【《三相电表检验仪设计》8700字（论文）】

三相电表检验仪设计摘要随着电力系统的飞速发展，系统规模和发电容量越来越大，电压等级和自动化水平越来越高，电网结构和调控方式越来越复杂；同时，电力供应在国民经济占了举足轻重的作用，电力用户对电能质量的要求也越来越严格；从而，电力生产对电力系统提出了更高的要求。因此，为顺应现代化电力生产的需求，研究电力系统电参数测量理论和实现方法，有助于进一步改善电能质量，维护电力系统安全、稳定、可靠运行。研究并推广应用三相电表检验装置的自动化测试及数据实施采集的功能，对于电能表制造企业及各地电能表计量检定机构的高效运行具有较好的现义。本次设计的三相电表检验仪硬件部分由STC89C52主控制系统作为核心、以电压电流采样模块电路、存储模块电路、按键模块电路、显示电路等多部分外围电路组成，并通过电压互感器和电流互感器采集硬件电路中的瞬时电压和瞬时电流，能够同时测量三相电压、电流、相位、频率、有功功率和无功功率，可作为电能表的标准校验表，满足基本工作人员对电能表和电压、电流等相关仪表的检验工作。本文详细介绍了该设备硬件电路部分和软件流程设计，经过仿真测试满足精度要求。关键词：三相电表检验仪ADE7758检验目次TOC\o"1-2"\h\u9294摘要 I70551绪论 1107961.1课题背景 1212061.2国内外发展趋势 187081.3设计内容与意义 21绪论1.1课题背景时代的很快发展,国家的工业水平不断提高,电机，以及一些工业电气设备的使用越发频繁。这个时候,我们就急切的需要一种计量精准,操作不难的三相电能表现场检测仪,对用户以及工厂的低压电能表进行现场检验。并且这种三相电能表现场检测仪能够帮助供电部门对用户的电能表进行现场检验，以判断用户有没有故意调慢电能表达到窃电的目的。三相电能表现场检测仪通常会被用在低压电能表现场的检验等众多的场合。对客户电能表的现场检测校验通常是在被测的三相电电路中接入国家标准的电能表，然后对被测电能表和标准检测表同时采样进行对比分析。这种方法有很多缺点，首先标准表经过移动振动之后精度会受很大的影响，不便移动以及携带；其次是施工以及工程现场检测时需停电接线，操作过于繁琐和麻烦。如果使用一种低压三相电能表现场检测仪，通过一定的传感器，利用某种采样器对被测电能表进行采样分析，同时采用互感器对三相电能参数进行实时检测，再通过单片机十分强大的运算功能，就能计算出被测电能表的误差，这样就能克服了很多的困难。为了满足三相电能表品质的检验以及现场运行的三相电能表检验的需求，一种三相电能表检测装置的设计就能解决这个问题，设计装置可以有效的避免传统现场中正在使用的三相电能表，提高了电能表质量检验及现场运行检验的效率。很多电力计量装置在安装运行前都得按照对应的检测规定进行首次检查,但在现场的实际应用时,电力计量装置的本身准确通常可以保证电力测量的精细。在实际的运行过程中,通过接线方式不正确，运行方式的不正当、计量方式的错误、电压电流互感器二次回路中有较大的电压降等众多原因,可能会造成电量严重流失，计量结果误差明显。现场检测仪能较直观、简便、迅速地检查和判断交流电力量装置是否工作在正常状态,一旦发现交流电能表超差,即可及时予以调换,从而使用电单位在计量校准过程中免受停电所带来的困扰。所以研制高精度的便于携带的三相电能表在线检测仪迫在眉睫。综上，三相低压电能表现场检测仪的设计可以对工厂新生产的电能表进行质量检测，可以对不断电检测正在运行的电能表是否损坏，而且还可以主要用于供电部门对用户的电能表进行现场检验，以判断用户有没有故意调慢电能表达到窃电的目的。1.2国内外发展趋势1)在功率因数方面，传统的功率因数的测量方法,由于没有很好地考虑系统的不对称性所造成的谐波以及非周期分量,无论是采用求取电压、电流各自的相位角,还是采用电压、电流的过零点的时间差求取功率因数,都会不正确的,因为谐波及非周期分量直接影响到功率因数测量的准确性。目前提出的基于DSP技术的功率因数测量方法,充分利用DSP的计算功能,对电压、电流的采样序列信号,先进行带通滤波,带通滤波的截止频率为35～60Hz,由此而得到电压、电流的滤波序列数据,基本上消除了非周期分量及高次谐波对功率因数测量的影响,然后再进行傅氏滤波,得到完全的基于工频的功率因数2)国内外目前对三相电表的功率检测，是使用光电采样器，电能表的转盘都有很小的部分为涂黑的区域，这一部分区域对光的反射能力比较弱，而未被涂黑的区域则对光的反射能力很强。光电采样器是由光敏接受管，光发射管及整形电路组成的。当光发射管发射的光经聚焦后照射到转盘上，在没有被涂黑的区域，反射到光敏接收管，经过整形后将会输出低电平；在涂黑的区域没有反射光，光电采样器输出高电平。这样电能表的转盘每转一转就输出一个正脉冲，从第一个脉冲开始到第下个脉冲止，电能表的转盘共转过了一转，已知电能表的盘转数，及配用电流互感器的互感比,，则能计算出电能表在转盘转过转后所计量的电能。3)对智能电表的研究，随着智能电能表在国内的全覆盖安装使用，智能电能表优越性也更显突出。市场上涌现了大量的流水线型电能表检定系统，能够进行大规模的电能表检定检测，但这种规模性检测不适合单个电能表的检测。作为电能表质量监督和全寿命周期管理的需要，现场运行的智能电能表每年都要按使用年限进行不同比例的检验。传统做法是将抽到的居民用智能电能表拆换新表，拆下来的电能表送到实验室进行检测。这种做法有两大弊端:一是老百姓对电力公司的这种做法不理解，经常阻碍拆换表，而且电力公司也拿不出相关政府部门的规定;二是电力公司的人力物力消耗大。因此，设计一种在现场进行智能电能表快速检测的装置显得尤为必要，使用这种装置有三大优点:一是这种做法公开、亲民，可彻底打消老百姓对智能电能表准确计量的疑虑;二是消除了换新表的成本和旧表的浪费，减少了新旧表在运输方面的人力物力;三是这种装置可用于解决居民对智能电能表的投诉问题。本文提出了一种智能电能表现场检测装置设计的功能、主要技术指标、工作原理和软件设计。4)国内外对于单片机选择的状况，基于2片电能计量芯片ADE7753,特别是利用ADE7753电流通道精度高、稳定性好的特点对电压进行采样,实现了对计量装置的一次及二次回路的同时在线测量,可以提高仪表的整体精度。通过对综合误差、电表误差及互感器误差等关键计量参数进行实时监测,可使电力管理部门及时校对计量装置的误差,防止窃电现象发生。并且基ARM处理器,通过嵌入式操作系统的移植,使得人机界面操作部分的实现更容易,功能更强大,操作也更加人性化。5)电参数的测量，为了保证系统的精度以及良好的隔离性，分别采用精度为的电压和电流互感器进行取样，由于电压、电流互感器输出均为微弱的电流信号，因此，经过差分结构的变换电路，变成电压信号，同时减少了共模干扰。电流经精密电阻取样后变为双极性电压信号，为了与后续单极性采样模块匹配，在变换电路中对双极性信号进行了加法运算，使输入信号向上平移基准电压变为单极性。1.3目前国内外装置的发展

