范大勇

(東南大學(xué) 建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京 210096)

0 引 言

隨著國家節(jié)能減排的不斷深入，能源消耗越來越得到廣泛的重視[1]。通過監(jiān)測電能消耗情況，可以逐步完善能耗管理，不斷改進(jìn)能耗優(yōu)化方案，這樣使得整體的能耗取得節(jié)能減耗的效果。高精度電能測量裝置作為智能電網(wǎng)的采集終端，在廣泛應(yīng)用的同時(shí)也朝著高精度、多功能、網(wǎng)絡(luò)化、高穩(wěn)定、多時(shí)段、高壽命等高附加值的智能方向發(fā)展[2]。

本文高精度電能測量的需求為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)一種低成本、功能多樣的電能測量裝置，對(duì)電力參數(shù)進(jìn)行有效地監(jiān)測，以適應(yīng)智能化的發(fā)展。

1 硬件設(shè)計(jì)

如圖1所示,電流采集采用了互感器進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的信號(hào)直接送入高精度電能采樣芯片ATT7022EU進(jìn)行采樣計(jì)算。開入量采樣利用光耦隔離把數(shù)字輸入信號(hào)傳輸給STM32的IO口進(jìn)行中斷處理；開出量直接由MCU的標(biāo)準(zhǔn)IO口輸出控制信號(hào)，通過低成本三極管開出緩沖電路控制繼電器。本系統(tǒng)充分利用MCU的USART功能，采用特別設(shè)計(jì)的雙光耦式通信隔離模塊，大大簡化通信模塊器件，形成標(biāo)準(zhǔn)RS—485通信接口。采用國際標(biāo)準(zhǔn)的Modbus-RTU協(xié)議，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)讀取或參數(shù)寫入。電表具有LCD段式液晶顯示模塊和4位按鍵輸入，方便用戶直觀地進(jìn)行人機(jī)交互。利用MCU的IIC功能，連接外部標(biāo)準(zhǔn)EEPROM存儲(chǔ)器，通過軟件設(shè)計(jì)，可靠存儲(chǔ)電表的設(shè)置參數(shù)和電能數(shù)值，在裝置失電時(shí)可長期保存各類數(shù)據(jù)。

圖1 測量裝置的原理結(jié)構(gòu)

1.1 信號(hào)采樣電路

本裝置正常的電流信號(hào)輸入為5 A，由于ATT7022EU內(nèi)置的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(analog to digital converter,ADC)輸入范圍為±0.5 V，所以，前端輸入的5 A電流信號(hào)必須通過互感器整流，轉(zhuǎn)換為合適的小信號(hào)便于芯片采樣[3]。選擇的互感器的原側(cè)和副側(cè)的比例是2 000︰1，輸入的5 A電流信號(hào)在互感器后轉(zhuǎn)換為2.5 mA的信號(hào)，通過68 Ω電阻采樣器，得到有效值為170 mV的電壓采樣信號(hào)輸入到芯片的電流輸入AD口。而輸入的電壓信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)是220 V，考慮到采樣芯片的輸入特性，直接使用電阻分壓的典型電路來設(shè)計(jì)。既可以減少電壓互感器的期間成本，同時(shí)在硬件上減小了電壓輸入回路的角差，使得采樣得到的結(jié)果更加準(zhǔn)確。通過電阻分壓電路，220 V電壓采樣信號(hào)被轉(zhuǎn)換成220 mV的電壓采樣信號(hào)輸入到采樣芯片的電壓輸入AD口。

圖2 信號(hào)采樣輸入電路

ATT7022EU內(nèi)部的AD采樣方式是差分采樣，需要配合標(biāo)準(zhǔn)RC濾波電路進(jìn)行濾波，進(jìn)一步保證采樣波形的精度。ATT7022EU內(nèi)部還含有高精度的AD采樣基準(zhǔn)，為了保證該基準(zhǔn)電壓的穩(wěn)定，需要在基準(zhǔn)輸出端加上10 μF和0.1 μF電容器進(jìn)行去耦。

圖3 信號(hào)采樣芯片電路

1.2 開入與開出電路

設(shè)計(jì)開入模塊采用光耦隔離方式輸入,外側(cè)采用隔離直流15 V電壓供電，并加入二極管防止電壓回流。在光耦前端采用RC濾波電路，用以減小在開關(guān)變化瞬間所產(chǎn)生的信號(hào)尖波，防止后端系統(tǒng)產(chǎn)生誤判。

圖4 開入電路原理

此處光耦選用了市面上較為常見的NEC2501光耦，光耦隔離電壓可達(dá)到AC2000 V。轉(zhuǎn)換后的電壓由內(nèi)部進(jìn)行5 V電壓偏至，直接輸出給微控制器引腳進(jìn)行采樣。

