（电子科学与技术专业论文）基于msp430和互操作性协议的电能表研究与设计.pdf

基于m s p 4 3 0 和互操作性协议的电能表研究与设计 ab s t r a c t m u l t i f u n c t i o ne l e c t r o n i cw a t t h o u rm e t e rh a sb e e nw i d e l ya p p l i e di nt h ee l e c t r i c p o w e rd e p a r t m e n t ，a n dt h eg r o w i n gd e m a n df o rp o w e rm e a s u r e m e n ta n dm a n a g e m e n t a l s op r o m o t et h ed e v e l o p m e n to fw a t t h o u rm e t e rt e c h n o l o g y i nt h i s p a p e r ，ah i g h a c c u r a c y ，i n t e r o p e r a b l ea n dw i t hm a r k e tc o m p e t i t i v e n e s se l e c t r o n i cm u l t i f u n c t i o n w a t t 。h o u rm e t e ri sr e s e a r c h e da n dd e s i g n e dt om e e tt h en e e d so ft h ee l e c t r i cp o w e r s e c t o rf o rh i g h p r e c i s i o n ，m u l t i - f u n c t i o n a la n di n t e r o p e r a b l ew a t t h o u rm e t e r i nt h eb e g i n n i n go ft h i sa r t i c l et h er e s e a r c h b a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c ei s i n t r o d u c e d ，t h ed e v e l o p m e n ta n dd i r e c t i o no fm u l t i f u n c t i o ne l e c t r o n i ce n e r g ym e t e r w a ss u m m a r i z e d a n dt h e nt h eb a s i c p r i n c i p l e s o fe l e c t r o n i cw a t t h o u r m e t e r m e a s u r e m e n ti sr e s e a r c h e d ，t h es y n c h r o n o u ss a m p l i n ga l g o r i t h mp r i n c i p l ea p p l i e di n t h i s p a p e r i s a n a l y z e d a n dt h ec o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l s w i t h i n t e r o p e r a b i l i t y - i e c 6 2 0 5 6i si n t r o d u c e d t h ed e s i g nm e t h o do fe l e c t r o n i c w a t t h o u rm e t e rh a r d w a r e a n ds o r w a r ei s a n a l y z e ds t r e s s l yi nt h i sp a p e r i nh a r d w a r ep a r t ，t h eo v e r a l ls c h e m e d e s i g na n dc i r c u i t d e s i g nw i t hf u n c t i o n a ln e e d si s a n a l y z e d ，a n dt h ec i r c u i td e s i g no fe a c hu n i ti s d i v i d e di n t om e a s u r i n gm i c r o c o m p u t e r ( m c u ) m o d u l e ，p o w e r s u p p l yu n i t ，t h e s i n g l e - c h i pm o d u l e so ff u n c t i o n a lm a n a g e m e n t ，k e ya n dd i s p l a yu n i t ，i n t e r n a lm e m o r y u n i t ，c o m m u n i c a t i o nu n i ta n dr e a lt i m ec l o c ku n i t a f t e rt h ec i r c u i ta n a l y s i sa n d d e s i g n ，t h er e a l i z a t i o no ft h ew a t t h o u rm e t e rw i t hr e l i a b l ea n ds t a b l eh a r d w a r ei s c o n s i s t e n t i ns o f t w a r ep a r t ，t h eo v e r a l lp r o g r a mm e t h o di s d e s i g n e da n di n t r o d u c e d a n dt h em e a s u r e m e n tm c ua n dm a n a g e m e n tm c ui s d i v i d e di n t ot w op a r tf o r d e s i g n i nm e a s u r e m e n tm c um o d u l e ，t h ea u t o m a t i cd e t e r m i n e dm e t h o do ft h e a c q u i s i t i o nc u r r e n t ，t h ep r o g r a mm e t h o do fd a t a a c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gi s a c h i e v e d ，a n dt h er e q u i r e de l e c t r i c a l p a r a m e t e r sa n dt h ee l e c t r i ce n e r g yd a t ai s o b t a i n e dt h r o u g ht h es o f t w a r e s y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m i nm a n a g e m e n tm c u m o d u l e ，t h ee n e r g yc a l c u l a t i o nm e t h o d ，t h em e t e rm o d e l si na c c o r d a n c ew i t h i e c 6 2 0 5 6a n dm a x i m u md e m a n dm e a s u r e m e n t ，m u l t i r a t e ，k e y sa n d d i s p l a va r e d e s i g n e d ，a n dt h e nt h ei e c 6 2 0 5 6s t a n d a r ds o f t w a r ep r o t o c o ls t a c ki m p l e m e n t a t i o ni s g i v e n t h es o f t w a r ed e s i g nm e t h o di si ns t r i c ta c c o r d a n c ew i t ht h em o d u l a rd e s i g n f i n a l y ，t h ee r r o r sa n di t si m p a c ta n dc o m p e n s a t i o no fb o t ht h eh a r d w a r ea n d s o f t w a r em o d e li s a n a l y z e d ；a f t e rt h e b a s i c p a r a m e t e r s a n dt h em a i n d e s i g n s p e c i f i c a t i o n si na c c o r d a n c ew i t ht h er e l e v a n t n a t i o n a ls t a n d a r d sa r eg i v e n ，s u c ha s w a t t 。h o u rm e t e re r r o ri n d i c a t o rh a sb e e nt e s t e di n c l u d i n ga c t i v ea n dr e a c t i v ep o w e r e r r o r ，v o l t a g ei n f l u e n c e ，f r e q u e n c yi n f l u e n c e ，p o w e rc o n s u m p t i o n ，t h ee x p e r i m e n t s m 硕士学位论文 s h o wt h a tt h ew a t t h o u rm e t e rm e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s ，t h e nt h ec o m m u n i c a t i o n p r o t o c o lc o m p l i a n c et e s to fw a t t h o u rm e t e ra r ed e s c r i b e d 一一 t h ea c c u r a c yo ft h i s3 p h a s em u l t i f u n c t i o ne l e c t r o n i c w a t t h o u rm e t e rc a n b et o0 。