一是高精度方面，国内目前的检验装置的精度等级从以前的0.2逐步向0.05及0.03和0.02等级发展。功率的稳定度及电压电流的稳定度不断提高，但提高到目前的0.01级再向上提高存在较大的技术难关。二是多功能方面，越来越多的装置厂家根据用户及国家标准的规定，在检验装置上增加很多的功能，如对波形影响(如单次谐波、奇谐波、直流和偶次谐波影响等)，短时多电流影响、接地抑制性试验等功能，但目前很多功能的测试都是依照规程上的方法进行，由于检验的项目较多，需要的时间也较长，随着技术的进步，需要进一步提高检验的速度，缩短检验的时间。三是装置的多表位方面，提高检验的效率。从以往单表位及几个表位的方式逐步发展为十几表位或者几十表位。90年代初，德国EMH公司已开发出最多可以同时检验240台表的大批量校验装置，如今瑞士的LADID&GYR公司和德因的SIEMENS公司又推出每次可以同时检验1000块电子表的特大批量校验装置，国内的厂家也推出了同时进行96表位及192表位的台体。2三相电表检验仪的设计方案单片机交流电压信号经电阻取样，交流电流信号经电流互感器取样后，提供给后续的功率、电压、电流、频率和相位测量电路。三相功率测量采用模拟乘法器电路，经VIF变换后得到反映功率值的高频信号，送微控制器进行功率测量和校验电能。电压、电流的测量采用交一直变换电路，经A/D转换器送微控制器测量处理。该方案可方便提供代表功率、电能值的高、低频脉冲信号输出，也利于提取0-5V的功率、电压和电流变送器信号输出，可根据用户需要，适当改变仪器结构，就可以甩掉计算机系统，作为一个多功能变送器使用。电能比对过程是利用光电采样器，将电度表的转盘转速转变成对应的低频信号，再利用微控制器将这一低频信号与仪表本身所测的电能进行比较，自动计算出电度表的误差并显示出来。相位、工频的测量是将交流信号滤波、整形成方波信号后，送给微控制器的输入端口，配以程序软件处理达到测量目的。显示环节采用真空管显示器，各测量数据可同屏显示，也可通过串行通信接口发送给上位机，各个测量功能的切换通过按键操作实现，也可由上位机程控，这样可以很方便的与校验台配套，实现一套完整的电能和指示仪表校验装置。

