多功能网络电力仪表详细设计说明书

WQL-242

多功能网络电力仪表

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对^WQL-242多功能网络电力仪表详细设计说明书Y1.00》的评审意见:

1、部分章节格式不正确

2、复用的模块，应注明复用组件名称

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编号版本修改内容修改人修改日期

10.10创建初稿2009-12-23

20.20内部评审2009-12-24

31.00发布2009-12-25

目录

1弓I言.......................................................................................1

1.1编写目的..............................................................................1

1.2背景..................................................................................1

1.3定义..................................................................................1

1.4参考资料..............................................................................1

2系统设计总体说明...........................................................................2

2.1系统结构..............................................................................2

2.1.1硬件结构........................................................................2

2.1.2软件结构.......................................................................2

2.2软件运行平台.........................................................................3

3模块详细设计...............................................................................4

3.1实时测量模块.........................................................................4

3.1.1功能描述.......................................................................4

3.1.2性能要求.......................................................................7

3.1.3接口定义.......................................................................7

3.1.4程序流程.......................................................................7

3.1.6测试要点.......................................................................8

3.2电能计量模块.........................................................................8

3.2.1功能描述........................................................................8

3.2.2性能要求.......................................................................10

3.2.3接口定义......................................................................10

3.2.4程序流程.......................................................................10

3.2.5测试要点.......................................................................10

3.3输入输出模块........................................................................10

3.3.1功能描述.......................................................................10

3.3.2性能要求.......................................................................13

3.3.3接口定义.......................................................................13

3.3.4程序流程........................................................................14

3.3.5测试要点........................................................................16

3.4需量统计模块.........................................................................16

3.4.1功能描述.......................................................................16

3.4.2性能要求........................................................................17

3.4.3接口定义........................................................................17

3.4.4程序流程........................................................................17

3.4.5测试要点.......................................................................17

3.5电能质量分析模块.....................................................................17

3.5.1功能描述.......................................................................17

3.5.2性能要求......................................................................20

3.5.3接口定义.......................................................................20

3.5.4程序流程.......................................................................20

3.5.5测试要点.......................................................................20

3.6越限保护模块.........................................................................20

3.6.1功能描述.......................................................................20

3.6.2性能要求.......................................................................21

3.6.3接口定义........................................................................21

3.6.4程序流程........................................................................21

3.6.5测试要点........................................................................21

3.7数据记录模块.........................................................................21

3.7.1功能描述........................................................................21

3.7.2性能要求........................................................................21

3.7.3接口定义........................................................................21

3.7.4程序流程........................................................................22

3.7.5测试要点........................................................................22

3.8通讯模块.............................................................................22

3.8.1功能描述.......................................................................22

3.8.2性能要求........................................................................22

3.8.3接口定义........................................................................22

3.8.4程序流程........................................................................23

3.8.5测试要点.......................................................................24

3.9界面设计.............................................................................24

3.10接口...............................................................................25