5 sa n dr e a c t i v ep o w e rc l a s s1 0 i th a sb e e np r o v e di nt e s ta n dp r a c t i c et h a t t h i sw a t t h o u rm e t e rh a sh i g ha c c u r a c y ，f l e x i b l ef u n c t i o na d da n dc u t ，a n di tm e e tt h e r e q u i r e m e n to fi n t e r o p e r a b i l i t yi na u t o m a t i cm e t e rr e a d i n gs y s t e m i t sf i ti nw i t ht h e m a r k e td e m a n do ft h ew a r t h o u rm e t e r k e yw o r d s ：m u l t i f u n c t i o n w a t t - h o u rm e t e r ；s y n c h r o n o u ss a m p l i n g a l g o r i t h m ； i n t e r o p e r a b i l i t y ；m s p 4 3 0 ；i e c 6 2 0 5 6 i v 湖南大学 学位论文原创性! 声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名： 畅悟 日期：加p 7 年s 月z 罗日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权湖南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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 作者签名： 导师签名： ( 请在以上相应方框内打“”) 日期：沙p 夕年岁月z 罗日 日期：加。弓年岁月沙日 硕j j 学位论文 1 1 课题背景与意义 第1 章绪论 随着电子技术、通信技术及计算机技术的不断发展，电子式电能表越来越被 广泛地使用。电子式电能表也称静止式电能表( s t a t i c w a t t h o u rm e t e r ) 。电子 式电能表与普通感应式电能表相比，具有以下几个优点1 1 】：1 功能强大：2 准 确度等级高且稳定；3 启动电流小且误差曲线平整；4 ，通过通信功能易于实现 自动抄表及电能管理。电子式电能表按相数可分为单相电子式电能表、三相电子 式电能表；按功能可分为预付费表、基波表、载波表、多用户表、多功能表等。 一般来讲，从基本机构来看，各种类型的电子式电能表基本上由电源单元、显示 单元、电能测量单元、中央处理单元( 单片机) 、输出及通信单元等6 个部分组 成。 电子式电能表中起关键作用的是电能测量单元，其测量精度直接决定电能表 的精度和准确度。电子式电能表的电能测量单元的核心组成部分是乘法器【l ，2 j 。 乘法器的类型决定了电子式电能表电能测量单元的结构。乘法器大体可分为模拟 乘法器为核心和以数字乘法器为核心两类。模拟乘法器的又分为热电转换型、霍 尔效应型、时分割型等；数字乘法器则包括微处理器为核心的高精度a d 型和d s p 型乘法器。目前的电子式电能表以数字乘法器为主，其中d s p 型电能表具有精度 高，启动电流小，抗干扰能力强的优点，缺点是制造成本高，一般用作高端计量， 而a d 型乘法器电能表则具有成本较低、功能灵活，同时通过软件补偿方式能达 到较高精度的优点。 电子式电能表不仅比传统机械式电能表有更强大的功能和更高的精度和稳 定性，还有一个很重要的优点和应用就是能实现自动抄表( a m r ) ，它是组成 自动抄表系统的重要的不可或缺的计量工具。现阶段国内电能表用的通信协议都 是国标d l l 6 4 5 1 9 9 7 ，随着电能计量管理技术的发展，该协议已越来越表现出它 不符合自动抄表系统发展要求。而前几年国际电工委员会( i e c ) 制定了i e c 6 2 0 5 6 系列标准，即电能计量一用于抄表、费率和负荷控制的数据交换，其中提出 了一种新的电能表通信协议，它支持多种通信介质接入方式，其良好的系统互连 性和互操作性是迄今为止较为完善的电能表通信标准。