单片机电压采样模块电压采样模块电压采样模块电压采样模块电压采样模块电流采样模块电流采样模块电流采样模块电能计量模块键盘LCD显示器微型打印机光电采样模块光电采样模块

2.1.3系统运行机理

三相负载线路包括A相B相C相及中线N,当负荷启用时负载线路两端将会加上电压，同时在线路上将会有电流流过，电表输入的电参量即是线路上的电压和电流。采样到的电压、电流信号在通过衰减滤波电路后传至电能计量芯片ADE7758，当计量芯片的对应端子接收到电信号时，在其内部经滤波、微分、积分等运算后将各种参数值保存在相应寄存器中。整个系统对功率的计量主要由MCU完成，方法是在固定时间内读取计量芯片ADE7758的相关寄存器数据，并通过计算得到功率值，主控制器MCU与计量芯片之间的通信通过SPI接口完成，当线路上有异常信息发生时ADE7758将通过端子IRQ对MCU的产生中断。

数据存储、按键、LED显示屏及通信接口均属于MCU的外围器件配置。其中，单片机可通过总线将电量参数存储在芯片AT24C02上，通过按键可以对要显示的电参量进行选择，通过显示屏可以查看需要获取的数据和信息。由于存储器的擦写次数有限，因而将电量的累加由MCU完成，结果保存在存储器上，电表与上位机系统界面之间的信息传输由通信接口实现。系统在使用前需要校表，由于ADE7758芯片内部经数频转换器后可以将数字信号转换为频率信号并从APCF(引脚1)和VARCF(引脚17)两端口输出，且输出频率与对应的功率成比例，因此校表主要依据这两个端口输出的脉冲实现，方法是将系统与标准计量表同时放入负载线路中对脉冲参数进行检测，之后将校正的数据在系统初始化时写入ADE7758相应的寄存器单元中。计量模块设计计量模块芯片以ADE7758为主，ADE7758是一种高精确度三相电能测量IC,带有一个串行口，两路脉冲输出。ADE7758集成了数字积分、参考基准电压源、温度敏感元件等，有可用于有功功率、复功率、视在功率、有效值的测量以及以数字方式校正系统误差(增益、相位和失调等)所必须的信号处理电路。该芯片适用于各种三相电路(不论三线制或者四线制)中测量有功功率、复功率、视在功率。三相电能计量芯片ADE7758内部原理来自电流传感器和电压传感器的电压信号经信号放大PGA1,PGA2和模数变换ADC转换为对应的数字信号，然后，电流信号经电流通道内的高通滤波器HPF滤除DC分量并数字积分后，与经相位校正中的电压信号相乘，产生瞬时功率:此信号经低通滤波LPF2产生瞬时有功功率信号;各相功率相加得到总的三相瞬时有功功率，经DOUT引脚输出。视在功率和复功率的计算与此类似。

