余敏琪， 朱銀昕， 譚海波， 郭光， 劉治國(guó)

(1.國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司，湖南長(zhǎng)沙410004；2.智能電氣量測(cè)與應(yīng)用技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長(zhǎng)沙410004)

0 引言

隨著國(guó)家能源戰(zhàn)略發(fā)展,電力線載波通信技術(shù)(PLC)在智能電網(wǎng)建設(shè)中起著越來(lái)越重要作用[1-2]。智能電網(wǎng)要求用電信息采集系統(tǒng)應(yīng)具有遠(yuǎn)程抄表 (AMR)、負(fù)載控制、變壓器監(jiān)控、電能質(zhì)量遠(yuǎn)程測(cè)量、安全監(jiān)視、分時(shí)費(fèi)率 (TOU)、動(dòng)態(tài)計(jì)費(fèi)及其它各種增值服務(wù)功能等,同時(shí)國(guó)網(wǎng)公司針對(duì)用電信息采集系統(tǒng)建設(shè)提出了 “電力用戶全面覆蓋”“用電信息全面采集”“支持全面電費(fèi)控制”的建設(shè)目標(biāo),然而以往的窄帶載波很難符合以上要求。HPLC電力線載波技術(shù)的出現(xiàn),提高了電力線數(shù)據(jù)傳輸速率,為國(guó)家電網(wǎng)重點(diǎn)推進(jìn)的智能電網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目和四表合一工程提供助力[3]。

至今為止國(guó)家電網(wǎng)和南方電網(wǎng)已累計(jì)招標(biāo)智能電表超過(guò)5億臺(tái)。因載波模塊數(shù)量關(guān)系,其功耗對(duì)電網(wǎng)能源消耗是很大的,對(duì)載波模塊功耗的的控制顯得尤為重要。HPLC模塊功耗從作為用電信息采集系統(tǒng)檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)范中的重要指標(biāo),其動(dòng)態(tài)及靜態(tài)功耗在相關(guān)規(guī)范中有詳盡說(shuō)明[4]。

HPLC模塊功耗測(cè)試有兩個(gè)特點(diǎn)[5-7]:①動(dòng)態(tài)功耗變化快。以某廠家模塊為例,對(duì)于窄帶PLC模塊,數(shù)據(jù)傳輸速率低,相同數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)間較長(zhǎng)。以調(diào)制方式為BPSK的模塊為例,發(fā)送長(zhǎng)度為16 Byte的應(yīng)用層報(bào)文,需要138 ms。對(duì)于HPLC模塊,數(shù)據(jù)傳輸速率高,相同數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)間較短,發(fā)送長(zhǎng)度為16 Byte的應(yīng)用層報(bào)文,需要2.97 ms。因此要求測(cè)量HPLC模塊的功耗測(cè)量?jī)x器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)非常高。②交流功耗精度高。PLC載波模塊交流部分電力損耗較低,約幾十毫瓦,要求功耗測(cè)量?jī)x交流測(cè)試部分非常精準(zhǔn)。

目前普通儀表很難滿足以上兩個(gè)特點(diǎn),本文針對(duì)以上兩個(gè)HPLC模塊功耗測(cè)試特點(diǎn),設(shè)計(jì)一款功耗測(cè)試設(shè)備。

1 功耗測(cè)試儀工作原理

HPLC模塊功耗測(cè)試儀采用模塊化設(shè)計(jì),主要包括MCU模塊、電源負(fù)載模塊、直流功耗測(cè)試單元、交流功耗模塊、顯示模塊和網(wǎng)絡(luò)通信模塊[8]。其中直流功耗測(cè)試單元和交流功耗測(cè)試單元設(shè)計(jì)為兩組,分別測(cè)試電能表模塊和集中器模塊,兩個(gè)待測(cè)設(shè)備同時(shí)連接到一個(gè)電源負(fù)載模塊上,可以通過(guò)組網(wǎng)抄表測(cè)試待測(cè)設(shè)備的動(dòng)態(tài)功耗。如圖1所示,MCU模塊將直流功耗單元和交流功耗的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,并將測(cè)試結(jié)果傳遞到顯示模塊,也可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信模塊將數(shù)據(jù)上傳到PC端的上位機(jī)軟件。HPLC模塊功耗由兩部分組成:12 V直流功耗和220 V交流功耗,其中直流功耗起主要作用,交流功耗一般很小,主要是模塊的過(guò)零電路功耗。

圖1 系統(tǒng)接線圖

1.1 電源負(fù)載模塊設(shè)計(jì)