该标准核心部分是设备语 言报文规范d l m s 和能源计量配套规范c o s e m ，即d l m s c o s e m 。 1 2 国内外电子式电能表的发展现状 慕于m s p 4 3 0 和互操作性协议的 乜能表研究j 设计 从18 8 0 年爱迪生用电解原理制成的直流电能表和18 8 9 年人们根据意大利的 费拉里斯教授提出的感应式电能表原理成功地制造出了交流电能表即感应式电 能表以来逐渐形成了感应式交流电能计量原理，即利用电压与电流线圈将交变的 电压与电流转变成交变的磁通，驱动转动部分( 圆盘) 旋转，记录转动部分所转过 的圈数，将其转换成相应的电能1 3 j 。长久以来，感应式交流电能计量原理和感应 式交流电能表一直作为唯一的电能计量原理和电能计量工具应用在电力部门。 随着电力事业的发展和人们对能源的有效利用使得感应式电能表在使用过 程中暴露出它固有的缺点：功能单一、准确度低、频率适应范围窄等。二十世纪 六十年代，为了扩充电能表的使用功能，出现了感应式脉冲电能表，但并没从根 本上改变感应式电能表的缺点。二十世纪七十年代，研制成功电子式电能表，电 子式电能表利用电子线路把单相或三相交流功率转换成脉冲或其它数字量，然后 通过计度器来实现电能的计量。随着电子技术和计算机技术的发展，目前的电子 式电能表多用数字式乘法器和微处理器来实现电能的计量、存储、显示、通信等。 国际上电子式电能表经过5 0 多年的发展，开始都是基于模拟乘法器原理的， 在历史上曾有过多种原理线路；后来演变为时分割( t i m ed i v i s i o n ) 和霍尔效应 ( h a l le f f e c t ) 两种乘法器。到目前，标准电子式电能表和安装式计费电子式电能 表中较多用时分割乘法器于0 2 级表计，而霍尔乘法器只用于0 5 级及以下安装式 计费电能表。由于数字技术的迅速发展，目前已有趋势全部更新为a d 转换或d s p 数据处理的数字乘法器方法f l 4 1 ，通过全数字式计算机处理方法，这样使电能表 计量部分模块化，并能直接给出所有高精度的测量参数，以及更有利于功能部分 扩展。 世纪之交，为了顺应表计需要灵活、可靠的双向通讯功能和不同制造商生产 表计在电力市场技术支持系统中的兼容性要求，在欧洲著名的表厂创导下成立了 d l m s ( 计量部件描述语言消息规范) 用户协会，d l m s 已构成i e c 有关表计规约标 准的基础，北美也以a n s i 为基础实施标准化【s 】。通过制定具有互操作性的表计 通讯协议- - i e c 6 2 0 5 6 系列标准，欧洲已经局部实现了表计的互连性和互操作性， 极大地促进了自动抄表系统的发展。 我国2 0 世纪7 0 年代开始用电子式标准电能表，首先是采用进口电表，后来到 8 0 - 9 0 年代国内已能商业化生产0 0 5 级电子式标准电能表1 7 1 。从2 0 世纪8 0 年代 开始，我国先后颁布了电度表系列标准，具体有j j g 0 7 19 8 8 交流电能表鉴定规 程、 d l t 6 14 19 9 7 多功能电度表、g b t l52 8 3 19 9 40 5 、1 和2 级交流 有功电度表等。经过几十年的发展，现在我国电能表技术水平在大部分领域已 经达到国外同类产品的先进水平。近年来，研制高准确度、多功能、长寿命且能 实现远程抄表具有互操作性的多功能全电子式电能表是我国的电能计量行业新 的课题。 2 硕十学位论文 当前电子式电能表，由于采用了现代先进的微机软、硬件设计和足够大的内 存容量，从而在功能的构成和扩充方面是十分方便的。电子式电能表的基本功能 有十多种，加上辅助功能，某些型号的电能表功能多达上百种，它们分属用电计 量、监视、控制和管理等领域【4 】。 1 用电计测功能 用电计测功能包括累计表和实时表两种表计功能。累计表计的功能主要有显 示和累计双向供电的有功电能、无功电能和视在电能的消耗量。其它累计表功能 还有累计掉电时间、次数、超功率时间等。实时表计功能可测量和显示工频电能 的所有参数，包括各相电流、相电压及线电压，每一相和三相的有功功率、无功 功率及视在功率，每一相和三相的功率因数，电源频率和时钟等。 2 监视功能 监视功能主要有最大需求量监视、防窃电等。其它功能则有缺相指示、断电、 复电时间记录，以及对预付费电能表在电费将用尽时的报警和电压异常报警等。 3 控制功能 控制功能主要包括时段控制和负荷控制二大功能。前者用于多费率分时计 费；后者则通过接口接收远方控制指令，或通过在电表内进行编程( 考虑时段或 负荷定额) 对负荷进行控制。其它控制功能为预付费电能表在使用到零度的报警 延时、拉闸断电功能。 4 管理功能 电子式电能表的管理功能，包括按时段费率进行计费、预收费、抄表以及 组网管理等功能。费率转换由内部时钟控制或外部触发实现，可按季节、星期、 日或特殊节假日由供电部门设定费率。预收费功能一般采用磁卡、光卡或用电卡 ( 电钥匙) 方式。抄表功能有半自动和全自动方式。半自动抄表需要到各用户装表 处，就地经连接至电表的光藕合器或带有接收和发送二极管的双向红外接口读 数；至于全自动抄表，则在供电部门办公室，利用电缆、电话线、无线电、电力 线载波或光纤等各种通讯手段自动读取、存储远端用户电表数据。