3.10.1外部接口....................................................................25

3.10.2内部接口....................................................................27

WQL-242多功能网络电力仪表详细设计说明书

1引言

1.1编写目的

本文档是根据WQL-242多功能网络电力仪表概要设计说明书而编制的，旨在确定WQL-242多功能网

络电力仪表的详细设计说明。通过本详细设计说明书，可以了解到WQL-242多功能网络电力仪表各个模块

的详细设计说明。

本文档的阅读阅读对象是：项目组成员，评审人员。

1.2背景

WQL-242多功能网络电力仪表是在WQL-237网络电力仪表的基础上进行研发，主要增加电能质量

分析功能。系统软硬件结构，均参照WQL-237网络电力仪表。

待开发的软件系统的名称：WQL-242多功能网络电力仪表。

1.3定义

无

1.4参考资料

编号资料名称说明

1WQI.-242需求规格说明书

2WQI-242概要设计说明书

i

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2系统设计总体说明

2.1系统结构

2.1.1硬件结构

硬件系统由四块PCB板组成，显示面板由一块自带段式液晶控制器的电路板及液晶、按键组成；主机

部分由最小系统部分和外围接口部分组成，最小系统部分包含DSP、晶振、铁电存储器（包括看门狗、电

压失效监测、铁电存储器三部分）组成，外围接口部分则由开入、开出、电压电流采集、系统电源、通讯

等几部分组成。

线一步输入

IA.IB.IC

UA.UB、UC

RS485通讯、—■>显示输出

_________DSP最小系统

DI&DOf|按键输入

电源

图2-1硬件系统框图

2.1.2软件结构

软件设计按照模块化的思想，各功能模块按照要求分配到各中断或任务中执行。

>定时器1周期中断：为程序最高优先级中断，负责完成AD采样数据的转存，内部任务的处理.、

AD采样的同步、外部任务的调度等；

>RS485接收中断：负责接收RS485数据并转存至接收数据缓冲区；

>RS485发送中断：负责将RS485发送缓冲区的数据发送至总线；

>外部测量任务task。：完成采样数据的处理，电流、电压、功率、频率、功率因数、电度、电压电

流相角、需用值、统计值等的计算；电能质量分析的计算。

>外部越限任务taskOI：包含8级越限任务、最大最小值统计任务和继电器出口的刷新；

>外部通讯任务task2：完成RS485协议的处理，包括侦数据的完整性检测，待发数据的准备和发

送；

>外部显示任务task3：配合按键完成HM1的显示；

>铁电处理任务main：为整个任务中的最低优先级任务，完成看门狗的复位、铁电数据的写入和读

2

WQL-242多功能网络电力仪表详细设计说明书

出。

优先级降低

外

外

外

外

定

铁

部

部

部

部

时

RSRS电

越

通

显

测

器

4848处

55限

讯

示

量

1理

接

发

任

任

任

任

周

任

收

送

务

务

务

务

期

务

中

中

中

断

断tatatata

断soksks2ks3kma.

olin

图2-2中断和任务优先级

2.2软件运行平台

CPU：TMS320F2808

FLASH：128k

SRAM：36k

操作系统:无

3

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3模块详细设计

WQL-242多功能网络电力仪表，功能实现方式分为复用、部分复用、设计开发。各功能模块的实现方

式如下表所示。

模块名称实现方式复用组件名称

实时测量复用

电能计量部分复用实时电能计量

输入输出部分复用开关量输入

需量统计设计开发

电能质量分析设计开发

越限保护部分复用越限事件记录

数据记录设计开发

通讯模块部分复用遥测、遥控

界面设计设计开发

3.1实时测量模块

3.1.1功能描述

(1)电压测量

外部输入电压，经过电阻分压后，再经过运放电路，送入CPU内部的ADC管脚。由CPU控制ADC

对电压信号进行实时采样，得到采样点。利用实时采样点，以真有效值的方法计算电压。

RRIRR2RR3

150k150k150k

BR4BR5BR6

UA150k150k150k

LB

UCBR7BR8BR9

150k150k150k

【A

IB*

示---------------------1BRIOBRIIBRI2

图3-1分压电路

4

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图3-2电压测量运放电路

(2)电流测量

外部输入电流，经过CT隔离转换后，串接一采样电阻，得到电压信号。再经过运放电路，送入CPU

内部的ADC管脚。由CPU控制ADC对电压信号进行实时采样，得到采样点。利用实时采样点，以真有

效值的方法计算电流。

5

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(3)相位与序分量测量

根据电流电压基波的实部和虚部，采用查表的方法计算电流电压的相位，其中以A相电压为基准角。

得到相位以后，即可根据序分量的分解和计算方法，计算出序分量.

