f 输出基准值 校验装置中，对终端的校验又可采用手动校验、半自动校验与全自动校验 三种方式。 在实际校验过程中，必须获取一组标准表对终端的输入量的测量值( 相对被 检单元而言，以下称输入值) 和终端的示值( 相对被检单元而言，以下称输出值) ， 才能正确计算终端测量值的误差。输入值和输出值可以通过人工读取示值的方 式或计算机通讯方式获取，由于获取输入值与输出值方式不同，终端的校验方 式亦不同。 所谓手动校验，是指人工控制功率源输出，被检单元的输入值和输出值均 通过人工读取示值的方式获取，然后再按照所得值计算相应的误差的检验方式。 这种方式比较原始，工作难度大，计算繁琐。随着计算机与通讯技术的发展， 终端的交流电量数据可以直接传输到计算机监测系统，在校验过程中应用计算 机与通讯技术，实现对交流采样的半自动校验与全自动测试。半自动校验是指 计算机通过通讯规约控制标准源输出，被检单元的输入值通过通讯规约从标准 表白动获取，输出值通过人工读取被检单元示值的方法获取的校验方式；全自 6 武汉理e 大学硕士学位论文 动校验则是指计算机通过通讯规约控制标准源输出，被检单元的输入值与输出 值均通过通讯规约自动获取的校验方式。全自动校验方式使很多用手动测试无 法完成的测试项目( 如响应时间) ，都可以很方便地进行测试，提高了测试准确 性、可靠性，为规范交流采样测试管理提供了有效手段册。 2 基于a u t o c a l ( 自动校准) 技术的校验装置的设计 a u t o c a l ( 自动校准) 在智能数字仪表领域已很普及，可用以评价其仪表 设计、制造工艺的先进程度。但在电能计量装置领域，关于a u t o c a l 的论述还 不多见。在电能计量装置批量生产的众多工序之中，误差调校是返工率高、生 产效率低下的环节。a u t o - c a l 的实现，特别是对多表位同时进行a u t o c a l ，将 大大提高生产和维护的效率和质量，并提高产品科技含量，对产品设计与生产 工艺方面的贡献也将是突破性的。 能够测量有功、无功电能误差，甚至能多表位、多点自动校验，这对传统 的手工调试电能表的误差调整( 校准) 来说也许就足够了。但对基于电能计量 芯片开发的终端设备而言，这只是为校准工作提供前提条件，并不意味着具有 校准功能，不能顺利完成对被测表的校准。因为基于电能计量芯片开发的终端 设备是以自动校准( a u t o - c a l ，又称数字校准或软件校准) 为重要标志之一。其 优点是不仅高效( 通过接口下个命令，在十数秒内同时完成十余只三相表的多 参数校准) ，而且调整细度高生产a u t o c a l 重复性好，免除人为因素，保证质量， 产品稳定性，可靠性高。而且操作简单，无需高等技工，可谓是“傻瓜”校准。 应该说，使用a u t o - c a l 技术是仪表设计、仪表生产乃至仪表主芯片设计的方向， 其应用不仅限于多功能电能表，即便在量大面广的单相表生产及研发中也大可 能有可为。但是，自动校准虽好，只靠被测电能表自身改进( 包括误差校正模型， 测试方法及数据存储，接口与软件等) 还是完成不了测量的要求，还需要校验 系统功能的配合，尤其是标准表的分相标准读数( i ，v ，p ，q 等) 可从其隔离 串行接口读出。这里强调的是标准表的串行接口在与校验系统相接的同时，能 方便地与控制校准的主机相连，以便接受主机的命令或向主机发送数据( 作为 校准参考标准的测量结果) ，并通过主机向多块被校表广播标准值。这里需指出： ( 1 ) 用计数电能脉冲的办法不能校准，只能复查。因为校准须分相进行， 因此需按相分别传输三相标准数据，如三相的v 、i 、p 、q ( 对三相四线制，计 有1 2 个数据) 。 ( 2 ) 如果用三相标准源，在规定的校准点( v 、i 、妒) 上，由主机发布校 7 武汉理工大学硕士学位论文 准命令即可。 ( 3 ) a u t o - c a l 不仅需要串行接口( 标准表、被测表及主机) 而且需要上述 三方相应的软件支持。 a u t o - c a l 免除了根据误差对仪表元件进行调整的过程，只是存储一些与误 差有关的数据，仅此而已。其过程大致包括下述五步： ( 1 ) 通过主机发布命令使系统进入a u t o - c a l 状态，被校表也同时接到 a u t o - c a l 指令，停止不相干操作： ( 2 ) 主机令三相程控源进入设定的校准点状态( 规定的v ，i ，驴，f ) ，等 待达到稳定状态； ( 3 ) 标准表分相发布三相标准数据( v ，i ，p ，q ) ，使全部被校表都接收 到该数据； ( 4 ) 各被校表按规定模型与程序分相计算相关误差( 各相角差，比差) ， 并以适当方式( 便于校正) 存储之； ( 5 ) 主机得知各被校表均“0 k 后，发布指令退出a u t o c a l 状态。