劉艷妮

海軍駐上海711所軍事代表室，上海 200063

0 引言

為了適應(yīng)船舶電力系統(tǒng)自動(dòng)化，網(wǎng)絡(luò)化和智能化發(fā)展的需要，研制開(kāi)發(fā)了一款電量監(jiān)測(cè)模塊系統(tǒng)。模塊可與斷路器配套使用，實(shí)時(shí)采集斷路器所在節(jié)點(diǎn)的電壓、電流、有功功率、視在功率和頻率等參數(shù)。同時(shí)帶有通信接口，可與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，便于實(shí)現(xiàn)全船配電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)遠(yuǎn)程集中控制和信息分析管理。系統(tǒng)采用了專門的電能計(jì)量芯片，簡(jiǎn)化了硬件電路，縮短了開(kāi)發(fā)周期，提高測(cè)量精度。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 總體硬件設(shè)計(jì)

電量監(jiān)測(cè)模塊采用插入式安裝方式，安裝于斷路器和底座中間。測(cè)量和計(jì)算得到的電網(wǎng)參數(shù)數(shù)據(jù)通過(guò)RS232或RS485 通信接口和上位機(jī)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換。由于斷路器內(nèi)部溫度較高，因此在電路設(shè)計(jì)時(shí)，除了選擇耐溫等級(jí)較高或溫漂小的元器件，同時(shí)采用較簡(jiǎn)化的電路，提高電路的可靠性。

整個(gè)系統(tǒng)以電能計(jì)量芯片ADE7758為測(cè)量核心，以MSC1210為系統(tǒng)處理器。硬件電路結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。電流、電壓互感器采樣信號(hào)經(jīng)低通濾波后輸入到ADE7758芯片，ADE7758芯片完成模擬量的分析、計(jì)算和存儲(chǔ)。CPU通過(guò)SPI口對(duì)ADE7758進(jìn)行讀寫(xiě)操作，獲得需要的電壓、電流、功率和頻率等數(shù)據(jù)，然后進(jìn)一步分析處理。系統(tǒng)帶有RS485/232通訊接口，可根據(jù)上層機(jī)的請(qǐng)求，上傳電網(wǎng)參數(shù)。

圖1 硬件電路結(jié)構(gòu)框圖

1.2 ADE7758基本特性

ADE7758是美國(guó)AD公司生產(chǎn)的一款高精度三相電量測(cè)量專用芯片，支持多電網(wǎng)模式選擇，被測(cè)基波頻率可以選擇45～65Hz,支持三相三線制和三相四線制接線法。ADE7758具有6路A/D采樣通道，帶有兩路脈沖輸出功能和一個(gè)串行接口，集成了數(shù)字積分器，基準(zhǔn)電路，溫度傳感器，以及所有進(jìn)行有功，無(wú)功和視在電能計(jì)量以及有效值計(jì)量所需的信號(hào)處理元件，擴(kuò)展性強(qiáng)。ADE7758為各相提供系統(tǒng)校準(zhǔn)功能，包括有效值偏移校準(zhǔn)、相位校準(zhǔn)、功率校準(zhǔn)。所有數(shù)據(jù)以及校正參數(shù)可以通過(guò)SPI串行接口與外部CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞交換，與CPU的串行通訊是由SCLK，DIN，DOUT，CS，IRQ5個(gè)信號(hào)完成的。

1.3 MSC1210的性能

MSC1210是美國(guó)TI公司生產(chǎn)的專用單片機(jī)，主要面向數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。它集成了高性能8051處理器內(nèi)核、Flash存儲(chǔ)器和32位累加器、兼容SPI串口等多種片上外設(shè)。具有優(yōu)良的模擬特性和數(shù)字特性，片上集成高精度參考電壓，溫漂為5ppm/℃；速度快，每個(gè)指令周期只需4個(gè)時(shí)鐘周期，比標(biāo)準(zhǔn)MCS51快3倍，降低了系統(tǒng)的功耗。MSC1210 相對(duì) 8051 單片機(jī)還新增了一些功能寄存器，以完成對(duì)外設(shè)的控制功能。如可編程看門狗定時(shí)器，對(duì)系統(tǒng)程序的運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)控, 確保系統(tǒng)可靠運(yùn)行。此外，F(xiàn)LASH存儲(chǔ)器可以串行編程，適合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試。

圖2 電壓信號(hào)處理電路

1.4 電壓信號(hào)采集

電壓信號(hào)采集和處理電路如圖2所示。其中，T1為電壓互感器，電阻R17將被測(cè)交流電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成小電流，電壓互感器次級(jí)感應(yīng)同樣大小電流，經(jīng)R14轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)濾波后，直接接入ADE7758的輸入端口。電壓互感器同時(shí)具有隔離作用。

