蘭州供電公司 段朝陽 王 璟
隨著電力和電子產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展,及用戶和電力公司對電能表的要求愈來愈高,電能表作為用戶和電力公司交易平臺,其作用至關(guān)重要。電能表作為衡量電能的計量儀器,其技術(shù)性要求很高,既要求精確、更要求穩(wěn)定,并保證長期可靠運(yùn)行,并且隨著我國電力市場的逐步建立和完善,電力系統(tǒng)越來越復(fù)雜,作為電力系統(tǒng)重要組成部分的電能表受到了越來越多的關(guān)注。為了滿足各方面的需求,電能表設(shè)計也朝著復(fù)費(fèi)率、精確計量、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展,在工業(yè)用戶的電力系統(tǒng)中,電能表從性能上還要滿足惡劣的工作環(huán)境,電壓高、電流大、負(fù)荷重等條件。但我國早先普遍使用的感應(yīng)式電表存在精度差、功耗大、受諧波影響大等問題,在用電計費(fèi)上給國家?guī)砹撕艽蟮膿p失。隨著電子技術(shù)發(fā)展和現(xiàn)代電力應(yīng)用,電能表專用計量芯片如ATT7022B、ATT7022C也隨即而出,從某種程度上提高了電能計量精度,簡化了電度表設(shè)計結(jié)構(gòu),功能上也得到了更多的擴(kuò)展[1]。但是為了提高電力管理部門工作效率,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、自動抄表等,那么高精度智能電能表才是今后市場的迫切所需。
本系統(tǒng)采用專用計量芯片來檢測電信號,配以微控制器(MCU)編程實(shí)現(xiàn)多種功能。檢測部分由精密電流互感器、電壓互感器和外圍處理電路組成,從而得到電流、電壓、頻率、相位等電網(wǎng)的實(shí)時參數(shù),經(jīng)計量芯片ATT7022B處理,并使用FPGA實(shí)現(xiàn)其通信,將計量得到各種電網(wǎng)參數(shù)進(jìn)行處理和相應(yīng)的存儲,最后通過液晶顯示屏顯示或通過通信模塊(RS-485或紅外)進(jìn)行遠(yuǎn)程通信和紅外抄表。
本論文設(shè)計的SPI接口電路連接可以參考圖1,ATT7022B的SPI通信格式是相同的,8位地址,24位數(shù)據(jù),MSB在前,LSB在后。CS為片選,允許訪問串口的控制線,CS由高電平變?yōu)榈碗娖绞潜硎維PI操作開始,CS由低電平變?yōu)楦唠娖綍r表示SPI操作結(jié)束,所以每次操作SPI時CS必須出現(xiàn)下降沿,CS出現(xiàn)上升沿時表示SPI操作結(jié)束;DIN為串行數(shù)據(jù)輸入,用于把用戶的數(shù)據(jù)(如數(shù)據(jù)/命令/地址等)傳輸?shù)紸TT7022B;DOUT為串行數(shù)據(jù)輸出,用于從ATT7022B寄存器讀出數(shù)據(jù);SCLK為串行時鐘,控制數(shù)據(jù)移出或移入時串行口的傳輸率,上升沿放數(shù)據(jù),下降沿取數(shù)據(jù)。SCLK下降沿時將DIN上的數(shù)據(jù)采樣到ATT7022B中,SCLK上升沿時將ATT7022B的數(shù)據(jù)放置于DOUT上輸出。
SPI讀操作時序圖如圖2。ATT7022B的計量參數(shù)以及校表參數(shù)寄存器是通過SPI
提供給外部FPGA來進(jìn)行處理。
其命令格式為
圖1 SPI通訊接口
圖2 SPI讀時序
圖3 SPI寫時序
圖4 誤差實(shí)驗(yàn)圖
表1 電壓測量數(shù)據(jù)及誤差分析
Bit7:0表示讀命令,用于讀取ATT70 22B的計量及校表寄存器。
Bit7:1表示寫命令,用于更新校表數(shù)據(jù)。
Bit6…0:表示數(shù)據(jù)地址,可參考數(shù)據(jù)輸出寄存器。
SPI讀工作過程中,通過SPI寫入一個8Bits的命令字之后,需要一個等待時間,然后才能通過SPI讀取24Bits的數(shù)據(jù)。在SCLK低于200kHz時,可以不需要等待;當(dāng)SCLK頻率高于200kHz時,則需要等待大約3us。
