電參數(shù)檢測裝置的研究

 1 電力儀器的現(xiàn)狀及發(fā)展
微機(jī)技術(shù)在電力系統(tǒng)中的廣泛普及應(yīng)用，促使電力系統(tǒng)的測量和監(jiān)控技術(shù)得到了快速發(fā)展。傳統(tǒng)的儀表種類雖多，但獲取的電力參數(shù)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代電力系統(tǒng)檢測系統(tǒng)要求。研制出具有測量精度高、測量參數(shù)多、功能強(qiáng)大的數(shù)字化儀表代替原有傳統(tǒng)儀表已經(jīng)成為熱點(diǎn)研究項(xiàng)目。電參數(shù)檢測裝置應(yīng)該對(duì)目前工頻電網(wǎng)中的多參數(shù)進(jìn)行測量。例如電流、電壓、頻率、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)等。本文將針對(duì)傳統(tǒng)電力儀表檢測的不足對(duì)電參數(shù)檢測裝置提供方案設(shè)計(jì)。該裝置可以替代傳統(tǒng)電參數(shù)測量儀表，普遍適用于電力電網(wǎng)、自動(dòng)化控制系統(tǒng)的現(xiàn)場監(jiān)測顯示。
2 研究思路
2.1 系統(tǒng)總體思路 本文采用ADE7758專業(yè)集成芯片為系統(tǒng)核心。它是一種專門用于電參數(shù)測量的計(jì)量芯片，通過SPI串口和MCU能夠讀取專用芯片ADE7758寄存器中的測量數(shù)值。根據(jù)所需系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)和基本功能要求，以及芯片功能描述可以確定了系統(tǒng)總體思路架構(gòu)。其框圖如圖1所示。
2.2 電參數(shù)專用芯片的計(jì)量原理 近幾年，微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，有力的推動(dòng)了智能電表技術(shù)的迅速更新與進(jìn)步，國內(nèi)外許多公司研制出不同測量原理的電表專用芯片。
測量的理論基礎(chǔ)：電氣量采集和計(jì)算的方法主要有兩種，一種是直流采樣算法，另一種是交流采樣算法。
直流采樣算法是采用測量電壓、電流的平均值來計(jì)算電量有效值的[1]?？梢宰C明當(dāng)被測信號(hào)為工頻正弦信號(hào)時(shí)，有效值與平均值的關(guān)系為：
Urms=1.11Uaav（1）
如果輸入信號(hào)中含有諧波時(shí)，Urms和Uaav的關(guān)系將發(fā)生變化，并且諧波不同時(shí)，兩者之間的關(guān)系也不同。眾所周知諧波含量是不能測量的，因此上述關(guān)系式也隨之變?yōu)闊o法確定。有分析表明，在諧波污染嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致誤差達(dá)10%以上。假設(shè)用含有此誤差的電壓、電流有效值來計(jì)算功率，功率的結(jié)果誤差將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于10%，因此，直流采樣法往往用于實(shí)驗(yàn)室理想情況下模擬仿真。
交流采樣法原理是對(duì)被測信號(hào)瞬時(shí)值進(jìn)行采樣，再用一定的算法運(yùn)算所測信號(hào)量。
在本文中，所計(jì)算的工頻周期信號(hào)基本參數(shù)（P、U、I）進(jìn)行真值測量所用的公式，均可看作是一種積分求平均值的計(jì)算，條件為采樣最低頻率只要大于信號(hào)傅里葉最高頻率兩倍。所采用的計(jì)算公式如下：
（1）電流的有效值為：
I=■（2）
（2）電壓的有效值為：
U=■（3）
（3）有功功率為：
P=■■I■U■ （4）
（4）視在功率為：
S=UI（5）
（5）無功功率為：
Q=■ （6）
