陶維青, 王 晶

(合肥工業(yè)大學電氣與自動化工程學院,安徽合肥 230009)

隨著電力和電子產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展,用戶和電力公司對電能表的要求愈來愈高,電能表設計也朝著復費率、精確計量、智能化和網(wǎng)絡化的方向發(fā)展。為了解電網(wǎng)運行狀態(tài)、保障電網(wǎng)的安全運行,需對電力線路進行實時監(jiān)控,即在供電系統(tǒng)中對負荷、電壓、電流、功率因數(shù)及諧波等電力參數(shù)進行準確、及時的測量,并將數(shù)據(jù)信息通過總線傳輸給監(jiān)控總站,以便總站進行數(shù)據(jù)管理和相應的決策[1]。

本文采用的MAXQ3180芯片是MAXIM在2008年推出的用于三相多功能、多費率計量芯片,是一種專用的電氣參數(shù)測量前端,它采集并計算多相負載的多相電壓、電流、功率及能量等多種計量參數(shù)和功率品質(zhì)參數(shù)。外部主機通過片內(nèi)串行外設接口總線讀出計算結(jié)果,還可通過該總線來配置 MAXQ3180的工作,監(jiān)測工作狀態(tài)。MAXQ3180采用集成ADC(analog-to-digital converter)進行電壓和電流的測量,最多可測量7個外部差分信號,第8個差分信號用于測量芯片溫度。內(nèi)部放大器自動調(diào)整電流通道增益,以補償小電流通道信號。該芯片可以在超過1 000∶1的動態(tài)范圍內(nèi)達到0.1%的精度,可以用于0.5s/1/2級的電能表設計。其中該芯片最高可測量21次諧波和真正的全雙工SPI通信[2],這是區(qū)別于其它電能計量芯片的顯著特點,且諧波測量對電力監(jiān)控尤其重要。

1 測量原理及硬件結(jié)構(gòu)

1.1 硬件結(jié)構(gòu)

電能表的硬件電路設計由電源電路設計、計量電路設計、通信電路設計、存儲電路設計、LCD顯示、MCU及其它部分電路設計組成。本設計中的MCU采用TI公司的MSP430FG4619單片機對各個功能模塊進行協(xié)調(diào)控制,來實現(xiàn)負荷分段電能計量、人機交互、電能存儲、異常起止時間存儲及異常報警等重要功能[3]。硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

1.2 計量電路設計

計量電路主要由電流互感器(CT)、電壓互感器(PT)和電能計量芯片MAXQ3180構(gòu)成。電流和電壓分別經(jīng)過CT、PT傳給MAXQ3180處理。MAXQ3180的輸入包括3個電壓通道和4個電流通道(其中1個為零線電流),內(nèi)部還有一個通道用于溫度傳感器。電流通道是差分輸入,而電壓通道是單端輸入。MAXQ3180的模擬電壓輸入范圍為0～2 V,通道上都加了+1 V的直流偏置電壓,所以模擬輸入端口的電壓實際上是以+1 V為中心上下變化的。為了盡可能減少外圍器件可能導致的非線性誤差,在設計中使用了0.05級1.5(6)的CT。同時電壓、電流輸入通道上有用于抗混疊的濾波器。