在以后 的正常测量过程中，根据校准时存储的数据及工作实时数据给出经过修正的最 后测量结果。当然，因仪表、设计思路不同，上述过程也会有所不同。例如， 可用电能误差做依据进行自动校准；若用三相标准功率源则上述过程及相应软 件都可简化1 。 2 3 用电现场管理终端校验装置的组成 用电现场管理终端的校验装置是一种利用以上原理及方法对用电现场管理 终端进行校验的装置。大部分使用“标准表法”的程控校验装置的系统组成框 图如图2 - 1 。 图2 - 1 “标准表法”校验装置系统组成框图 8 武汉理- 下大学硕士学位论文 用电现场管理终端校验装置也是使用这种成熟的构成模式，由台式p c 机、 程控三相交流功率源和三相多功能标准表三大部分组成，各组成部件功能如下： 1 p c 机通过p c 端校验软件，控制三相交流功率源、用电现场管理终端、 标准表，用于完成对用电现场管理终端三相电压、电流、功率增益、相位增益 测量的校正，以及终端的各项测试，同时提供友好的人机操作界面。 2 程控三相交流功率源用于模拟各种电网条件、输出电压、电流和各种功 率因数。并且其隔离串口通信，使用配套的p c 端校验软件即可方便操作。 3 三相多功能标准表是外购部件，选用科陆电子公司的高精度标准表 c l 3 1 l v 2 ( o 1 级) ，协助完成终端的校验和检定工作。c l 3 1 l v 2 ( 0 1 级) 能同 时测量三相电压、电流、频率、相位、有功功率、无功功率、视在功率、有功 电能、无功电能等参数。中文菜单显示，显示信息量大，操作方便等功能和特 点外，增加了小电流和小电压量程，使整机测量范围更宽，应用范围更广，可 广泛应用于交流电压、交流电流、交流功率和电能等测量领域，是计量所、实 验室、研究所理想的计量检测设备。具有r s 2 3 2 接口，可与p c 机连接将测量数 据传送到p c 端校验软件。 用电现场管理终端校验装置的整机结构框图如图2 2 所示： 图2 2 用电现场管理终端的校验装置整机结构框图 2 4 专用电能计量芯片a t t 7 0 2 2 b 的校表原理 用电现场管理终端是利用本身的电流互感器和电压互感器实时在线直接对 电量进行测量，但同时也从数据集中器或当地电能表中读取数据，这种方法相 9 武汉理工大学硕士学位论文 当于在装置内部安设了一块高精度电能表，从而能够实现对电能表的实时和在 线检测，有利于计量装置维护和用电稽查。用电现场管理终端使用电能计量芯 片a t t 7 0 2 2 b ，专用于直接采集电量并进行高速运算和处理。 a t t 7 0 2 2 b 芯片是珠海炬力集成电路设计有限公司推出的一款高精度三相电 能专用计量芯片，所能测量的电参数包括有功、无功、视在功率、双向有功和 四象限无功电能；电压和电流有效值；相位、频率等。该芯片提供一个s p i 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。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 ，可以直 接接到标准表，进行误差校正。软件校表可提高校表精度、简化硬件设计、降 低设计成本，为三相多功能计量装置提供了功能更加齐全、设计更加简单的应 用方案。经过校正的仪表，有功精度可高达0 5 级，无功精度为2 级。用电现 场管理终端的交流采样单元就是使用a t t 7 0 2 2 b 芯片实现的呻1 。 a t t 7 0 2 2 b 内部寄存器分为计量参数和校表参数两部分。器件中的计量参数 寄存器多达8 2 个，它们的地址在0 1 h 6 f h 中不连续分布，未使用部分可留给以 后扩展。计量参数的计算全部由硬件完成，用户只需将从计量参数寄存器中读 出的值进行单位换算就可得到测量值。 由于芯片内部构成电流、电压通道的抗混叠滤波器r c 元件存在容差，导致 两个通道相位失配，会给最终测量带来误差。引起这个误差的相位可以与互感 器的角差一起得到校正。a t t 7 0 2 2 b 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、 高频脉冲输出设置、断相阈值电压设置和合相能量累加模式等3 6 个寄存器。每 个寄存器3 个字节，地址不连续地分布在0 x 0 1 - 0 x 3 f 之间。 校表是用电现场管理终端设计中非常重要的环节，a t t 7 0 2 2 b 上电复位后， 校表寄存器的初始数据为默认值，此时读出的计量参数值和实际测量值不符， 因而需要对校表寄存器进行设置，以将测量值减小到误差范围之内。校表可按 高频输出参数设置、比差补偿区域设置、角差补偿区域设置、功率增益校正、 相位校正、启动电流设置、参量累加模式设置、电压校正、电流校正的先后顺 序进行。