在组网管理功 能方面，电子式电能表与远程终端技术相结合，通过上述各种通讯手段，可将系 统的计量信息传送到同一个电力局的不同部门以及其他电力部门，用于系统调度 和电能控制及交换、营业计费等。而这些功能的实现，将对电力部门的综合配电 自动化产生意义深远的影响。 1 3 课题研究来源及本文主要结构 本课题来自长沙威胜电子公司的电能表研发项目。拟利用长沙威胜电子公 司多年来在电能表研发方面的优势结合电能表发展趋势开发一款高精度、多功 能、具有互操作性并且具有市场竞争力的三相多功能电能表。根据市场要求达 基于m s p 4 3 0 和丘操作件协议的i 乜能表研究j 设计 到以下目的：( 1 ) 高精度、长寿命、多费率，多功能；( 2 ) 更合理、有效且灵活 的计量模块；( 3 ) 采用国际通信标准使电能表具有互操作性。本课题将针对以上 要求对现有的电子式电能表进行改进。 本文的主要结构为： 第1 章介绍了本论文的选题背景，电子式多功能电能表的国内外研究概况， 论文研究的意义和内容。 第2 章介绍了电子式电能表的测量原理，介绍了具有互操作性的通信协议一 i e c 6 2 0 5 6 协议。重点分析了电子式电能表有功无功功率的测量原理，有功无功 电量的计量方法，分析了同步算法理论及其改进算法，最后介绍6 2 0 5 6 协议的主 要部分以及如何实现电能表的互操作性。 第3 章进行了多功能电子式电能表的总体方案设计和各单元硬件电路设计。 各单元硬件电路设计按模块包括m s p 4 3 0 单片机作计量的计量单元，瑞萨单片 机管理单元、电源单元、显示单元、通信单元和时钟单元等。本章对各单元电 路进行了设计分析和说明。 第4 章分析了电能表的软件实现方法，包括：( 1 ) 电能表内部双c p u 系统 通信时序和方法设计；( 2 ) m s p 4 3 0 的数据计量软件设计，包括电流分段的自 动判断模块、数据采集模块、数据处理模块等的软件设计；( 3 ) 管理m c u 基 本功能软件设计方法，包括电量累加、存储、分时管理，需量计算方法，遵循 i e c 6 2 0 5 6 协议的电能表模型的构建和通信协议栈的软件实现方法。 第5 章进行了电能表误差分析与电能参数测试。其中误差分析包括硬件电路 引入的误差和软件模型引入的误差。误差测试包括有功无功等的测试结果，最后 进行了电能表可操作性的符合测试介绍。 论文最后对本文的研究成果进行了总结和研究方向的展望。 4 硕 学位论文 第2 章电能测量原理与i e c 6 2 0 5 6 通信协议介绍 电能的测量原理根据感应式和电子式各有不同。感应式交流电能计量原理 是利用电压与电流线圈将交变的电压与电流转变成交变的磁通，驱动转动部分 ( 圆盘) 旋转，记录转动部分所转过的圈数，将其转换成相应的电能。而电子式电 能计量原理则是利用a d 采样使模拟信号数字化后利用计算机原理进行电量测 量和计算的。以下对电子式电能表工作原理进行介绍，并研究a d 采样模块的 同步采样算法原理，分析同步算法理论及其改进算法，最后介绍具有互操作性的 i e c 6 2 0 5 6 通信协议以及如何实现电能表的互操作性。 2 1 电子式电能表的测量与计量原理 交流电信号分正弦交流电( 即周期信号) 和非正弦交流电( 即带有谐波信 号) 两种，其中非正弦交流电信号分析方法以正弦交流电分析方法为基础，以下 主要分析正弦交流电信号的电子式电能表测量与计量原理。 2 1 1 电压电流有效值的测量 根据电工原理，周期性变化的电压、电流信号的有效值为【5 7 】： u = i = ( 2 1 ) ( 2 2 ) 式中丁为信号周期。 式( 2 1 ) 、( 2 2 ) 离散化得： 1 函一 肚专荟u 2 。) ( 2 3 ) 广：- = 一 ，2 、丙1 刍v - - i i 2 ( 玎)( 2 4 ) 式中u ( n ) 和f ( 玎) 分别为被测电压、电流信号经采样保持、模数转换后的离散序列。 为一个工频周期内的采样点数。 2 1 2 有功电能的计量 设在，时刻负载两端的交流电压和流过负载的交流电流的表达式为： 扰( ，) = u m s i n c o t = 2 u s i n c o t( 2 5 ) 摹于m s p 4 3 0 和互操作件协议的i 乜能表研究j 设计 f ( f ) = ，m s i n ( 耐一缈) = 2 i s i n ( o t 一缈)( 2 6 ) 其中u ( t ) 一f 时刻电压瞬时值；砸) 一f 时刻电流瞬时值；撕一电压峰值；i m 一 电流峰值；u 一电压有效值；i 一电流有效值；缈一电压与电流相位差；缈一角 频率。 则在一个周期内平均有功功率p 为0 , 4 1 1r p = 亭p ( f ) 砸) d r 0 17 = 亭弘s i n c o t i m s i n ( o t e ) d t 0 ，r = 亭p 【c 。s 缈一c o s ( 2 a ) t 一缈) 协 0 = u l c o s q ， ( 2 7 ) 一个周期内的电能形为 w = i u ( t ) i ( t ) d t = t u i c o s ( p ( 2 8 ) 5 电子式电能表中起主要作用的是电能测量单元，其作用是将输入电压与电流 变换成与功率成一定比例关系的脉冲信号，送至分频和计数。