在開出電路設(shè)計(jì)上，獨(dú)特采用了三極管的驅(qū)動(dòng)方式，并且同時(shí)考慮到電能量校表的方便性，所以,在開出模塊上重疊設(shè)計(jì)了繼電器和光耦方式的可選兼容方式。設(shè)計(jì)不僅節(jié)約了成本，而且可以根據(jù)最終不同應(yīng)用場景需要選擇不同元件的安裝，用以達(dá)到不同的功能需求。

圖5 開出電路原理

1.3 通信電路

通信模塊上采用微控制器內(nèi)部的UART模塊輸出信號(hào)外加入光耦，起到數(shù)字化的電氣隔離作用[4]。考慮到實(shí)際的使用環(huán)境，選用了NEC2501光耦，并設(shè)計(jì)選用兩光耦的方式取代了傳統(tǒng)的三光耦設(shè)計(jì)方式，不僅節(jié)約了期間成本，而且節(jié)省了通信所用到的IO口數(shù)量。在光耦隔離后使用TI公司的RS—485總線芯片SN65HVD3082直接輸出RS—485通信接口。本設(shè)計(jì)中的通信端口波特率最高可以達(dá)到9 600 bit/s，光耦隔離電壓可達(dá)到AC2500 V，這樣的參數(shù)足以滿足實(shí)際使用的需求。

圖6 通信電路原理

2 軟件設(shè)計(jì)

軟件程序設(shè)計(jì)中，采用了標(biāo)準(zhǔn)的操作系統(tǒng)架構(gòu)。程序底層使用了實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS II[5]。程序的應(yīng)用層采用了模塊化設(shè)計(jì)，使得整個(gè)應(yīng)用層程序各分塊相互獨(dú)立，具有優(yōu)秀的可讀性和方便的可移植性。

測量裝置的應(yīng)用層功能模塊主要包括采樣計(jì)算程序、顯示程序、存儲(chǔ)程序以及通信程序。

2.1 采樣計(jì)算程序

設(shè)計(jì)采樣芯片采用了均方根值算法，不僅能準(zhǔn)確地測量正弦波電量，對(duì)波形畸變的電量同樣有效；芯片內(nèi)部把每周波采樣點(diǎn)數(shù)控制在64點(diǎn)以上，使得結(jié)果具有較高的可靠性和精度[6]。該計(jì)算方法離散化后的計(jì)算公式如下：

電流有效值

(1)

有功功率和無功功率

(2)

有功電能

(3)

式中N為每周期等間隔采樣點(diǎn)數(shù)，u(k),i(k)分別為第k次采樣的電壓、電流瞬時(shí)值，I為電流有效值，P為有功功率有效值，Q為無功功率有效值，W為有功電能。

設(shè)計(jì)采用的電能采樣芯片具有響應(yīng)速度快，計(jì)算精度高等特點(diǎn)，并且在100 ms內(nèi)即可將所有電路數(shù)據(jù)全部完成刷新。在采樣計(jì)算程序內(nèi)采用500 ms的定時(shí)中斷完成對(duì)采樣芯片內(nèi)所有數(shù)據(jù)的讀取，這樣的高頻率數(shù)據(jù)刷新，足以滿足裝置顯示的需求。

2.2 存儲(chǔ)程序

設(shè)計(jì)采用存儲(chǔ)芯片為標(biāo)準(zhǔn)的存儲(chǔ)芯片AT24C16,存儲(chǔ)容量為2 kB，相對(duì)于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中的鐵電存儲(chǔ)器,性能上有所欠缺，但其成本只需要鐵電存儲(chǔ)器的20 %。針對(duì)存儲(chǔ)芯片的性能不足，采用增加冗余校驗(yàn)的軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)，以達(dá)到可靠存儲(chǔ)的目的。軟件設(shè)計(jì)中根據(jù)存儲(chǔ)芯片功能劃分存儲(chǔ)段如表1。