ADE7758有六路模拟量输入，分成电流和电压两个通道。流通道由三对差分电压输入，分别是IAP,

IAN;

IBP，IBN:

ICP,

ICN。这三个电流通道最大的信号电压变化范围为±0.5V。电流通道有一个可编程增益放大器(PGA1)，放大器增益为1,2或4。除了PGA功能外，用于A/D转换时，通道1还具有输入信号满刻度选择的功能。前面所述，最大输入电压变化范围为±0.5V,利用增益寄存器的3和4位，ADC的输入电压可以设置为±0.5V，±0.25V，±0.125V。这是利用ADC的基准参考端来实现的。电压通道具有三路单端电压输入通道，分别为VAP,VBP和VCP。这些单电压输入端的最大输入电压变化范围为士0.5V。相对于VN来说，电流和电压通道都有一个PGA(可编程放大器)，增益为1,2或4,由用户编程来决定，所有的输入通道的增益相同。ADE7758引脚功能ADE7758提供系统的校正功能如:有效值偏移的校正、相位和功率的校正等等。引脚APCF的逻辑输出主要用于有功功率校准和操作，引脚VARCF的输出主要用于瞬时复功率和视在功率的校准频率逻辑输出。ADE7758具有一个波形取样寄存器，其值来自于ADC的输出。波形采样部分集成有一个用于短时持续低电平或高电平的监测电路，门槛电平和持续时间是由用户编程来决定的。三相中的任相过零监测是同步进行的，过零监测的结果可用于测量三路电压输入中任一路的周期。

ADE7758的所有功能都是通过读、写片上寄存器来实现的，即ADE7758的各种设定和操作主要是对其众多寄存器的读和写。每个寄存器在读/写时，首先要执行一个写通信寄存器的操作，然后开始传输数据。电能表的测控命令和测量信息可以多种方式与单片机通讯。MCU输入的命令字控制着ADE7758的工作模式、测量模式、波形采样模式、有效值偏差补偿量和中断模式等。例如:每相的电流通道在信号通路中都有一个乘法器。电流波形可以改±50%，这主要是由写入12位有符号电流波形增益寄存器(AIGAIN,BIGAIN，CIGAIN)中的2进制数决定的:如果7FFH写入这三个寄存器，则ADC的输出标定值将增加50%;如果800H被写入，则输出减小50%。

输入包括电流、电压两组模拟量输入通道。其中，电流输入通道采用全差分电压输入，有A、B、C三相，为引脚5-10

(IAP、IAN,IBP、IBN,ICP、ICN),最大差分值量程有±0.5V，±0.25V,±0.125V

三种选择。在电子电路中，如果存在干扰信号，将会对两个输入信号产生相同的干扰，选用差分电路，通过两者之差，干扰信号的有效输入会变为零，此方法能有效避免信号干扰，达到抗共模干扰的目的。电压通道采用单端电压输入，也分A、B、C三相，为引脚14-16(VAP、VBP、VCP、VN)，信号输入的最大值也有三种选择，即±0.5V，±0.25V，±0.125V。输出包括SPI串行外设接口和有功/无功功率的脉冲输出两类。SPI接口(SerialPeripheral

Interface)由引脚21-24和18组成，ADE7758通过此接口可与MCU以串行方式进行信息交换。引脚1(APCF)和引脚17(VARCF)分别是有功脉冲和无功脉冲输出端子。电源包括数字电源、模拟电源及AD参考电压。引脚2、3为片内数字部分提供接地条件和5V电源，引脚4、11为片内模拟部分提供接地条件和5V电源，通过引脚12可访问片上的基准电压。时钟由引脚19和20组成。3硬件电路设计3.1电压电流采样电路

