宮 鵬 宮 玥 徐淑華

(青島大學(xué)自動化工程學(xué)院1，山東 青島 266071;青島有線電視網(wǎng)絡(luò)中心2，山東 青島 266000)

0 引言

目前，國內(nèi)電力系統(tǒng)已實行廠網(wǎng)分離，對多功能關(guān)口計量表具有較大的需求，它主要用于對大宗用戶、變電站和電廠的供用電進行計量。多功能關(guān)口計量表能夠給客戶提供電流、電壓、有功功率、無功功率、頻率、有功電量、無功電量、有功電度脈沖和無功電度脈沖等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，還能對線路的工作情況進行監(jiān)測并且具有數(shù)據(jù)遠傳功能。現(xiàn)在專用的能量采集芯片主要應(yīng)用于單相電表中，偶有廠家采用三塊單相電能計量芯片設(shè)計三相電能表。目前雖已有一些三相電能計量采集處理芯片面世，但在實際產(chǎn)品中的應(yīng)用還不多。該電能表利用單相有效值轉(zhuǎn)換芯片AD637和TLC2543模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣后，再利用單片機計算出電流、電壓、電能量等數(shù)據(jù)。實踐證明，該電能表可滿足計量精度要求［1－3］。

1 系統(tǒng)組成

整個系統(tǒng)由交流采樣測量模塊、電源模塊、主控模塊、通信模塊和顯示模塊幾部分組成。交流采樣和測量電路由電壓互感器、電流互感器、測量模塊和過零比較器組成，用于實現(xiàn)對電壓、電流、頻率、功率因數(shù)、有功功率和無功功率等數(shù)據(jù)的采集和處理。主控電路采用LPC2138U，用于完成對數(shù)據(jù)采集、計算、存儲、顯示系統(tǒng)和通信系統(tǒng)的控制。LPC2138基于ARM7內(nèi)核，具有I/O資源豐富、中斷服務(wù)控制靈活、運行高速穩(wěn)定和高頻性能優(yōu)良的特點。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖Fig.1 Block diagram of the system

2 硬件系統(tǒng)

2.1 主控模塊LPC2138

LPC2138是支持實時仿真和跟蹤的16/32位ARM7TDMI-STM CPU，并帶有64 kB RAM和512 kB的高速Flash存儲器。128位寬度的存儲器接口和獨特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在最高時鐘速率下運行。ARM7體系為32位構(gòu)架，它在處理數(shù)據(jù)時相對于8位單片機效率顯著提高，在處理大量長整型數(shù)據(jù)的乘除運算時，這種優(yōu)勢更為明顯。同時，LPC2138的SPI、SSP總線控制器可以使控制器更方便地與外部擴展設(shè)備進行連接。LPC2138主控制器直接采用了廣州周立功公司的EasyARM開發(fā)板，縮短了開發(fā)時間并有效保證了電路部分的穩(wěn)定性。系統(tǒng)晶振采用11.0592 MHz的外部晶振，通過內(nèi)置的鎖相環(huán)(phase-locked loop，PLL)倍頻電路，可以將主頻升高到44.2368 MHz，以滿足快速數(shù)據(jù)處理的要求［1］。

2.2 采樣電路設(shè)計

系統(tǒng)采用電壓、電流互感器分別對電壓、電流進行采樣?；ジ衅髂軌?qū)崿F(xiàn)初級電路與采樣電路的電氣隔離。由于電壓互感器耐壓值高達1000 V、電流互感器最大電流可以達10 A，因而提高了系統(tǒng)的安全系數(shù)，有利于獨立處理后級電路。三相電經(jīng)隔離采樣后，將交流信號送入AD637，輸出有效值送TLC2543進行A/D轉(zhuǎn)換，得到電壓和電流有效值;同時，交流信號通過過零比較器產(chǎn)生TTL方波信號，控制定時器計時，以測量頻率和功率因數(shù)［4］。

2.2.1 電流采樣電路

電流采樣電路由電流互感器從市電獲得電流信號，然后通過有效值轉(zhuǎn)換得到電流的有效值。在輸出端加入保護電路，用于采樣輸出保護，其中電容C1用于補償。電流采樣電路原理圖如圖2所示。