SPI寫操作時序圖如圖3。外部處理器可通過SPI對ATT7022B的校表寄存器進(jìn)行寫操作。
其命令格式為
Bit7/6:1 0表示寫命令,用于更新校表數(shù)據(jù)寄存器。
Bit7/6:1 1表示寫入特殊命令字。Bit7: 0表示讀命令,用于外部處理器讀取ATT7022B的計量數(shù)據(jù)。
Bit5…0:表示數(shù)據(jù)地址,可參考校表寄存器。
SPI寫工作過程中,通過SPI寫入一個8Bits的命令字之后,不需要一個等待時間,
繼續(xù)通過SPI寫入24Bits的數(shù)據(jù)即可。
校表是對各相電流增益、電壓增益、功率增益、相位進(jìn)行補(bǔ)償,功率增益不要分段。相位校正可根據(jù)精度要求,考慮分段或不分段進(jìn)行。分段是按電流的大小來分,對相位校正,最多可分五段進(jìn)行。ATT7022B做軟件校表時,一般來說電壓、電流校正,啟動電流設(shè)置,斷相閾值電壓設(shè)置,均沒有順序上的要求,但在進(jìn)行功率增益校正時,應(yīng)先設(shè)置合相能量累加模式(這個步驟也可省去,直接使用缺省值)、電壓通道ADC增益和高頻輸出參數(shù),這是功率校正的條件,而后先作功率增益校正,再進(jìn)行相位校正,相位校正是在完成功率增益校正后進(jìn)行的。所有校正都是在相應(yīng)的校表寄存器參數(shù)為零的條件下進(jìn)行的[2]。
電能表主要功能是計量有功無功電量,對其精度的測試是判斷產(chǎn)品是否滿足設(shè)計要求首要條件,常用的測試方法是用精度更高的表(稱作標(biāo)準(zhǔn)表)做參考,觀察其與標(biāo)準(zhǔn)表的誤差有多大,并把誤差大小作為判斷其合格與否的重要參數(shù),圖4為誤差測試圖,該實(shí)驗(yàn)主要是對有功、無功、電壓、電流、頻率等參數(shù)進(jìn)行測試。這些數(shù)據(jù)都通過SPI通訊接口傳輸出來。所以只要能正確獲得相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù),那么就能驗(yàn)證SPI設(shè)計的正確性。
精密電源臺提供電壓、電流分別給電能表與精度為萬分之五(0.05級)的標(biāo)準(zhǔn)表,通過標(biāo)準(zhǔn)表可測試有功、無功功率的誤差。通過電能表LCD顯示器可讀取電壓、電流、頻率值,并與電源顯示的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較,計算出誤差。對電壓、電流、頻率的測試過程是:讀取電源臺顯示的電壓、電流、頻率值,同時通過LCD讀取電能表顯示的電壓、電流、頻率值,將測試的數(shù)據(jù)計算出相對誤差與絕對誤差。因以前沒有電能表顯示電壓電流值的國家標(biāo)準(zhǔn),根據(jù)1級表的概念,電壓、頻率的相對誤差應(yīng)小于1%,由于電流屬于電能中變化范圍非常寬的參數(shù),對其小信號的判斷不能按上述辦法,根據(jù)經(jīng)驗(yàn),電流的絕對誤差應(yīng)小于0.1安培。表1記錄了電壓的測試結(jié)果,按照上述判斷依據(jù),電能表顯示的電壓值滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。而且也表明本文所設(shè)計的SPI工作穩(wěn)定可靠。
本文提出在電能表設(shè)計中使用FPGA實(shí)現(xiàn)電能表內(nèi)部數(shù)據(jù)顯示在外部顯示其的方法,通過整機(jī)調(diào)試實(shí)驗(yàn)證明,該方法可行并且實(shí)用。本論文為進(jìn)一步使用FPGA替代MCU來實(shí)現(xiàn)電能表的功能控制及通訊控制做了開拓性的研究,為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)更高速的電能表的控制系統(tǒng)研究另辟了一條研究方向。
[1]郭松林,林海軍,張禮勇.電子式電能表專用芯片分類及原理[J].電測與儀表,2002,39(10):5-7.
[2]楊蕾,黃光明.ATT7022B自動校表平臺的實(shí)現(xiàn)[J].電測與儀表,2007,44(5):58-60.