它是电子式电能表 的关键，其测量精度直接决定电能表的精度和准确度。电子式电能表的电能测量 单元种类繁多，其中乘法器是该单元的核心组成部分。乘法器的类型决定了电子 式电能表电能测量单元的结构。乘法器大体可分为模拟乘法器和以数字乘法器两 类，模拟乘法器的又分为热电转换型、霍尔效应型和时分割型等；数字乘法器则 包括以微处理器为核心的高精度a d 型和d s p 型乘法器。不管哪种乘法器，都是 以式( 2 8 ) 为理论基础形成的。初期的电子式电能表以时分割型为主的较多，目前 的电子式电能表则以数字乘法器为主。 当用计算机处理时，需要将连续量离散化，用和式代替积分。若以么f 的时间 间隔对电压和电流进行采样，用表示每周期采样的次数( 即t = n * a t ) ，则有功 电量公式可以表示为： w 兰“( 七) 宰f ( 后) ( 2 9 ) k = l 式中u ( k ) 、i ( k ) 分别代表电压、电流的第k 次采样值，为采样总点数，计算机 软件就可按公式( 2 9 ) 计算出被测的有功能量。彳，取得越小，则计算结果越准 确。 对三相计量来说，三相有功功率或者三相负载吸收的平均功率都等于它们 各相的平均功率之和，即： 6 硕l ：学位论文 p = 只+ 只+ 足= u i c o s 九+ u i c o s 九+ u c o s 丸 ( 2 10 ) 2 1 3 无功电能的计量 电力系统运行时，电网需要提供两部分电能：用于单向转换成其它能量的有 功电能和用于电磁能交换的无功电能。无功的传输将直接降低发电机出力和变压 器、线路的有功传送能力，并增加线路、变压器损耗，降低电压等，无功还带来 了一系列新技术问题，例如无功静态稳定，无功功率动态平衡等，无功的不足和 过大都会引起电网电压的下降和上升，极端情况可能引起电压崩溃，给电网带来 严重的后果，因此必须对电网进行无功的测量和分析。 单相正弦电路的无功功率的定义式为【5 j ： q = u l s i n ( 2 1 1 ) 其中u 、，分别为电压、电流有效值，矽在物理上体现为正弦的电压波形与电流 波形之间的相位差。 三相无功功率定义为各相无功功率之代数和，可表示为： q = q o + q + q( 2 1 2 ) 无功功率描述的是电路电压、电流由于相位不一致而引起的电磁功率交换。 无功功率对时间积分就是无功电量。电子式电能表常用的无功功率测量方法有： 1 功率三角形法 功率三角形法又称间接测量法，它根据有功功率尸、视在功率s 和无功功率 q 的关系计算无功功率。间接测量法直接利用了无功功率的性质求得无功，属于 真无功测量。间接测量法需要首先对电压电流信号进行a d 采样得到离散电压电 流序列求得电压有效值队电流有效值i 并- 1 1 有功功率p ，于是有： 广 q = 、s 2 一p 2 ( 2 1 3 ) 该方法的优点是通过间接测量，简化对测量设备的要求，而且还能利用式 ( 2 1 3 ) 粗略的估算谐波无功功率，但它的一个重要缺点是失去了无功功率象限 信号，欲知象限功率需要再借助其他方法。 2 移相法 移相法又称基波移相法，它属于真无功测量法。移相法的基本原理是将电路 电压移相9 0 0 ( 电压滞后9 0 0 ) 与电流相乘直接测量出无功功率，计算公式如下式 所示： q = u s i n 矽= u c o s ( 矽一9 0 。) ( 2 1 4 ) 移相法也称时延法，因为移相的本质是对正弦电压进行4 丁时延。移相法根 据所依托的移相器、乘法器是模拟式还是数字式可以分为模拟移相和数字移相两 7 幕于m s p 4 3 0 和互操作性协议的i 乜能表研究j 设计 种方法。模拟移相法是在电压通道引入截止频率( 一般选择3 d b 截止频率) 小于 所需移相基频的单极点r c 低通滤波器来实现移相9 0 0 。模拟移相法的运算元件采 用模拟乘法器；数字移相法的基本原理是在同步采样的基础上，对模拟信号进行 采样，得到离散序列n ，然后进行平移n 4 点，从而实现移相9 0 0 。数字移相法的运算 元件可以采用通用数字乘法器、微处理器或专用计量芯片，数字移相法的计算原 理为： q 2 去i 善甜( 即) f ( 疗+ 詈) ( 2 1 5 ) 基波移相法的特点是在基波下能准确测量而在有谐波的情况下会有误差。 3 信号变换法 非正弦无功电能计量涉及到高次谐波检测或者移相，一些对正弦无功电能计 量行之有效的方法如移相法并不适用非正弦无功电能计量，非正弦无功电能计 量主要为变换法，如傅里叶变换、希尔伯特变换、小波变换等，其次为人工智能 法，如神经网络法。变换法都是通过数字信号处理技术求出各次频率的电压、电 流、相位差，然后利用q = u l s i n 缈求出无功功率，其中h i l b e r t ( 希尔伯特) 法和 傅罩叶变换法在实际中运用比较多1 1 1 。 希尔伯特变换是利用其能同时对电压或电流的各次谐波进行9 0 0 移相的系统 函数特性进行无功功率测量的，它对电压u ( 刀) 离散序列进行希尔伯特变换，用 软件构成广义9 0 0 移相器，得到新的电压序列v ( n ) 即u ( 甩) 坐! 