1.3 通信單元電路設計

RS485通信接口用來與上位機進行數(shù)據(jù)交換,將電網(wǎng)運行參數(shù)和系統(tǒng)運行狀態(tài)的數(shù)據(jù)輸出。本設計中的 RS485通信接口是由MAX3485芯片構(gòu)成,通信方式采用了半雙工方式,這樣傳輸線只需2根。為了保護電表,RS485通信接口和電表內(nèi)部電路實行光電隔離。RS485收發(fā)器的輸出(A/B)直接連接到電能表的端子上,由單片機的UART發(fā)送和接收。為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目垢蓴_性,MAX3485為+5 V單獨供電,采用高速光耦6N 137與其它電源完全隔離,不共地以提高系統(tǒng)的安全性和抗干擾性能。由于傳輸線較長而且現(xiàn)場可能有電磁干擾,所以傳輸線上并聯(lián)瞬變電壓抑制器TVSC、串聯(lián)熔斷器,并且傳輸線使用帶屏蔽層的電纜[2]。紅外通道始終是點對點模式,手持終端每次只能與 1個電表通信。按照DL/T645的要求,調(diào)制型紅外接口使用38 k Hz的調(diào)制頻率,占空比為50%[4]。在單片機的軟件中存在2種通訊方式：①通過串口RS485或紅外和外部設備通訊;②通過 SPI接口與MAXQ3180通訊。由于MCU的串口資源有限,所以本設計中采用通用I/O口模擬SPI時序與MAXQ3180通訊,硬件電路如圖2所示。

圖2 SPI總線接口

1.4 存儲單元和顯示及其它

AT45DB081是容量1 MB的FLASH存儲器,用來保存校表參數(shù)、電能計量參數(shù)、電表運行記錄數(shù)據(jù)以及供電公司設定參數(shù)。它具有標準的SPI接口,提供與單片機交換數(shù)據(jù)的通道。MSP430FG4619具有160段LCD驅(qū)動能力,因此只需1塊LCD顯示屏就可完成顯示電能、參數(shù)及狀態(tài)信息等功能。RX8025SA是日歷時鐘芯片,提供分時計量、復費率功能所需要的時鐘數(shù)據(jù),能自動實現(xiàn)公歷閏年計算,提供準確的日期、時間數(shù)據(jù),具有功耗低、精度高的優(yōu)點。它通過同步串行接口IIC與單片機通信,另外系統(tǒng)電路還包括掉電和電池檢測電路等[1]。

2 系統(tǒng)軟件設計

2.1 軟件概述

軟件系統(tǒng)包括程序數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模塊、程序初始化模塊、時鐘及顯示處理模塊、通訊處理模塊和電量處理模塊5部分組成。其中電量處理模塊是電能表軟件系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的程序,包括MCU上電時對各電量值的恢復、MCU通過SPI總線讀取MAXQ3180的各個電參數(shù)寄存器的值并完成對各電量脈沖的累計、對電量的掉電保護及對竊電事件的預防和處理等程序[5,6]。軟件系統(tǒng)主程序流程圖如圖3所示。

圖3 主程序流程

2.2 SPI通信設計的實現(xiàn)

本設計中采用軟件模擬SPI實現(xiàn)MSP430FG4619與MAXQ3180的通信,硬件電路如圖2所示,某些SPI外設以犧牲速率來模擬半雙工工作,而MAXQ3180采用真正的全雙工SPI從機。MAXQ3180 SPI接口上電復位的默認格式(SPI時鐘空閑狀態(tài))為低電平,數(shù)據(jù)在SCLK上升沿移入移出[7,8]。其模擬程序為：

MSP430FG4619對MAXQ3180的讀寫程序流程如圖4所示,其中前2個控制命令字節(jié)包括讀寫命令代碼、數(shù)據(jù)長度、MAXQ3180的12位寄存器地址。由于MAXQ3180總是SPI從機,因此SPI接口使用的時鐘速率由總線主機確定。然而,MAXQ3180的系統(tǒng)時鐘頻率限制了最大時鐘速率。對于正常的通信操作,主機使用的SPI時鐘頻率必須低于或者等于8分頻后的MAXQ3180的時鐘頻率。除了限制SPI總線時鐘速率之外,主機還必須在每個字節(jié)傳輸/接收周期后提供通信延遲。為MAXQ3180提供時間來處理要傳輸?shù)淖止?jié),它應為一個最小ADC掃描時隙。默認設置采用8 MHz運行時,延遲時間為25 μs[2]。

圖4 MAXQ3180讀寫流程

3 MAXQ3180的諧波測量

3.1 MAXQ3180進行諧波測量的步驟

MAXQ3180可以實現(xiàn)對電流電壓中諧波分量的測量。這種測量是基于數(shù)字峰值濾波器的,實現(xiàn)其測量需要在MCU控制下進行以下幾個步驟：