1.5 電流信號(hào)采集

電流信號(hào)采集和處理電路如圖3所示。電流互感器輸出經(jīng)過(guò)放大濾波后送至ADE7758。由于內(nèi)置式對(duì)元件尺寸的限制，加上需要測(cè)量的電流信號(hào)范圍較大。如果采用通常的帶鐵心電流互感器，則互感器外形尺寸會(huì)比較大，同時(shí)線圈中產(chǎn)生較大電流，容易發(fā)熱。所以采用了羅柯夫斯基線圈式微型電流互感器（即空心互感器）。由于沒(méi)有鐵心，不存在飽和現(xiàn)象，測(cè)量范圍大，線圈中幾乎無(wú)電流，不易發(fā)熱。采用的微型電流互感器電流比是額定電流/5mA。空心電流線圈結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，造價(jià)低，使用結(jié)果表明該微型電流互感器很好的滿足了設(shè)計(jì)需求。

圖3 電流信號(hào)處理電路

1.6 供電保護(hù)電路

系統(tǒng)采用外供電模式，輸入電源經(jīng)過(guò)保護(hù)電路，如圖4所示。其中D3是TVS管，用于抗浪涌；二極管VD3用于防止電源接反。外供電模式保證了系統(tǒng)在斷路器斷電后可以正常通信，電源保護(hù)電路保證了整個(gè)硬件電路的供電安全。

圖4 供電保護(hù)電路

2 軟件設(shè)計(jì)

圖5 主程序流程圖

由于采用電能計(jì)量芯片，CPU的計(jì)算量大大減少。主程序流程圖如圖5所示。上電后，先進(jìn)行數(shù)據(jù)的初始化，然后讀取ADE7758中的電量參數(shù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通訊處理。程序中還包含定時(shí)中斷和通訊中斷。數(shù)據(jù)處理程序?qū)DE7758送出的各種電量參數(shù)計(jì)算得到需要的電壓值、電流值和功率值等。通訊處理程序根據(jù)接受的上位機(jī)報(bào)文請(qǐng)求，進(jìn)行相應(yīng)應(yīng)答。定時(shí)器中斷中包含了功率的計(jì)算。通訊中斷程序是響應(yīng)上層通訊請(qǐng)求，并存儲(chǔ)上層請(qǐng)求報(bào)文。

為保證電壓、電流測(cè)量值的精度，我們對(duì)電量監(jiān)測(cè)模塊按電流規(guī)格等級(jí)進(jìn)行標(biāo)定,用以消除電量模塊由于硬件上的差異而帶來(lái)的測(cè)量誤差。電流標(biāo)定，是在10%In和100%In兩個(gè)點(diǎn)上，把測(cè)量值和標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比，來(lái)修正電流曲線。電壓標(biāo)定，是在50V和395V（或220V）兩個(gè)點(diǎn)上，把測(cè)量值和標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比，來(lái)修正電壓曲線。

3 測(cè)試結(jié)果

采用三相精密測(cè)試儀器對(duì)本方案設(shè)計(jì)的斷路器內(nèi)置電量監(jiān)測(cè)模塊（以額定電壓380V，電流100A規(guī)格的為例）進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，被測(cè)電壓范圍為135V～395V，電流范圍為0A～100A。對(duì)電壓、電流有效值測(cè)量精度進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果如表1，表2所示。

表1 電量監(jiān)測(cè)模塊電壓測(cè)量誤差

表2 電量監(jiān)測(cè)模塊電流測(cè)量誤差

測(cè)試結(jié)果表明，電壓在135V～395V時(shí)，測(cè)量誤差不超過(guò)1%，電流在0A～100A時(shí)，測(cè)量誤差不超過(guò)0.5%，可以滿足電網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)精度的要求。

4 結(jié)論

本文提供了利用AD7758開(kāi)發(fā)的電量監(jiān)測(cè)模塊，可提供豐富的電量參數(shù)，適用高溫環(huán)境，具有較高的工業(yè)價(jià)值。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案由上海電器科學(xué)研究所研制開(kāi)發(fā)，作為船用電網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的終端設(shè)備已投入安裝運(yùn)行。該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。對(duì)船舶電力系統(tǒng)向自動(dòng)化和智能化方向發(fā)展起到了積極作用。

[1]Ana1og Devices Po1y Phase Mu1tifunction Energy Metering IC with Per Phase Information ADE7758.

[2]Texas Instruments Precision Ana1og-to-Digita1 Converter(ADC)with 8051 Microcontro11er and F1ash Memory.

[3]華意電子有限公司.羅科夫斯基線.

[4]袁俊杰.中頻斷路器內(nèi)置電量附件的設(shè)計(jì)[J].低壓電器，2009(16).YUAN Junjie. Design of E1ectric Accessory Putting Inside Intermediate Frequency Breaker. Low Vo1tage Apparatus，2009(16).