与v ( n ) ，理论上只 要把电流与经希尔伯特变换的电压相乘即可，它的优点是理论上基本没有误差， 缺点是希尔伯特变换滤波器设计较困难，冲击响应收敛较慢，适用于要求较高的 实时系统f 8 ，1 。 傅里叶变换法是首先对电压电流信号进行a d 采样得到离散电压、电流序 列，采样频率是信号基波周期的整数倍，一般由微处理器( m c u ) 的软件定时器 完成，然后利用傅里叶变换法分别对电压、电流序列进行计算求出各次谐波电压、 电流的幅值和相角；再求出各相无功功率，最后对无功功率进行累加得到无功电 能。非正弦无功电能计量的信息处理量大，实际应用中主要采用数字处理技术， 女h d s p 、m c u 等。 2 1 4 最大需量的计算 最大需量定义为一个月内平均3 0 分钟或15 分钟内消耗的功率的最大值 【1 ，4 1 。计量最大需量是为了调节用电负荷，作到负荷平衡，有利于提高电网设备 利用率。 8 硕一i ：学位论文 f 2 p d t p 麟2 音 q _ 6 ) 其中f 2 、t l 为时刻，f 2 、t i 的差等于15 或3 0 分钟。 在一段时间f 2 - 内，记录下的最大值和发生的时刻。一般情况下，2 、采 用滑差方式，每过一分钟r l 、t 2 增加，但f 2 一，i 的差值保持不变，固定为15 或3 0 分 钟。 2 2 同步采样算法原理 基于采样计算的电能测量技术是随着计算机技术发展起来的，它是建立在数 值分析基础上，通过快速放大器和转换器对连续变化的模拟信号进行离散化，用 数字量运算代替模拟量运算测量交流电参量的新方法。经过二十多年的探索发展 和深入研究，出现了同步采样算法、准同步采样算法、非同步采样算法、窗函数 法、补偿法、双速率采样法、非均匀采样法、随机采样法、模拟数字混合采样法、 小波函数法等等【4 】。这些采样测量方法在实践中，有的发展得较为完善成熟，有 的正处在发展和探索阶段。同步采样算法在这些算法中应用最广泛，它具有原理 简单，易于实现，方法成熟的优点，是目前使用最为普遍的一种采样测量算法。 特别适用于纯正弦信号的测量。 2 2 1 同步采样算法 同步采样包括硬件同步采样法和软件同步采样法。硬件同步采样常采用锁相 环来构成频率跟踪电路实现同步等间隔采样【l2 1 。目前，国内已经制造出基于数 字锁相环路原理的同步采样脉冲发生装置，它能自动跟踪信号基频变化，产生新 的同步于基频的脉冲，较好地减小泄漏产生的误差。但由于硬件同步采样与软件 同步采样相比成本相对较高、时序复杂，因此，软件同步采样技术得到了更为广 泛的应用【1 2 j 。 普通的软件同步采样方法是，首先测量交流信号周期，用该周期除以一周期 内采样点数，得到采样间隔，并确定定时器的计数值，用定时中断方法实现同步 采样。由于采样间隔由微机定时器限制，受其时钟周期( 取决于晶振频率) 的限制， 定时器给出的采样间隔与理论值相比存在着截断误差，该误差累积必然引起周期 误差和方法误差。因此，严格的说，这种方法只有在信号的个别频率点处( 截断 误差为零) 时才是同步采样，在其他情况下，仍是准同步采样。由于本电能表主 要是对电能信号的基波有无功功率进行测量，因此用同步采样算法比较合适，再 利用改进算法就能在一定程度上解决同步误差问题。 2 2 2 软件同步采样改进算法 9 某于m s p 4 3 0 和吒操作性协议的电能表研究j 设计 目前，有两种改进的软件同步采样实现方法可以在一定程度上解决上述问 题【4 , 1 2 】。 1 偏差累积增量法 对周期为r 的被测信号采样等间隔采样点，由定时器控制采样间隔疋，存 在着截断误差万，显然小于最小定时周期z ，这样在一个周期内引起的周期误差 为： t = t n 瓦= n 万 n z ( 2 1 7 ) 可见常规软件同步采样实现方法的最大周期误差为n z ，在高精度测量场合， 尤其是在谐波测量时，常取得较大，这时采样时间偏离预定采样点的程度会不 断加剧，从而使有关计算( 如f f t ) 产生不能容忍的周期误差。 偏差累积增量法设置累加器s u m 对采样时间进行修正，消除误差累积效应。 对于第0 次采样，s u m 的初值为a t o ，第i 次采样时s u m 的值为z = z 一，+ 万。在 每次采样前考察s u m 的值。若s u m z ，则此次采样定时器的计数值不变；否 则，计数值为原计数值加上z ，并对s u m 减z 。继续上述过程直至一个采样周期 完成，这样，偏差不产生累积，从而保证在一个采样周期内引入的最大周期误差 a t z 。 2 双速率同步采样法 在同步采样方法中，r n 互，令m = 肼t ( a r z ) ，把丁分为m 份，每份 为巧。由于m n ，即在n 点采样时前m 点用i + z 作为采样间隔，后一m 用z 作 为采样间隔，由于采用两种不同的采样间隔，这种方法就称为双速率同步采样法。 这时总采样时间变为： t 7 = m 宰( t + t s ) + ( 一m ) 木c = 宰e + m 宰正= 木c + i n t ( a t t ，) * z ( 2 1 8 ) 由此得到( t - t 7 ) z = a t z i n t ( a t t t ) = z 时，他定时值加1 ，剩余值参与下次累加， 注意每次t b 定时值的改变都是在原来初始值的基础上。