现以电压增益的校准为例简要说明a t t 7 0 2 2 b 的校表方法，其他参数校 准请参照a t t 7 0 2 2 b 的芯片手册。 校正三相电压的电压增益校正寄存器分别是u g a i n a 、u g a i n b 、u g a i n c 。在 a t t 7 0 2 2 b 初始化时，u g i a n 为0 ，标准表上读出的电压有效值为u r ，通过s p i 口读 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 出的测量电压有效值的寄存器的值为d a t a u 。根据公式( 2 2 ) 的换算，可以得到 a t t 7 0 2 2 b 测量的电压有效值u r m sn 0 1 。 u r m s = d a t a u 2 1 0 2 2 3( 2 - 2 ) 又由公式( 2 - 3 ) 、( 2 - 4 ) 、( 2 - 5 ) 的运算可以得到用于校正电压增益的u g a i n 。 u g a i n = ( u r u r m s ) 1 如果( u g a i n o ) ，则 u g a i n = i n t u g a i n x 2 2 3 否则( u g a i n o ) ，则 u g a i n = i n t 2 2 4 + u g a i n x 2 为 ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) 式中，i n t 表示取结果的整数部分。 按上述的步骤，即可得到需要存放在电压增益校正寄存器内的值，通过该值 的设置，芯片内部会自动完成电压增益的校正。 武汉理一【大学硕士学位论文 第3 章程控功率源的设计与实现 程控三相交流功率源的应用十分广泛，被大量应用于冶金、通信、电力及 军工等诸多行业，但各个领域对功率源的要求各不相同。用于计量和产品试验 等领域的功率源对其输出波形要求较高，要求功率源输出完整的正弦波信号， 对其失真度、精度和稳定度，都有国家标准。目前此类交流功率源的实际输出 功率都很小，它们一般只强调单项指标，即电流或电压输出。而用于电能表计 量时，其功率源输出的不是真实的功率，而是利用产生“虚功率”的方法来实 现电能的计量，且要求其任意相的电流、电压、相位都能够独立调节n 引。 3 1 程控功率源的组成原理 系统的设计目的是建立一个可程控的功率源，同时它能满足各种测试需要。 为了满足程控功率源的功能要求，本设计采用的是多c p u 结构，由一个单片机 作为控制单元，控制三相相互独立的信号发生器。每一相信号发生器都以一个 单片机为核心，产生两路正弦信号，每路信号经过幅度控制后经功率放大器放 大后输出，最终通过变压器变换形成三相功率源所需的三相电压和三相电流。 由于每相都是独立设计，三相输出可以任意组合n 引。系统各个部分信号关系图 如图3 - 1 所示。 显 一 不 按 键 控制 单元 h 相信号 发生器 采集 模块 功率 放大 燃副袭美匕至发生器卜_ i放大l 、掣 c 相信号 发生器 采集 模块 采集 模块 图3 - 1 系统信号关系图 1 2 功率 放大 武汉理t 大学硕士学位论文 其中，控制单元负责系统的对外通信、监控和人机界面，并发送各种控制 命令与数据完成系统各模块之问的通信。信号发生器模块主要完成六路相位、 幅度、频率可调的正弦信号的产生。功率放大模块主要是对前端的信号发生器 模块输出的信号进行功率放大，以满足功率源输出功率的要求。交流采集模块 主要完成输出交流信号的采集并通过串行总线传给控制单元处理。 设计能精确控制相位、幅度和频率的信号发生器模块是关系整个系统成功 的关键所在，本章将重点介绍，同时介绍相关的硬件设计思路。 3 2 控制单元模块 功率源可以通过键盘设置输出，也可通过串口通信连接，由p c 端软件控制。 显示部分主要显示系统相关参数，这些均通过控制单元模块来完成。对于本硬 件平台而言，控制单元模块选用德州仪器公司的m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机。该单片机 已经具有上述所需功能接口，所以减少了大量的开发时间。 m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机属于德州仪器公司m s p 4 3 0 系列n 劓，其内部结构框图如图 3 2 所示。 图3 - 2m s p 4 3 0 内部框图 m s p 4 3 0 f 1 4 9 有6 0 k b 的f l a s h 和2 k b 的r a m 。其中f l a s h 分为1 2 0 段主存储 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 器( 每段5 1 2 b ) 和两段信息存储器( 每段1 2 8 b ) 。