電力線負(fù)載能夠影響HPLC模塊功耗。在電源接入功耗測(cè)試儀后,首先要將電源作一定處理,在模塊交流電接入前,需將電源作標(biāo)準(zhǔn)化處理,然后接入用來(lái)穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)的線路阻抗,既能避免外部載波干擾系統(tǒng),也能供應(yīng)給系統(tǒng)測(cè)試所需的穩(wěn)定電力線負(fù)載,如圖2所示。

電源經(jīng)變壓、整流、濾波后,為整個(gè)測(cè)試儀提供12 V,5 V,3.3 V電壓。直流電源設(shè)計(jì)參數(shù)為:輸出精度優(yōu)于1%,不同負(fù)載下 (輸出電流0～0.5 A)電壓穩(wěn)定度≤1%。

圖2 線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)

1.2 直流功耗測(cè)試單元設(shè)計(jì)

直流平均功耗測(cè)量的一般方法是選取一個(gè)時(shí)間段,通過(guò)適當(dāng)?shù)牟蓸勇蕘?lái)等間隔采樣n組瞬時(shí)電壓ui和電流ii的值[9],公式 (1)計(jì)算平均功耗P。

瞬時(shí)功耗是電壓采集數(shù)值和電流采集數(shù)值乘積。電壓采樣:HPLC模塊電源電壓為12 V,ADC采樣芯片的測(cè)量限度為3.3 V,超過(guò)AD采樣電壓限度,電壓采樣采用電阻分壓的方式,分別使用47 K和10 K的高精度電阻,使AD采樣電壓約為2.1 V,滿足ADC芯片采樣要求。電流采樣:根據(jù)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)推算,HPLC模塊靜態(tài)電流小于100 mA,動(dòng)態(tài)電流小于500 mA,電流采樣設(shè)計(jì)要達(dá)到500 mA,精度為1 mA。如圖3所示,電流采樣是將高精度低阻值的采樣電阻串到12 V電源上,使用精密差分運(yùn)放,先將采樣電阻兩端電壓進(jìn)行比較,然后進(jìn)行放大,輸出一個(gè)合適的電壓信號(hào)到單片機(jī) AD。運(yùn)放使用 TI公司的電流采樣芯片INA282,此芯片可以將采樣電阻兩端的電壓差放大50倍。具有以下特點(diǎn):寬共模范圍為-14 V～80 V,偏移電壓±20μV,共模抑制比 140 dB,±1.4%增益誤差 (最大值),0.000 5%/℃增益漂移 (最大值)。

圖3 電流采樣部分原理圖

1.3 交流功耗測(cè)試單元設(shè)計(jì)

一般HPLC模塊的交流功耗主要是過(guò)零電路功耗,計(jì)算方法與公式 (1)相同,通過(guò)電壓采樣和電流采樣計(jì)算交流功耗。交流電壓和電流采樣單元使用非隔離方案,與MCU模塊之間使用傳輸數(shù)據(jù)需要光耦隔離。

交流功耗采集使用上海東軟載波微電子有限公司的電能計(jì)量芯片ESEM16,ESEM16內(nèi)部集成高精度電能計(jì)量模塊的MCU,其中包括用于電流和電壓采樣的兩個(gè)24位ADC,參考電壓源和有功能量計(jì)量專用DSP核各一個(gè)?？梢杂?jì)量有功電能,測(cè)量電壓、電流有效值,計(jì)算平均有功功率。溫度25℃條件下,1 000︰1動(dòng)態(tài)范圍內(nèi),有功電能計(jì)量誤差小于0.1%；500︰1動(dòng)態(tài)范圍內(nèi),電壓和電流有效值測(cè)量誤差小于1%。ESEM16模擬前端包括兩個(gè)可編程增益放大器,一側(cè)的電流放大,增益可實(shí)現(xiàn)1、2、4、8、16、32倍,電壓采樣的增益可實(shí)現(xiàn)1、2、4、8倍。PGA后為兩個(gè)24位AD采樣,芯片內(nèi)部包含1.3 V的精密參考電壓源,實(shí)現(xiàn)高精度的電壓采樣。交流采樣電路如圖4所示。

圖4 交流功耗測(cè)試原理圖

電壓采樣采用高精度電阻分壓的方式,ESEM16電壓采樣要求輸入信號(hào)為 100μV到500 mV,根據(jù)220 V的有效值計(jì)算,設(shè)計(jì)輸入信號(hào)為100 mV,根據(jù)電阻分壓可計(jì)算得R89＝1 kΩ,R78＝R79＝R80＝R81＝510 kΩ。 電流采樣采用在電力線上串上高精度低阻值電阻方式,ESEM16要求電流采樣輸入信號(hào)為5μV到25 mV。則Pmin/220×R95＞5μV,Pmax/220×R95＜25 mV。 模塊的交流功耗主要在過(guò)零電路處,功耗很小,考慮不同廠家模塊交流功耗波動(dòng),交流功耗范圍設(shè)為1～300 mW。根據(jù)上述計(jì)算,采樣電阻包括1.1R＜R95＜18.3R,這里選取采樣電阻10R進(jìn)行功耗測(cè)試。