各相循环采得8 9 个点后， 把t b 的定时功能关掉，程序进入数据处理模块。 4 2 4 数据处理程序设计 电网中三相电流、电压的频率基本在5 0 h z 左右，一个周期近似为2 0 m s ( 对 应角度3 6 0 0 ) ，则lm s 对应角度为18o ，l l x s 对应的角度为o 0 18o ，若采用4 0 点采样， 即每隔o 5 m s ( 工频9o ) 对各相电流和电压同时采样一次。m s p 4 3 0 f 2 3 5 内部的 a d c 采样速率可2 0 0 k p s ，即每隔0 5 p , s 可采样一次。为减小各路之间的采样影响， 设置采样转换时间为4 1 x s 。虽然a d c 的内部只有一个采样保持器，各路之间产生 延时，但由于下面将要对采样值进行软件补偿，此误差在允许范围内。由于互感 器以及采样转换时间的影响，使采得的各路的电流、电压信号并不严格同步，有 一定的角差艿，为满足一定的精度要求，需要在采得数据后对各相电流数据进行 相位补偿，由于功率角差和比差与电流有一定关系，所以只补偿电流即可【4 1 。假 设工频为5 0 h z ，某一相的电流有效值为，则： 6 = k d i + b d ( 4 3 、) 其中和是与频率和，有关的常数，可根据经验计算得到。进行补偿时 假设采的前一个点为，后一个点为厶，将要补偿得到的点为，7 ，和厶的时间 间隔为a t ，1 7 和厶的时间间隔为万，所以有 生丛：! 二互 ( 4 4 ) ff 一万 可得到 ，：厶一垒变! 生二互! ：l 一鱼! 生二互2( 4 5 ) a t 。 j h1 a t 若取万的单位为度，则 ，：l 一鱼! 生二尘( 4 6 ) 3 6 0 依此方法对各相电流除第一点外的其他各点进行补偿。 根据第2 章的分析公式计算可得到从、蹦、尉、刚、佃、阳、 尸b 、q b 、 i c 、 v c 、p c 、o c 。由于4 3 0 单片机自带了乘法器，因此进行数据运算的速度较 快，能满足要求。以下选择有功和无功功率和电能作为例子来分析。 各相的有功功率为： p = 夏1 善3 3 ( 一融形一_ ) ( 4 7 ) 硕 ：学位论文 各相的无功功率为： q = 去( 如一7 ) ( k 一矿) ( 4 8 ) j 二t = 2 式中，和y 为电流和电压的直流分量。 三相的有功电能为： 三相的无功电能为： 3 = ( 只+ 昂+ 尼) 死 毒l 3 ( 4 9 ) = ( q + q + q ) l ( 4 1 0 ) j = l 其中l = 2 0 m s ，为定时器t a 的定时中断时间，即2 0 m s 累加一次电能。 在实际的软件设计中，考虑到电流的有效值相当于一个平均效果，与相位延 迟的关系不大，而功率的计算则要求电压和电流之间有较严格的相位同步关系， 所以为了方便，电流有效值计算时采用的是补偿前的值，而功率计算采用的是电 流补偿后的值。计算时，电压比差k v 和电流比差k i ，功率的比差s = k + 噩和角i 差万= k d ，+ 既都要参与运算。 4 3 管理m c u 功能软件的设计 多功能电能表功能复杂，整个程序规模较大，如果组织不合理，将会带来程 序的调试困难及运行的不可靠性，因此本设计的多功能电能表采用模块化设计， 使整个程序结构清晰明了，既增加程序的可调试性和可维护性，又增加程序运行 的可靠性。每个模块参考了面向对象的设计思想，对每个功能模块抽象化，模块 接口规范化，以便于程序的移植和二次开发。尽可能的减少全局变量的使用，模 块的接口采用函数调用，通过函数的参数传递数据。 4 3 1 任务时间分配管理 电表的主程序一般都设计为一个死循环，程序将在这个死循环中循环运行直 到掉电或复位。而系统初始化、通讯处理、异常检测处理、电量积加、校表处理、 时段投切、需量计量等功能的调用时间要求各有所不同。基本上可以分为以下几 种： 复位以后调用一次。 循环调用但是要求有时间间隔要求。 循环调用但是无时间间隔要求。 程序设计为对于复位以后只调用一次的模块放在进入循环以前调用。对于循 环以内的程序调用按时间分为三种方式，循环一次调用一次、每秒调用一次、每 分钟调用一次。同时为了避免每分钟执行的任务与每秒钟执行的任务在时间上产 生冲突，避免响应不及时的问题，设计时把每秒处理任务放在每秒的后5 0 0 m s 内执行，每分钟处理任务在整分第1 秒的前5 0 0 m s 内执行，这样就能提高任务 3 5 基于m s p 4 3 0 和互操作件协议的电能表研究i j 设计 响应的及时性。 4 3 2 上电初始化模块 上电初始化模块要完成得初始化可分为c p u 内部资源初始化、外围器件模 块初始化和上电时的数据读取和参数设置初始化。c p u 内部资源初始化主要功 能是完成堆栈和系统寄存器初始化，看门狗初始化，定时器初始化，串口( u a r t ) 初始化，r a m 初始化，中断初始化等；外围器件模块初始化则包括i o 口初始 化，存储卡初始化，时钟模块初始化，显示模块处时化，通信模块初始化等；上 电时的数据读取和参数设置初始化包括读存储卡电量和参数到r a m ，读时钟时 间、