(4)功率与功率因素测量

用电压和电流的实时采样点，采用其有效值算法，计算有功功率。视在功率采用电压和电流的代数乘

积，而无功功率则采用视在功率和有功功率平方差再开平方的方法计算得到的。有功功率除以实在功率,

即可得到功率因素。

(5)频率测量

A相电压的波形经比较整形后送入DSP的外部中断引脚，采用捕获的方法计算两次中断的间隔时间,

并把时间转化成电压的频率。

图3-5频率测量回路

(6)负载性质测量

通过判定有功功率和无功功率的符号，即可判定电压和电流的夹角在哪•个象限，从而可以判定负载

性质。

6

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有

功

功

率

输

入

3.1.2性能要求

⑴精度

参数精度分辨率范围显示一次值

电压0.2%0.0IV0〜120%Un<=500kV

电流0.2%0.001A。〜l.2In<=50kA

有功功率0.5%0.1W0〜9999.9W<=1500M

无功功率0.5%O.lvar0-9999.9var<=1500M

视在功率0.5%0.1VA0〜9999.9VA<=1500M

功率因数0.5%0.0001-1.0000~1.0000-

频率0.01Hz0.01Hz45〜65Hz-

电流电压3。3°0。〜360。-

相位

(2)时间特性

所有实时量，必需在1s内刷新一次。

3.1.3接口定义

实时测量模块的测量值保存在定义好的结构体里，是以全局变量的类型定义的，便「其他模块直接引

用。

3.1.4程序流程

本模块采用直线型流程，逻辑结构简单。

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>所有测量值的线性度、精度、边界值必需达到预定指标。

>所有测量值的刷新时间，必需达到预定指标。

3.2电能计量模块

3.2.1功能描述

(1)电能计量

>有功电度

有功电度是有功功率对于时间的积分，以kWh为单位。由于功率是有方向的，正值时消耗能量，负

值时释放能量。所以有功电度也存在消耗性有功电度(Ep_imp)和释放性有功电度(Ep_exp),同时我们

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还定义消耗有功电度与发出有功电度的绝对值之和叫作绝对值和有功电度（Ep_to（al）；而两者绝对值之差