(1)使能諧波測量。諧波計算使用了MAXQ3180的按需計算通道(On-Demand Computing),與零線電流計算通道共用。這需要置位AUX-CFG.bit6(ENAUX)來使能輔助通道測量,同時置位 AUX-CFG.bit7(ENHARM)來使能諧波測量。

(2)配置諧波峰值濾波器。數(shù)字諧波峰值濾波器需要配置 B0HARM(地址 0x3a)和A1HARM(地址0x3c)參數(shù)來建立,它們分別控制了諧波峰值濾波器的-3 dB帶寬和諧波中心頻率。濾波器的帶寬(BW)計算公式為：

濾波器的中心頻率為：

使用以上的參數(shù)可以將諧波峰值濾波器的參數(shù)設定到需要的諧波次數(shù)上。MAXQ3180允許客戶手動配置濾波器中心頻率(將DHARA(OPMODE2.6)位置位),也可以由MAXQ3180根據(jù)用戶的指定諧波次數(shù)自動配置(將DHARA(OPMODE2.6)位置位清零)。在自動模式下,諧波次數(shù)由AUX-CFG寄存器Bit8～12確定,合法的數(shù)據(jù)是1～21。DHARA(OPMODE2.6)=0時,MAXQ3180會根據(jù)諧波次數(shù)自動計算相應的A1HARM寄存器,從而確定相應的諧波中心頻率。

(3)配置通道。由于MAXQ3180只有1個通道用于諧波計算,在特定時刻只能得到某一相電流或電壓的某一次諧波分量,所以必須切換通道來獲得所有的數(shù)據(jù)。通道的切換是使用AUX-CFG(地址0x10)寄存器 bit3～0位來實現(xiàn)的。

(4)讀取測量結(jié)果?？梢詮?NRMS(地址0x11c)寄存器中讀取原始數(shù)據(jù),該原始數(shù)據(jù)已經(jīng)過了相應的增益調(diào)整,可以從 AUX_V(地址0x830)和AUX_I(地址0x840)虛擬寄存器中分別讀出,即Va/Vb/Vc的數(shù)據(jù)從AUX_V讀出而Ia/Ib/Ic數(shù)據(jù)從AUX_I寄存器中讀出。這時讀出的數(shù)據(jù)就是 AMP-CC(或 VOLT-CC)*NRMS的結(jié)果,是轉(zhuǎn)換成為真實的電流/電壓單位,可以從諧波含量寄存器中讀出。在測量諧波的同時,MAXQ3180會測量基波數(shù)據(jù),并且將諧波除以基波的商放在HARM-NF(地址0x850)寄存器中[2]。

3.2 諧波測量注意事項

MAXQ3180可以實現(xiàn)對電流電壓中的21次諧波分量的測量。其中需要注意的是當配置好數(shù)字濾波器時,一般需要3～5個特性時間后濾波器才能穩(wěn)定,所以在程序中需要延遲處理后,才能讀出準確的諧波值和含量。例如3 Hz帶寬的濾波器的特性時間是0.33 s,諧波峰值濾波器大約會在1.65 s內(nèi)穩(wěn)定。

4 結(jié)束語

隨著電力電子技術(shù)和市場的發(fā)展,用戶對計量領(lǐng)域提出了更多新的要求。電力部門需要了解更多對電力系統(tǒng)正常運行非常重要的相關(guān)參數(shù),特別是諧波參數(shù),因為電力諧波會產(chǎn)生對電網(wǎng)的污染;此外,需要降低功耗,因為電能表的本身功耗是由電力部門自身承擔的,等等?；谝陨锨闆r,本設計中用MAXIM研發(fā)的多功能低功耗計量芯片 MAXQ3180配合具體的MSP430FG4619,可達到上述現(xiàn)代電能表要求的功能。

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