ADE7758信号衰减电路设计及互感器选型

电压信号和电流信号的采样均由互感器来实现，采样电路以A相为例见图3-3，图中，R4、C1,

R5、C2,

R11、C7,

R16、C12为各自端口的抗混叠滤波网络，并在各个输入端口处采用4组倒置的二极管用以构成每条线路的保护电路。B相和C相采样电路的设计与A相相同。

由于IAP和IAN通道的输入信号应为电压信号而非电流，故采用电阻R从电流互

感器的二次侧直接获取电压，R1取值与电流互感器二次侧输出值有关。

PT选用型号为220V0.5V的微型电压互感器，变比为K=440。经过电压互感器的变压后，二次侧输出的额定值为0.5V，之后由两电阻R10和R11分压，并取R11的电压送至VAP。假定在负荷电流最大时电压通道的输入值定为0.3V,同时固定电阻R11的阻值为1K，计算求取R10的阻值，计算结果为5/392即R10近似为2.679。在实验中的电路板设计时将电阻R10选用电位器，二次侧输出的电压经过电位器后送入计量芯片，缓慢调节R10的大小使输入VAP的电压达到要求的0.3V。

3.1.3

ADE7758与MCU接口设计

在采样电路中，电压信号可以通过电压互感器PT实现，互感器在变换等级的同时，还能将一次侧的强电与二次侧的弱电隔离开，具有电气隔离的作用，在此状况下电能计量芯片ADE7758与单片机之间可直接通过电阻直接连接，阻值为1kV。电压采样信号也可以通过分压网络来完成，但是电能计量芯片ADE7758与单片机之间需加光耦，光耦能将输入与输出隔离开，电信号才可单向传输，具有良好的绝缘性能及抗干扰性能，又因为光耦的输入端属于电流型工作的低阻抗器件，让其更具有极强的共模抑制能力。

本设计选用电压互感器进行隔离，此处ADE7758的SPI口经电阻直接与MCU相连，

而ADE7758的两个脉冲口APCF和VARCF则通过光耦相连，接口设计电路图见图3-4,其中LW和LV是两个发光二极管，分别用于提示有功和无功功率输出的脉冲频率，每闪烁一次表示对应端口有一个脉冲输出，其闪烁的快慢可以显示脉冲的多少。

在上图中，ADE7758的引脚18、21、22、23、24分别同MCU的P3.3、P1.7、P1.6、

P1.5、P1.4口经过1k的电阻连接，而APCF和VARCF则接到MCU的P3.4与P3.5口，单片机的T0和T1口采用计数器模式，通过记录有功功率和无功功率的脉冲个数，计算总有功功率和总无功功率的大小。存储模块设计