为净有功电度（Ep_net）。电度后计算时考虑频差带来的影响，以DSP的时钟为基准进行补偿。

>无功电度

同有功电度类似，无功电度是无功功率对于时间的积分，以kvarh为单位。由于无功功率也是有方向

的，正值时无功功率由电源流向负载（感性），负值时由负载（容性）馈回电源。所以无功电度也存在正

负方向，也可称为感性无功电度（Eq_imp）和容性无功电度（Eq_exp）,同时我们还定义这两种无功电度

量的绝对值之和叫作绝对值和无功电度（Eq_lotal）；而两者绝对值之差为净无功电度（Eq_net）。

>视在电度

视在电度是视在功率对于时间的积分，没有消耗性和群放性的区别。

（2）抄表功能

WQL-242具有定时自动抄表功能，能自动记录本月累计电能量数据。自动备份上月电能数据。累计自

上一次清零以来的电能量，具备多种清零方式。

（3）分时计费

仪表支持分时计费功能，8个时段，4种费率可设定。在系统参数设置中，用户可以最多可定义8个

时段，每个时段费率可设定为尖（sharp）、峰（peak）、平（normal）、谷（valley）中的一种。每一个时段

均可选择使能或不使能。需要注意的是，时段设置时，所有使能的时段表相加应该涵盖一天中的24小时。

仪表会对分时计费参数设定做出判断，如设定的参数有误，会给出告警信息,将开关审中的“自检信息-TOU

时间设置”位置1。当分时计费设定好后，并且分时计费使能时，仪表在统计电度时，既统计上一节所述的

实时电度，同时统计分时电度。程序计算电度每周波执行一次，每次计算当前周波的电度增量，累加到实

时电度中，同时，根据系统时间和时段表的费率设定，将当前周波的电度增量，累加到相应的分时计费电

度值中（当月TOU与TOU累计）。当月TOU包含表3-2与表3-3所示电度值；TOU累计包含的电度值与

当月TOU类似，不同的是，TOU累计指示的是自系统运行起（或上次清零后）总的TOU电度值。该TOU

累计值可以手动清零，或者设定为定时清零，在用户设定的时刻自动清零。

（4）分时计费抄表

分时计费抄表，主要包括当月TOU冻结，TOU累计冻结，并能自动保存上月TOUoTOU当月计算

模式可以设定为月末计算或者定时计算。当系统运行到设定的TOU冻结时刻时（月末或是用户设定的时

刻），仪表会将实时的TOU电度值备份下来，即为当月TOU冻结；同时将实时的TOU累计电度值备份为

TOU累计冻结。当新的一月开始时，仪表会将实时的TOU备份为上月TOU,同时将实时TOU清零，重

新开始累计。

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3.2.2性能要求

⑴精度

参数精度分辨率范围显示一次值

有功电度0.5%0.0IWh-0〜lOMWh

无功电度0.5%O.OlVarh-0〜

lOMvarh

视在电度0.5%0.0IVA-0〜10MVA

(2)时间特性

所有的电度量应1s内计算一次，且不能发生漏计算。

3.2.3接口定义

电能计量模块的电度值保存在定义好的结构体里，是以全局变量的类型定义的，便于其他模块直接引

用。

电度值需要在铁电中进行备份。进行电度值备份时，直接调用铁电模块提供的数据存储函数即可。

3.2.4程序流程

本模块采用直线型流程，逻辑结构简单。

3.2.5测试要点

>电度的精度需满足预定指标。

>所有电度数据需要掉电不易失。

>当电度计量到最大值时，应能自动翻转后继续累计。

3.3输入输出模块

3.3.1功能描述

(1)开关量输入

2路遥信状态采集功能，并可通过扩展板扩展4路开关量输入。支持延时滤波功能，延时时间可设置

为0~50000mS。支持遥信变位事件记录，与系统事件记录共享32个存储空间，掉电不丢失记录。支持遥

信变位告警功能。该告警功能是通过越限告警来实现的。可以将任一不等式的越限对象选择配置为某一路

开入量状态v需要注意的是，此时不等式条件必须设置为心”；且门限值只可以设置为“0”或力。

开入量输入电平支持DC/ACI10V,并兼容DC/AC220V。通过更改限流电阻，可支持DC24V电平标

准。由于未添加整流电路，判断交流输入信号有效时，采用的是判断采样点有效的方式，需参照《开入量

分析报告》。

⑵继电器输出

2路继电器输出，并可通过扩展板扩展2路继电器输出。具有“电平”和“脉冲”两种输出方式可供选择,

可通过软件配置.为：告警电平、告警脉冲、遥控电平、遥控脉冲、脉冲电度输出总共五种功能。扩展

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板继电器无脉冲电度输出功能。

①告警电平：

该功能需配合越限告警功能来使用。当越限不等式成立，并使能了继电器出口，且对应的继电器

工作模式配置为“告警电平''时，继电器会闭合。需要注意的是，当越限不等式不成立时，该告警电平

并不会自动撤销。若要撤销该告警电平，需要手动复归越限不等式。