圖2 電流采樣電路Fig.2 Current sampling circuit

2.2.2 電壓采樣電路

電壓采樣時采用有源電壓互感器TVS1908-1，其設(shè)計電路與電流采樣基本相同，電路原理圖如圖3所示。

圖3 電壓采樣電路Fig.3 Voltage sampling circuit

2.2.3 A/D 轉(zhuǎn)換電路

三相電能表需要分別檢測6路電壓、電流信號并進行A/D轉(zhuǎn)化，且精度要求最低為2%。因此，需要使用多通道、高精度、高速轉(zhuǎn)換芯片。TLC2543是一種12位A/D轉(zhuǎn)換芯片，具有11路轉(zhuǎn)換通道，轉(zhuǎn)換時間僅為10 μs，最高可輸出16位數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換誤差為±1 LSB。為測量電壓電流的大小，采用AD637芯片將交流電進行真有效值轉(zhuǎn)換，得到直流有效值，然后送TLC2543進行轉(zhuǎn)換。

2.2.4 基準(zhǔn)電壓源電路

由于A/D轉(zhuǎn)換準(zhǔn)確度依賴于參考電壓VRef的精確度和穩(wěn)定性，故在A/D轉(zhuǎn)換芯片外圍應(yīng)設(shè)置專用的穩(wěn)壓供電電路。溫度系數(shù)、電壓穩(wěn)定性及抗噪聲性能是基準(zhǔn)源的重要指標(biāo)，其性能的好壞將直接影響到A/D轉(zhuǎn)換的精度和穩(wěn)定性。TL431是一個有良好的熱穩(wěn)定性三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源。該器件的典型動態(tài)阻抗為0.2 Ω。TL431典型輸出電壓為2.5 V時，其電壓輸出范圍為2.47 ～2.52 V，溫度系數(shù)為 30 ×10－6/℃，且具有極低的輸出噪聲。TL431構(gòu)成的基準(zhǔn)電壓源電路原理圖如圖4所示。

圖4 基準(zhǔn)電壓源電路Fig.4 Circuit of reference voltage resource

2.3 測量電路

2.3.1 頻率測量

由于正弦交流電不便于頻率的比較和測量，故在采樣環(huán)節(jié)次級設(shè)置過零比較器，以產(chǎn)生方波脈沖信號，便于數(shù)字邏輯電路的信號處理。

方波脈沖信號接入LPC2138的I/O端口，作為頻率測量的門控信號。在脈沖的高電平期間，微處理器根據(jù)軟件內(nèi)部延時設(shè)定延時時間t，并記錄延時個數(shù)，換算得到信號的半周期時間，進而求得電源頻率。

工頻電網(wǎng)頻率在50 Hz附近小幅波動，用被測信號計數(shù)測量正脈沖脈寬，加倍后得到一個周期的脈寬，再用“求周期倒數(shù)”的辦法求頻率。通過該方法得到的頻率精度相對較高。測量結(jié)果取決于設(shè)定修正的軟件延時，精度為。結(jié)合LPC2138運行高速的特點，誤差可被控制在較理想的范圍內(nèi)。

2.3.2 功率因數(shù)測量

功率因數(shù)的λ定義為在單相電路中電壓與電流參數(shù)的相位差θ的余弦值，即λ=cosθ。求取原理基于其定義，即對電壓、電流過零時間間隔計時，經(jīng)運算得到功率因數(shù)λ。

本設(shè)計利用采樣信號，經(jīng)過零比較器所產(chǎn)生的方波脈沖上升沿和下降沿，分別與交流電正弦波信號的正負過零點對應(yīng)，將產(chǎn)生的兩個方波脈沖傳送至微處理器的兩個I/O端口。利用在頻率測量中的軟件延時，設(shè)置計數(shù)啟停條件為兩個輸入方波脈沖上升沿或下降沿，得到滿足該條件的計數(shù)時間t，由式(1)求得λ值，即:

式中:T為電源周期;t為計數(shù)時間。

2.3.3 電壓、電流的測量

在交流電路中，有效值參數(shù)是表征電路在一個周期內(nèi)完成產(chǎn)生、傳輸和消耗功率的能力，它具有較高的參照價值。有效值參數(shù)被定義為單位周期內(nèi)電參量的均方根值，即:

式中:e為電參量的瞬時值;E為對應(yīng)的有效值參量。

將交流電壓電流信號送至有效值轉(zhuǎn)換芯片AD637，得到直流有效值，再送入A/D轉(zhuǎn)換器。由于AD637穩(wěn)定性好，具有較高的轉(zhuǎn)換精度，且不受外圍電路影響，編程實現(xiàn)起來簡單，因此測量電壓電路的有效值具有較高的準(zhǔn)確度。電壓、電流有效值測量電路如圖5所示。

圖5 測量電路Fig.5 Measuring circuit

2.3.4 電壓和電流相序檢測電路

相序檢測電路主要由一片CD4013雙D觸發(fā)器構(gòu)成，經(jīng)降壓、整流后的三相低電壓脈沖信號輸入到本級電路。A、B端的信號經(jīng)電阻限流后，作為觸發(fā)器的時鐘信號，C端信號作用于兩個觸發(fā)器的復(fù)位端。發(fā)光二極管作為指示燈，若相序順序正確，則發(fā)光二極管亮;否則發(fā)光二極管不亮，并將輸出送繼電器驅(qū)動電路，以控制主電路的輸出與否，實現(xiàn)負載保護功能。相序檢測電路原理如圖6所示。

圖6 相序檢測電路Fig.6 Phase sequence detection circuit

2.4 電壓保護電路的設(shè)計

電壓保護電路由自動量程選擇電路和電壓鉗位電路組成。當(dāng)采樣電壓超過設(shè)定值時，運放的輸出電壓由低電平轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖?，繼電器的常開觸點閉合，電阻R15和R17并聯(lián)到電壓互感器的ADJ和OUT管腳上，從而改變互感器的輸出電壓。額定電壓比例公式為:

同時，向單片機發(fā)送量程改變信號。系統(tǒng)按新的比例系數(shù)進行電壓測量。采樣端口的Q4和其基極兩端的分壓電阻一起組成電壓鉗位電路，當(dāng)電壓超過4.5 V時，將電壓鉗位在4.5 V。電流保護電路和電壓保護電路類似，也是由自動量程選擇電路和電壓鉗位電路組成的［6－8］。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)程序完成系統(tǒng)初始化，并實現(xiàn)各三相參數(shù)的測量與計算、掉電保護、存儲管理、鍵盤程控、LCD液晶顯示、密碼保護和RS-485通信等功能。

3.1 主程序流程

主程序流程如圖7所示。

圖7 主程序系統(tǒng)流程圖Fig.7 Flowchart of the main program

主程序主要起到導(dǎo)向和決策的作用，實現(xiàn)對系統(tǒng)各部分的初始化以及對數(shù)據(jù)采集、計算、存儲、顯示系統(tǒng)和通信系統(tǒng)的控制，并通過調(diào)用相應(yīng)的子程序，對交流采樣測量模塊、電源模塊、主控模塊、掉電存儲模塊、通信模塊和顯示模塊子程序進行管理和調(diào)度。

3.2 中斷服務(wù)子流程

中斷服務(wù)子程序采用周期定時觸發(fā)查詢事件處理的事件。設(shè)定時器時間為1 ms，每隔1 ms產(chǎn)生中斷，由中斷程序檢測事件是否發(fā)生。在中斷程序中，主要處理實時檢測的三相電的電壓、電流、頻率和功率因數(shù)的顯示和計算。

4 結(jié)束語

本文對三相電能表進行了精度測量，測試結(jié)果表明:該系統(tǒng)精度較高，電壓、電流、功率因數(shù)和頻率測量精確度較高，誤差在±0.5%，精度在1S級之內(nèi)，采樣電路的過載能力可承受10 A的電流沖擊，達到了設(shè)計要求。三相電能表集測量、保護和通信于一體，實現(xiàn)了對三相交流電各種參數(shù)，如有功、無功電能，有功和無功功率，以及電壓、電流和功率因數(shù)的測量。與傳統(tǒng)的設(shè)計方法相比，其不僅大大簡化了外圍電路、降低了成本，而且提高了設(shè)備的精度和可靠性，能夠方便地與上位機進行數(shù)據(jù)交換。

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