對(duì)于電壓和電流的有效值測量，同步采樣電路必須以模數(shù)轉(zhuǎn)換精度高為主線，就理論分析而言，它能通過計(jì)算達(dá)到精度要求。對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣時(shí)，應(yīng)盡量提高采樣頻率，這樣可確保模擬信號(hào)的完整性，但采樣頻率必須配合處理器速度、A/D轉(zhuǎn)換速率以及采樣保持器捕捉時(shí)間。根據(jù)采樣定律可知，只需滿足信號(hào)采樣頻率關(guān)系式，原來的連續(xù)信號(hào)即可恢復(fù)。通過采樣頻率fs對(duì)某頻率為fc的信號(hào)實(shí)施采樣時(shí)，在波形重建階段會(huì)出現(xiàn)“（fs+fc）”、“（fs-fc）”兩個(gè)分量。前者容易出現(xiàn)頻帶外被濾除，后者因采樣頻率較低，落于信號(hào)頻帶之內(nèi)，產(chǎn)生混疊現(xiàn)象。這會(huì)導(dǎo)致原理性誤差，使采樣后的波形中增添了額外的低頻分量。操作高精度電測儀器時(shí)，為規(guī)避高頻干擾，采樣頻率通常較高，這樣可確保被測信號(hào)的完整性，最大限度控制測量誤差。
基于以上分析，本文選用一款電參數(shù)專用芯片ADE7758用于電路設(shè)計(jì)。ADE7758芯片內(nèi)置高精度ADC以及專用數(shù)字處理電路，通過交流采樣法進(jìn)行采樣。采用此款芯片可在提高精度和可靠性的前提下大大減少電路設(shè)計(jì)成本。
3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
系統(tǒng)擬用“MCU+ADE7758”設(shè)計(jì)方案。根據(jù)設(shè)計(jì)原理得知，電參數(shù)檢測裝置系統(tǒng)硬件包括通信、MCU微處理單元、輸入變換單元和顯示單元四部分。
3.1 輸入變換單元設(shè)計(jì) 互感器實(shí)際也是變壓器的一個(gè)特殊類別。電流互感器及電壓互感器的選型應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場條件和運(yùn)行要求而定。根據(jù)ADE7758數(shù)據(jù)手冊，ADE7758的ADC輸入范圍是-0.5V～0.5V，選擇輸入幅度約一半量程左右可保證實(shí)時(shí)的計(jì)量精度。因此硬件采集的電流以及電壓轉(zhuǎn)換為ADE7785可識(shí)別輸入范圍內(nèi)，電壓和電流采集電路如圖2和圖3所示。
3.2 微處理單元 ADE7758適用于各種三相電路中測量有功功率、復(fù)功率、視在功率。芯片ADE7758處理信號(hào)原理為取自電流傳感器與電壓傳感器的電壓信號(hào)經(jīng)放大以及模數(shù)變換后轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，然后采用相應(yīng)關(guān)系計(jì)算電參數(shù)量，例如有功功率的提取方法是采用提取瞬間功率后經(jīng)低通濾波后得到，瞬間功率是通過通道內(nèi)的高通濾波器將電流信號(hào)中的直流分量濾除，同時(shí)對(duì)其進(jìn)行數(shù)字積分，再與經(jīng)相位校正Φ的電壓信號(hào)互乘得到的。視在功率和復(fù)功率的計(jì)算與瞬間功率相同。
ADE7758模擬量輸入有六路，包括三路通過差分輸入的電流通道和三路電壓通道。三條電流通道最大信號(hào)電壓變化范圍不超過±0.5V。電流通道輸入端與可編程增益為1，2或4倍放大器連接。輸入電壓變化范圍不超過
±0.5V，ADC的輸入電壓可通過增益寄存器來調(diào)節(jié)，電壓值可設(shè)定為±0.5V，±0.25V，±0.125V。即ADC的基準(zhǔn)參考端。ADE7758有校正功能，在得到的數(shù)值有偏移的情況下可對(duì)其進(jìn)行校正。ADE7758具有一個(gè)內(nèi)置的SPI接口。它與MCU的串行連接。