②告警脉冲：

告警脉冲与告警电平类似，只是输出的告警信号是以脉冲形式输出的。当越限不等式不成立时，

该告警信号也会相应停止。脉冲宽度可以设置1-50以内的整数，单位为20mSoWQL-230支持的两

个脉冲之间的最小间隔是20mSo

③遥控电平：

可以通过通讯方式，遥控分合继电器。

④遥控脉冲：

可以通过通讯方式，遥控继电器输出一个脉冲信号，脉冲宽度可设置。

⑤脉冲电度输出：

两路继电器输出亦可用来作为脉冲输出电度输出，但此时RO1,RO2不能再用作报警输出或遥控

输出。所需要输出的电度量（各种不同性质的有功电度或无功电度）可以被选择设定，脉冲常数和脉

冲宽度也可设定。脉冲常数指每个脉冲所代表的电度数，脉冲宽度表示每个脉冲的逻辑T”所维持的时

间。当选择输出的电度量累计增加达到脉冲常数指定的电度数值时，在RO口上便输出1个设定脉冲宽

度的脉冲。

脉冲常数”可设定为1〜6000内的整数，单位为O.lKwh（Kvarh）,此数值实际上也就是脉冲电度

量输出的最小分辨率。”脓冲宽度设定”可设定为1〜5（）内的整数，单位为20ms。WQL-230规定两个脉

冲之间的最小间隔时间为20ms。

着脉冲宽度设为最小20ms,则在1秒钟之内，WQL-236的ROII可输出最多脉冲数为25个。着脉冲

宽度设为最小80ms,则在1秒钟之内，WQL-236的RO口可输出最多脉冲数为10个。在实际应用中“脉

冲宽度”与“脉冲常数”的设定要根据系统的实际功率来选择。只有满足下式才能保证不丢失脉冲。

（脉冲高电平宽度设定值+1）xPmax

脉冲吊数--------------18000---------------------

式中Pmax指一相最大功率（有功功率或无功功率），单位：KW或Kvar。

建议：脉冲常数的取信为等式右边数俏的3〜5倍。

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需要注意的是，脉冲电度只输出电度增量。当选择某一项电度值作为脉冲电度输出时，脉冲电度

会初始化，该项电度的先前累积值，并不会作为脉冲输出。当继电器的工作模式，或是所选择的脉冲

输出对象更改时，都会作类似的初始化。

⑶模拟量输出

可以通过扩展板扩展2路模拟量输出，输出形式为4-20mA电流输出，或0-5V电压输出。AO的变送对象

可以在电压、电流、有功功率、无功功率、视在功率等电力变量中选取，对应关系如表3-3所示。可以将模

拟量输出的变送对象设置为“0”，关闭模拟量输出功能。

设置值变送对象设置值变送对象

1UA电压（次级）13A相有功（次级）

2UB电压（次级）14B相有功（次级）

3UC电压（次级）15C相有功（次级）

4相平均电压（次级）16有功功率（次级）

5UAB电压（次级）17A相无功（次级）

6UBC电压（次级）18B相无功（次级）

7UCA电压（次级）19C相无功（次级）

8线平均电压（次级）20无功功率（次级）

9A相电流（次级）21A相视在功率（次级）

10B相电流（次级）22B相视在功率（次级）

11C相电流（次级）23C相视在功率（次级）

12相电流平均值（次级）24视在功率（次级）

表3-3模拟量变送对象选择

在4…20mA电流输出方式下,各个变量的输出公式表达如下（Io单位：mA）；

电压U,输出电流Io=¥~x=x（20-4）+4

PT2放大系数'）

电流L输出电流1。=若x悬为x（2。-4）+4

功率P（或Q）,输出电流1。=02（或02）+—2'52.x（20—4）+4

2PT2xCT2放大系数'7

S21（）

功率S,输出电流Io=———X—x（20-4）+4

PT2xCT2放大系数'7

在0〜5V电压输出方式下，各个变量的输出公式表达如下（Uo单位：V）：

电压U,输出电流Uo=U^xx5

PT2放大系数

1210

电流I,输出电流Uo=------X---------------x5

CT2放大系数

P2（或Q2）+PT2xCT210

功率P（或Q）,输出电流Uo=x5

2PT2xCT2放大系数

12

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S210

功率S,输出电流Uo=----------------x---------x--5----

PT2xCT2放大系数

增加放大倍数这一参数，是为了方便用户合理调节输出量程。由于P和Q是有符号数，存在正负值，故

做了特殊处理。

3.3.2性能要求

(1)开关量输入

>光电耦合器隔离输入

>输入形式有源接点输入

>额定电压AC/DC/100V/220V

>隔离电压4000Vacrms

>分辨率小于2ms

(2)继电器输出

>继电器干接点输出

>输出形式机械式触点

>最大开关电压250VAC/DC

>出口接点接通不大于5A(不允许断弧)