存储模块有两个方面的作用，一方面用于存储电量，包括总的电量和不同时间段内的电量，另一方面用于记录异常事件所发生的时间和次数，划分为断相、过电流和过电压。

存储模块芯片采用AT24C02,并配以适当的外围电路。AT24C02的引脚图见图3-6。

SCL(Serial

Clock)串行输入端子和SDA(Serial

Data)双向串行数据传输端子，分别用于产生元件在收发数据时的时钟和数据，二者均通过上拉电阻R26,R27与电源正极相接。WP(Write

Protect)为写保护，当与VCC相连接时，代表所有引脚均被写保护(只能读)，当接地时，代表此器件允许正常的读/写操作。A0、Al、A2是三根地址线，在与多个存储器件相连时用于选定要操作的元器件,由于本设计只需要使用一片AT24C02,因此A0、Al、A2这三个引脚均接地。SDA和SCL分别接单片机的P2.0和P2.1口。按键模块显示模块串口通信模块目前大多数电度表采用RS-485或红外进行通信，RS-485相比于RS-232和RS-422有更大的优点，考虑系统的成本、多节点测试及传输距离，本设计选用RS-485进行通信。硬件设计中采用MXA485芯片，并在电表上预留RS-485的通信接口。RS-485最高的数据传输速率可达10Mbps,最大的传输距离可达3000米，其接口在总线上允许接多达128个收发器。MAX485芯片内部含有一个驱动器和一个接收器，它能将电磁干扰减至最小，采用5V的工作电源，通信方式为半双工，此芯片的主要目的是将TTL电平与RS-485电平的转换，其内部含有一个驱动器和接收器。通信接口设计见图3-9。图3-9中，左边端子RXD、TXD接单片机的P3.0和P3.1接口，DE是MAX485的使能端，用于控制芯片的接收和发送功能，当DE为0时元件的工作状态为接收状态，为1时则为发送状态。右边引脚5为接地端子，需直接接地，在引脚8与大地之间需要加电容。A口和B口分别为接收和发送的差分端信号，当A引脚的电平高于B时，表示发送的数据位为1;当A的电平低于B时，表示发送的数据位为0。引脚B的上拉电阻是R50，引脚A的下拉电阻是R52，能够保证RS-485工作可靠性，R51为匹配电阻，用于确保信号传输时的稳定性。三个6.8V的单向稳压管均用来保护总线，避免外界强干扰情况下损坏芯片。4软件设计4.1主程序设计主程序用于实现电表需完成的每一部分的功能，本课题的软件设计，程序的编写采用80C51系列单片机汇编语言，它是一种低级语言，具有生成目标代码短，执行速度快等优点。从STC89C52单片机的硬件资源看，它特别适用于数据采集、处理和控制系统中。功能切换？相位、频率测量模块功率测量模块电压、电流A/D采样处理模块启动ls定时电参数测量？量程、参数设置模块电能校验？功能切换？相位、频率测量模块功率测量模块电压、电流A/D采样处理模块启动ls定时电参数测量？量程、参数设置模块电能校验？初始化开始N NY Y电能校验模块电能校验模块N功能切换？功能切换？N N 功能切换？功能切换？Y Y Y 初始化模块初始化模块对STC89C52内部的部分RAM进行了功能定义和初始值赋值，其设置的电压，电流量程为100V,5A；设置初始测量功能为全屏测量，设置相关的标志单元。设置了串行口工作方式为10位的串行数据传送，允许接收，波特率为4800。开启了定时/计数器TO、T1的中断使能，设置外部中断为边沿触发方式。从ROM单元中获取了电压、电流和相位的修正系数。将真空管显示器设置成字符显示方式，指定了屏的初始地址为0，进行了清屏操作。开始开始内部RAM单元定义设置串行口波特率中断使能装置读取修正系数显示器初始化、消屏并行口初始化、输出控制信号开始全屏测量功能模块

全屏测量功能，对三相电压、电流、相位、有功功率、无功功率及工频进行测量并显示出来，并根据设置，向上位机发送测量数据。其软件流程如图所示，主要由电压、电流测量模块，功率测量模块、和相位、频率测量模块组成。在进入全屏测量功能后，程序首先会对显示界面进行布置，体现出当前量程。开始T0、T1计数初值消0开始T0、T1计数初值消0开启1NT1中断使能，启动1s定能执行其他功能程序，等待定时结束取T0计数值，BCD码转换，按量程比例系数，计算有功送显，发送数据取T1计数值，BCD码转换，按量程比例系数，计算无功送显，发送数据返回开始开始YN启动T0、T1计数返回C=5？中断计数值C减1保护压栈YN启动T0、T1计数返回C=5？中断计数值C减1保护压栈YN停止T0、T1计数YN停止T0、T1计数C=0？保护出栈同时进行有功、无功测量。首先将计数器TO、T1清0,启动1s定时，并启动计数器开始对电能脉冲计数。定时时间到，停止计数，将累计到的脉冲数转换成BCD码后，乘上对应量程的比例系数，经小数点对齐后，送显示和传给上位机。开始电压电流采样模块开始设置测量通道计数值C=1设置测量通道计数值C=1选通对应通道信号选通对应通道信号启动A/D启动A/D转换，采样8次得BCD码平均值Y修正按键操作Y修正按键操作？NC=CNC=C+1修改对应电压、电流、相位的修正系数按修正系数进行修正按修正系数进行修正按量程转换成电压、按量程转换成电压、电压数据，送显，发送数据NCNC=6？返回Y返回Y测量过程依次选通Ua,Ub,Uc,Ia,Ib,Ic进行测量，每个信号采样八次，经平均值滤波后，通过Y=kx+b得到修正值后，转换为电压，电流的直读数，送显示和上传至上机位。频率、相位测量模块频率测量根据电压输入信号，三相中任何一相有电