1.4 MCU模塊設(shè)計(jì)

MCU模塊是功耗測(cè)試儀核心模塊。MCU選擇為ST公司的STM32F207ZE芯片,此芯片具有高速的運(yùn)行主頻和應(yīng)用接口,ADC模塊具有12 bit測(cè)量精度和30 MHz的采樣率,能夠滿足HPLC動(dòng)態(tài)功耗測(cè)試要求。

1.5 顯示模塊和網(wǎng)絡(luò)通信模塊設(shè)計(jì)

顯示模塊采用觸摸顯示屏,可以通過(guò)界面和系統(tǒng)交互,進(jìn)行靜態(tài)功耗和動(dòng)態(tài)功耗測(cè)試。網(wǎng)絡(luò)通信模塊可以與上位機(jī)軟件交互,支持遠(yuǎn)程控制,能夠?qū)y(cè)試數(shù)據(jù)上傳給PC端上位機(jī),便于將功耗測(cè)試儀集成于其他測(cè)試系統(tǒng)中。

2 功耗測(cè)試儀軟件實(shí)現(xiàn)

功耗測(cè)試儀軟件包括兩個(gè)部分:MCU程序和交流采集芯片ESEM16程序,兩者之間數(shù)據(jù)通過(guò)串口交互,串口連線使用光耦隔離。圖5顯示測(cè)試軟件設(shè)計(jì)框圖。

圖5 系統(tǒng)主程序流程

測(cè)試儀軟件在采樣開始前,首先對(duì)系統(tǒng)初始化,然后系統(tǒng)會(huì)從顯示屏或上位機(jī)軟件中獲取測(cè)試指令,判斷是否為靜態(tài)功耗。如果是靜態(tài)功耗,將直接進(jìn)入數(shù)據(jù)采集和分析處理流程；如果是動(dòng)態(tài)功耗測(cè)試,則進(jìn)入組網(wǎng)流程。組網(wǎng)過(guò)程與實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)臺(tái)區(qū)應(yīng)用類似,首先是MCU模塊模擬虛擬電能表和虛擬集中器,把集中器模塊參數(shù)區(qū)初始化,然后下載表檔案,重啟集中器模塊。此后,系統(tǒng)會(huì)循環(huán)查詢組網(wǎng)狀態(tài),待組網(wǎng)完成,進(jìn)入動(dòng)態(tài)功耗測(cè)試流程。

2.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集主要包括直流電壓電流采集和交流電壓電流采集。MUC模塊可以直接采集直流電壓電流,采集到的二進(jìn)制數(shù)據(jù)可以通過(guò)電路分壓公式算成電流和電壓,從而可以計(jì)算出直流瞬時(shí)功耗。啟動(dòng)一輪采樣,每個(gè)通道按照采樣序列各采集10次,每個(gè)序列采集480Cycles,這樣完成一輪采樣需要(2×10×480)/30 000 000＝320μs, 在程序中延時(shí)1 000μs用來(lái)完成采樣,在完成一輪采樣之后進(jìn)行計(jì)算,整個(gè)計(jì)算耗時(shí)約3μs。

交流采集是由ESEM16完成,可以通過(guò)讀取有功功率寄存器 (EM_PA)值換算得到,EM_PA為一個(gè)32位有符號(hào)數(shù),以二進(jìn)制補(bǔ)碼形式表示,負(fù)數(shù)代表實(shí)際的電能方向?yàn)樨?fù)向。計(jì)算公式:

式中,DATA為讀取的相應(yīng)的有功功率寄存器值的十進(jìn)制數(shù)值；R為錳銅分流器的阻值,Ω；k為電壓通道的分壓比 (k＞1)；Gi和Gu為電流和電壓通道PGA增益；Vref為ADC參考電壓,Vref＝1.3 V。交流采集完成后通過(guò)監(jiān)聽串口直流,將測(cè)試數(shù)據(jù)發(fā)送到MCU模塊。

2.2 數(shù)據(jù)分析及處理

在靜態(tài)功耗測(cè)試中,系統(tǒng)程序?qū)γ總€(gè)采樣序列中的各個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理,清除數(shù)據(jù)中存在的誤差,以保證采樣數(shù)據(jù)的真實(shí)性及可用性[10]。軟件程序采用的是限幅平均濾波算法,這種算法能夠有效克服因偶然因素引起的脈沖干擾[11-15],對(duì)電網(wǎng)中大量的隨機(jī)噪聲起到明顯的消除作用。