>信号接点接通不大于1A

>信号接点断开不大于30W(-5ms),不大于1A

(3)模拟量输出

>输出范围：4〜20mA

>最大负载电阻：400。

333接口定义

开关量输入、继电器输出，与CPU通过GPIO连接。模拟量输出模块与CPU采用HC接口连接。

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3.3.4程序流程

图3-8开关量输入流程

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图3-9继电器输出流程

WQL-242多功能网络电力仪表详细设计说明书

图3-10模拟量输出流程

3.3.5测试要点

>开关量输入的分辨率需要达到预定的指标。

>继电器输出各种模式均能正常工作，并在相互切换的过程中不会出错。

>模拟量输出精度需要达到预定的指标，带负载能力也需达到预定的指标。

>重复分合外部开入量状态，每一次变位事件均需被正确记录。

3.4需量统计模块

3.4.1功能描述

装置支持用户选择多种需量算法：滑动区块方式、固定区块方式等。并可记录最大需量发生的峰值及

其时刻。需量测量的参数包括：四象限有功需量及其峰值（Dmd_P.Dmd_P」nax.）,四象限无功需量及其峰值

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(Dmd_Q.Dmd_Q_max.)>电流需星及其峰值(Dmd_I,Dmd_I_max)o

⑴滑动区块：

选择一个1-60分钟的计算周期(增量为1分钟)。需用计算第一次刷新在计算周期末，以后每分钟刷

新一次。装置提供上一次计算周期结束时的需量值。

(2)固定区块：

选择一个1-60分钟的计箕周期(增量为1分钟)。装置在每个计算周期结束时计算和刷新需量值。

(3)需量峰值：

在非易失性内存中，装置保存功率需量和电流需量的最大值，称为“需量峰值”。当需量峰值产生时，

装置也存储日期和时间。

3.4.2性能要求

(1)精度

电流需量：0.2%；

功率需量：0.5%

(2)时间特性

需量的计算周期可配置，需在设定的周期内完成需量计算，且无漏计算。

343接口定义

需量统计模块的需量值保存在定义好的结构体里，是以全局变量的类型定义的，便于其他模块直接引

用。

3.4.4程序流程

本模块采用直线型流程，逻辑结构简单。

3.4.5测试要点

>需量计算精度需要达到预定的指标。

>需量刷新周期满足要求。

>不同的计算模式相互切换，不会出错。

3.5电能质量分析模块

351功能描述

(1)不平衡度计算

WQL-242具备电压、电流不平衡度计算功能，计算方法参照GB/T15543-2008。不平街度指三相电力

系统中三相不平衡的程度。用电压、电流负序基波分量或零序基波分量与正序基波分量的方均根值百分比

表示。电压、电流的负序不平衡度和零序不平衡度分别用、£山和52、£io表示。电压不平衡度的

计算公式如下，电流不平衡度的计算与此类似。

17

WQL-242多功能网络电力仪表详细设计说明书

5

仄X100%

xioo%

式中：

UI：三相电压的正序分量，单位为V。

U2：三相电压的负序分量，单位为V。

U0：三相电压的零序分量，单位为V。

WQL-242D参照GB/T15543-2008对不平衡度测量仪器的测量要求，记录周期为3s,按照方均根取值。

电压、电流输入信号基波分量的每次测量取10个周波的间隔。按照如下公式计算不平衡度：

7mM

式中：

£:在3s内第k次测得的不平衡度；

m：在3s内均匀间隔取值次数(m>6)；

在WQL-242D支持的电压接线方式中，若采用