表1 存儲(chǔ)芯片功能劃分

分段1，2，3中包含的數(shù)據(jù)塊采用整塊存儲(chǔ)方式，每個(gè)存儲(chǔ)塊最后1字為和校驗(yàn)區(qū)。寫入數(shù)據(jù)時(shí)獨(dú)立計(jì)算校驗(yàn)值并將整塊數(shù)據(jù)同時(shí)改寫入原地址及備份地址。在讀取數(shù)據(jù)時(shí)首先讀取原地址數(shù)據(jù)，讀取后計(jì)算校驗(yàn)值并與存儲(chǔ)的校驗(yàn)值比對(duì)，如正確直接采用，如校驗(yàn)值錯(cuò)誤，則延時(shí)1 s再次讀取原地址數(shù)據(jù)。如校驗(yàn)再次錯(cuò)誤則讀取備份地址數(shù)據(jù)。此時(shí)若備份數(shù)據(jù)校驗(yàn)正確，則使用備份數(shù)據(jù)改寫原數(shù)據(jù)，若校驗(yàn)錯(cuò)誤則延時(shí)1 s再次讀取備份數(shù)據(jù)，若再次錯(cuò)誤置報(bào)警標(biāo)志位，記錄存儲(chǔ)器異常事件ERR1。分段4中數(shù)據(jù)由出廠參數(shù)保存操作使數(shù)據(jù)塊整體存儲(chǔ)，存儲(chǔ)時(shí)存儲(chǔ)塊最后1字為和校驗(yàn)區(qū)。讀取時(shí)校驗(yàn)整體數(shù)據(jù)校驗(yàn)位，如錯(cuò)誤后置報(bào)警標(biāo)志位，記錄存儲(chǔ)器異常事件ERR2。分段5中數(shù)據(jù)寫入時(shí)可不按照數(shù)據(jù)塊整體存儲(chǔ)，可按照記錄分條存儲(chǔ)，但每條數(shù)據(jù)最后1字為和校驗(yàn)區(qū)。讀取時(shí)如正確直接采用，如校驗(yàn)值錯(cuò)誤，則放棄該次讀取的數(shù)據(jù)。

通過以上存儲(chǔ)軟件的設(shè)計(jì)，可以使得該裝置存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的安全性和可靠性得到較好的保證，從而在節(jié)省成本的同時(shí)保證了產(chǎn)品的優(yōu)良性能。

2.3 定時(shí)器中斷程序

定時(shí)器中斷程序主要是對(duì)系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)模塊進(jìn)行定時(shí)觸發(fā)。同時(shí)在定時(shí)器中斷中根據(jù)不同的時(shí)間分區(qū)分別進(jìn)行一些功能的掃描執(zhí)行操作，具體操作流程如圖7所示。

圖7 中斷程序流程

2.4 通信中斷程序

通信中斷程序分為接收中斷和發(fā)送中斷，接收中斷程序負(fù)責(zé)把RS—485端口接收的通信數(shù)據(jù)進(jìn)行一次校驗(yàn)，然后直接保存在接收緩存器中[7]。由主程序中的通信數(shù)據(jù)處理程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行提取、CRC校驗(yàn)和按照標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議進(jìn)行響應(yīng)，待在響應(yīng)完以后，將響應(yīng)結(jié)果放入發(fā)送緩存區(qū)等待發(fā)送，同時(shí)啟動(dòng)發(fā)送中斷。發(fā)送中斷在每發(fā)送完一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)后會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生第二次發(fā)送中斷，直到發(fā)送數(shù)據(jù)長度達(dá)到預(yù)置的數(shù)量后就會(huì)切換通信狀態(tài)到等待接收。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

把該裝置送至電力工業(yè)電力系統(tǒng)自動(dòng)化設(shè)備質(zhì)量檢驗(yàn)測試中心進(jìn)行了型式試驗(yàn)。其電能測量精度達(dá)到了0.5 s級(jí)的要求。主要性能測試數(shù)據(jù)結(jié)果如表2～表4所示。

首先對(duì)測量裝置的電流、電壓、頻率有效值測量精度進(jìn)行測試，測試結(jié)果如表2。

表2 電壓、電流、頻率測試數(shù)據(jù)

結(jié)果說明了測量裝置的基本電量測量精度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的0.2級(jí)誤差標(biāo)準(zhǔn)。

針對(duì)電能測量裝置的有功電能測量，選用電能表檢定標(biāo)準(zhǔn)源進(jìn)行分相、合相及不同電流檔的電能測量[8]。測試結(jié)果如表3。

表3 有功電能精度

結(jié)果說明了測量裝置的電能測量精度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的0.5 s級(jí)誤差標(biāo)準(zhǔn),如表4。

表4 EMC試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)環(huán)境條件：溫度25 ℃;相對(duì)濕度：50 %；標(biāo)準(zhǔn)源：N72230；標(biāo)準(zhǔn)源輸出精度：0.05 %；測試條件：電壓220 V；電流5 A，頻率50.00 Hz。

4 結(jié) 論

該電能測量裝置以STM32微控制器為核心，通過深入合理的硬件和軟件設(shè)計(jì)，在節(jié)約成本的同時(shí)，大大提高了電能的測量精度，使之能夠達(dá)到0.5 S級(jí)的要求。且裝置抗干擾能力強(qiáng)，EMC測試等級(jí)為四級(jí)；并實(shí)現(xiàn)了ModBus-RTU協(xié)議下的遠(yuǎn)程通信，使該裝置更加智能化，且實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程測控。該裝置目前已在工程大量應(yīng)用，并在使用中得到了用戶的好評(píng)。