HPLC模塊動(dòng)態(tài)發(fā)送時(shí)間很短,測(cè)試儀測(cè)試數(shù)據(jù)會(huì)包含動(dòng)態(tài)功耗數(shù)據(jù)和靜態(tài)功耗數(shù)據(jù),對(duì)采集數(shù)據(jù)的濾波處理與靜態(tài)功耗不同。如圖6動(dòng)態(tài)功耗測(cè)試數(shù)據(jù),模塊發(fā)送時(shí)的功耗遠(yuǎn)大于靜態(tài)功耗,在處理動(dòng)態(tài)功耗測(cè)試數(shù)據(jù)時(shí),設(shè)置一個(gè)閾值Pthreshold,當(dāng)大于此閾值時(shí),認(rèn)為是動(dòng)態(tài)功耗,小于此閾值時(shí)為靜態(tài)功耗。在獲取多組動(dòng)態(tài)功耗數(shù)據(jù)后,再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理,減少電網(wǎng)中大量的隨機(jī)噪聲對(duì)動(dòng)態(tài)功耗測(cè)試結(jié)果的影響。

因功耗測(cè)試儀使用元器件精度問(wèn)題,測(cè)試數(shù)據(jù)會(huì)有偏移,功耗測(cè)試儀需要加入功耗補(bǔ)償校準(zhǔn)機(jī)制,本方案功耗補(bǔ)償校準(zhǔn)是在測(cè)試結(jié)果中加入固定損耗值ΔP。

圖6 動(dòng)態(tài)功耗測(cè)試數(shù)據(jù)

2.3 數(shù)據(jù)顯示及遠(yuǎn)程控制

顯示模塊通過(guò)串口與MCU模塊通信,可以將顯示屏操作轉(zhuǎn)化為串口指令操控功耗測(cè)試儀測(cè)試。同樣MCU模塊將測(cè)試結(jié)果發(fā)送給顯示模塊,顯示模塊顯示測(cè)試結(jié)果。

網(wǎng)絡(luò)通信模塊實(shí)現(xiàn)功耗測(cè)試儀的遠(yuǎn)程控制,通過(guò)TCP/IP協(xié)議與PC端上位機(jī)通信,遠(yuǎn)程通信應(yīng)用層協(xié)議為定制協(xié)議,協(xié)議中有對(duì)數(shù)據(jù)的CRC校驗(yàn),增加數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的安全性和穩(wěn)定性。

3 測(cè)量結(jié)果比較及分析

為了確認(rèn)功耗測(cè)試儀的精確性及實(shí)用性,使用不同的測(cè)試方式對(duì)電能表HPLC模塊進(jìn)行靜態(tài)功耗和動(dòng)態(tài)功耗的測(cè)量比較。為了排除個(gè)體差異,本測(cè)試選取十個(gè)電能表模塊進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 測(cè)試結(jié)果對(duì)比

從測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)可以看出,在不同的測(cè)量方式下,靜態(tài)功耗測(cè)試結(jié)果基本一致,但在測(cè)試量動(dòng)態(tài)功耗時(shí),表現(xiàn)出了一定的差異性。動(dòng)態(tài)功耗測(cè)試儀與某省網(wǎng)計(jì)量中心測(cè)試結(jié)果較為一致,某功率計(jì)測(cè)試結(jié)果與其他兩種方式差異較大,這主要是某功率計(jì)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢,測(cè)量速率跟不上HPLC模塊發(fā)送時(shí)的功耗變化。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種HPLC功耗測(cè)試儀的設(shè)計(jì)方法,主要由MCU模塊、電源負(fù)載模塊、直流功耗測(cè)試單元、交流功耗模塊、顯示模塊和網(wǎng)絡(luò)通信模塊組成。該測(cè)試儀利用高采樣率的ADC芯片和高精度的交流功耗計(jì)量芯片,使直流功耗測(cè)量響應(yīng)快,交流功耗測(cè)量精準(zhǔn)。通過(guò)測(cè)量結(jié)果證明本方案設(shè)計(jì)的功耗測(cè)試儀在動(dòng)態(tài)功耗上更為精準(zhǔn),此外,本設(shè)計(jì)方案成本更低,攜便性和可集成性更好。

由于本測(cè)試儀在攜便型、低成本及可集成性的技術(shù)優(yōu)勢(shì),特別是該測(cè)試儀的高動(dòng)態(tài)響應(yīng),并可以高精度測(cè)量交流功耗,為HPLC模塊功耗的精確測(cè)量提供了一種新的方法,可以廣泛運(yùn)用到各類HPLC模塊的功耗測(cè)量中。