3.2.1 ADE7758的工作模式 ADE7758有4種工作模式，每種工作模式都有與其對(duì)應(yīng)的設(shè)置寄存器，即測量模式→MMODE、操作模式→OPMODE、波形采樣模式→WAVMODE、線電壓周期積累模式→LCYCMODE，分別對(duì)應(yīng)的設(shè)置寄存器為MMODE、OPMODE、WAVMODE和LCYCMODE。ADE7758初始化階段必須對(duì)寄存器的配置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。OPMODE是操作模式寄存器用來定義，ADE7758配置的設(shè)計(jì)包括所有電流通道的高、低通濾波器開關(guān)；是否禁止脈沖輸出；是否將電流通道/電壓通道的A/D轉(zhuǎn)換器關(guān)斷；是否進(jìn)入睡眠狀態(tài)等。若判斷哪個(gè)通道需進(jìn)行周期檢測和峰值檢測，可通過MMODE測量模式寄存器來完成。WAVMODE波形采樣模式寄存器主要對(duì)波形采樣頻率及采樣通道進(jìn)行設(shè)定。線電壓周期積累模式下的功能設(shè)置主要通過LCYCMODE完成。位0～位2用于定義是有功功率、無功功率和視在功率積累寄存器是否需要進(jìn)入線電壓周期積累模式。位3～位5用于定義功率寄存器讀數(shù)后是否使寄存器歸零。位7用于表示FREQ寄存器用來分辨頻率與周期。COMPMODE寄存器，設(shè)置其0位與1位可以確定能量計(jì)算方式。若設(shè)定為00，則A相有功功率的計(jì)算方式為VA×IA；若設(shè)定成01，則通過VA×（IA-IB）來計(jì)算，不同的輸入要求需要采取不同的設(shè)置。
3.2.2 ADE7758的計(jì)量相關(guān)寄存器 ADE7758中的計(jì)量相關(guān)寄存器：以A相為例，AWATTHR（有功功率）、AVARHR（無功功率）、AVAHR（視在功率）、AIRMS（電流有效值）和AVRMS（電壓有效值）寄存器都與A相的測量值密切相關(guān)，這些寄存器經(jīng)讀數(shù)操作后與對(duì)應(yīng)的系數(shù)互乘即可獲取所需參數(shù)值。ADE7758可借助測量模式寄存器MMODE及線電壓積累模式配置寄存器LCYCMODE寄存器提供線電壓的頻率或周期測量。對(duì)于測量模式寄存器MMODE，設(shè)定其0位和1位來判定需要進(jìn)行測量的一相；A相、B相和C相分別用00、01和10表示。對(duì)于線電壓積累模式配置寄存器LCYCMODE來說，用于表示周期寄存器是顯示周期還是頻率的配置應(yīng)該是第7位[2]。這一位置高會(huì)使寄存器顯示周期。默認(rèn)值是位置低這樣會(huì)使寄存器表示頻率。
基于A相的有功功率脈沖輸出進(jìn)行分析，如果輸出脈沖的脈沖常數(shù)達(dá)到提前設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)，必須對(duì)APCFDEN、APCENUM、AWG進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。AWG必須在功率的增益校準(zhǔn)階段進(jìn)行優(yōu)化設(shè)置，這樣才能提高脈沖輸出精度。ADE7758外圍電路設(shè)計(jì)如圖4所示。
3.2.3 AT89S52的應(yīng)用 AT89S52單片機(jī)具有40個(gè)管腳，有PDIP、TQFP及PLCC等3種封裝形式，以適應(yīng)不同應(yīng)用系統(tǒng)的需求，本設(shè)計(jì)中用的封裝形式為PDIP。如圖5所示。
AT89S52的主要性能：{1}與MCS-51單片機(jī)產(chǎn)品兼容；{2}8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器；{3}1000次擦寫周期；{4}全靜態(tài)操作：0Hz～33Hz；{5}三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器； {6}32個(gè)可編程I/O口線；{7}三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；{8}八個(gè)中斷源；{9}全雙工UART串行通道；{10}低功耗空閑和掉電模式；{11}掉電后中斷可喚醒；{12}看門狗定時(shí)器；{13}雙數(shù)據(jù)指針；{14}掉電標(biāo)識(shí)符。
AT89S52的最小系統(tǒng)如圖6所示。