f l a s h 可以整个擦除也可以分 段擦除，这给系统的软硬件设计带来了极大的便利和灵活。m s p 4 3 0 f 1 4 9 的工作 电压是3 3 v ，因此，其i o 电平也是3 3 v 逻辑电平，并且与5 vt t l 电平兼容。 m s p 4 3 0 f 1 4 9 有两个串行异步通信口、4 8 个通用i o 口，负责调度其它子模块的 运作，同时和p c 机及采样模块通信，完成对终端检测和校验的任务。 m s p 4 3 0 f 1 4 9 有两个定时器：t i m e a 和t i m e b 。t i m e b 可产生6 路相位相差精 度为0 1 度的方波，内置看门狗，多组时钟源，软件可控。m s p 4 3 0 f 1 4 9 的其它 功能可查阅相应的芯片手册。 3 3 正弦波产生模块 3 3 1 关键技术介绍 正弦波产生模块的设计，采用s p w m 方法实现，具体运用了单片机内部带p w m 输出的定时器模块。不同型号的单片机，其基本构成和原理都相当，该方案具 有较强的抗干扰能力，并且成本相对较低n 鄹。 所谓s p m , t ( s i n ep u l s ew i d t hm o d u l a t i o n 正弦波脉冲宽度调制) 控制方 式指的是通过改变p w m 输出的脉冲宽度，使输出电压的平均值接近于正弦波的 控制方式。早期主要是使用硬件获得s p i | | i v l 波形。8 0 年代以来研究重点转移到以 单片机为基础的数字方案。根据建立数学模型方法的不同，可分为自然采样法、 对称规则采样法、面积等效法等。自然采样法和面积等效法相对于规则采样法 对谐波的抑制能力较强n 引。但自然采样法需要较大空间实现在线运算，不利于 软件实现。所以我们采用用面积等效算法实现s p i q v l 控制，其原理如图3 3 所示。 如图3 - 3 所示，将正弦波分为等份，每一等份的正弦曲线与0 ( 令0 = e a t ) 轴所包围的面积都用一个与此面积相等的等高矩形脉冲来代替，即面积等效。 第k 等份的正弦曲线与0 轴所围平面的面积中心的横轴坐标为幺，将吼作为第k 等份的正弦曲线对应的矩形脉冲与0 轴所围平面的中心的横坐标，矩形脉冲的中 点与正弦波每一等份的中点重合，这样，由n 个等幅而不等宽的矩形脉冲所构 成的波形就与正弦波等效，正弦波的负半周也可以用同样方法来等效。显然这 一系列脉冲波形的宽度可以严格地用数学方法计算得到。这里只介绍正半周等 效方法。设正弦波为： u 。一u 。s i n ( e a t ) 一u 。s i n ( 0 ) ( 3 1 ) 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 图3 - 3 面积等效法原理说明图 其中，u 。为正弦波峰值。将正弦波的正半周分为n 等份( 其负半周也分为 n 等份) ，则每一等份的宽度为万n 弧度。根据面积等效原理，可得 6 ( k ) u “。u m 厍s i n ( p ) d ( ( k - 坛3 n ) 3 棚 由公式( 3 - 2 ) 得 m ) 一岂 c o s ( 导万) 一( 驯陋坛3 ，州) 伊3 ， 式( 3 3 ) 中得到的脉宽6 ( k ) 即为写入比较寄存器的数值。u 。为量化等级， 它由定时器的位数决定，这里采用的是8 位，得u m = 2 8 。为一个正弦波周期 内s p w m 的脉冲数，石n 为s p l 】i m 的脉冲周期，也就是定时器从零记满的周期， 这里是已经单位化后的量纲，由n 决定。脉冲数越多，经逆变后得到的正弦波 质量就越好，这里n 取2 0 0 。将计算产生的脉宽数列以数组的形式存在于单片机 中，供程序调用。上述是正弦波产生的关键技术，下面介绍实现精确控制正弦 波相位、频率和幅度的关键技术和方法。 1 s 武汉理工大学硕士学位论文 1 相位的精确控制 将公式( 3 - 3 ) 计算所得的6 ( k ) 数组赋给每个相模块单片机的定时器即可产 生s p w m 信号，且单片机可设置为在任意时刻通过中断改由从数组第一个数开始 周期赋值，这样就可以改变初始相位。p ；h r ，厂一定，那么只要改变中断的 时间即可以控制六路正弦信号相对相位的变化。六路中断信号由控制单元的 t i m e b 产生的6 路相位相差精度为0 1 度的方波来提供，故口的精度是0 1 0 。 2 幅度的精确控制 幅度控制其实就是控制其增益的大小。较为常用的是程控增益放大器。程控 增益放大器( p r o g r a m m a b l eg a i na m p l i f i e r ，p g a ) 的基本形式是由运算放大 器和模拟开关控制的电阻网络构成，其基本原理如图3 4 所示。 图3 - 4 程控