3.3 顯示單元設(shè)計(jì) LCD分為段位式LCD、字符式LCD和點(diǎn)陣式LCD，段位式和字符式僅能用于字符顯示，點(diǎn)陣式顯示的內(nèi)容除了數(shù)字和字符以外，還包括漢字、圖形、曲線、動(dòng)畫，屏幕可以閃爍，也可以上下左右移動(dòng)。經(jīng)仔細(xì)甄選，本文選用深圳市耀宇科技有限公司的圖形液晶顯示模塊YM12864為例，YM12864是一種圖形點(diǎn)陣式液晶顯示器，它主要由行驅(qū)動(dòng)器/列驅(qū)動(dòng)器及128×64全點(diǎn)陣液晶顯示器HD61202組成。既可顯示圖形，也可顯示8×4個(gè)（16×16點(diǎn)陣）漢字。圖7為顯示電路的設(shè)計(jì)。
3.4 通訊單元的設(shè)計(jì) 本文單片機(jī)與上位機(jī)的通訊，采用RS-232通訊方式?，F(xiàn)階段，RS-232串行接口在PC機(jī)和通信領(lǐng)域的應(yīng)用最為廣泛。RS-232被定義為一種在低速率串行通信中增加通信距離的單端標(biāo)準(zhǔn)。RS-232采取不平衡傳輸方式就是通常所說的單端通信。本文采用此通信方式。MAX232是MAXIM公司生產(chǎn)的，可以把輸入的
+5v電壓轉(zhuǎn)換為RS-232接口所需的±10V電壓，其外圍電路如圖8所示。
4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)思路
軟件是構(gòu)成系統(tǒng)的基礎(chǔ)部件。只有通過軟件設(shè)計(jì)才可以實(shí)現(xiàn)硬件的各種操作，系統(tǒng)的性能和效率主要取決于軟件設(shè)計(jì)。因此，軟件設(shè)計(jì)的基本任務(wù)就是堅(jiān)持優(yōu)化調(diào)整軟件結(jié)構(gòu)，不斷提高軟件工作效率。
圖9所示的軟件系統(tǒng)是本軟件主體架構(gòu)。它是基于多重中斷的方法設(shè)計(jì)而成。系統(tǒng)復(fù)位啟動(dòng)后，經(jīng)自檢和初始化，系統(tǒng)開始循環(huán)等待中斷的產(chǎn)生，中斷服務(wù)子程序就能體現(xiàn)出系統(tǒng)全部的功能，本文簡述主體設(shè)計(jì)思想。
ADE7758的中斷類型相當(dāng)多，如錯(cuò)序、過熱、過流、過壓、欠流、欠壓等，在保護(hù)中斷的情況下，MCU通過ADE7758的中斷狀態(tài)寄存器的訪問來定位故障源。
5 電參數(shù)檢測誤差分析與補(bǔ)償
本軟件應(yīng)用專業(yè)的計(jì)量芯片ADE7758來測量電參數(shù)，因此芯片和輸入轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)對(duì)測量精度的影響較大。[3]經(jīng)分析確認(rèn)，可能引起誤差的原因主要來自三方面：
5.1 電流互感器導(dǎo)致的測量誤差。電流互感器的角差與比差會(huì)影響測量精度，在激磁磁勢的作用下可能出現(xiàn)電流誤差及角誤差。
5.2 電壓輸入通道的電氣性能與電流輸入通道不完全一致，會(huì)導(dǎo)致相位差。
5.3 輸入轉(zhuǎn)換電路中的采樣電阻以及計(jì)量芯片本身的性能誤差。另外測量數(shù)據(jù)的精確度還可能受到ADE7758外圍電路干擾因素的影響[4]。
在本文中，擬用軟件設(shè)計(jì)來補(bǔ)償測量誤差。采用滿量程為0.5V，60Hz標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)輸入，再對(duì)ADE7758計(jì)算的數(shù)據(jù)進(jìn)行電壓、電流的有效值和功率進(jìn)行軟件零度滿度補(bǔ)償：
K=■（7）
X=■（8）
在上式中，X■■、X■■分別表示滿量程一半時(shí)以及零輸入時(shí)的測量值，k、X■、X分別表示補(bǔ)償系數(shù)、測量數(shù)據(jù)和測量結(jié)果[5]。
6 總結(jié)
本文所設(shè)計(jì)的電參數(shù)檢測裝置主要基于單片機(jī)工作原理，應(yīng)用專用計(jì)量芯片ADE7758，集測量、保護(hù)和通信于一體，能夠廣泛應(yīng)用于各種電力自動(dòng)化系統(tǒng)中。