电参数检测装置的研究

 1 电力仪器的现状及发展
微机技术在电力系统中的广泛普及应用，促使电力系统的测量和监控技术得到了快速发展。传统的仪表种类虽多，但获取的电力参数已经远远不能满足现代电力系统检测系统要求。研制出具有测量精度高、测量参数多、功能强大的数字化仪表代替原有传统仪表已经成为热点研究项目。电参数检测装置应该对目前工频电网中的多参数进行测量。例如电流、电压、频率、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数等。本文将针对传统电力仪表检测的不足对电参数检测装置提供方案设计。该装置可以替代传统电参数测量仪表，普遍适用于电力电网、自动化控制系统的现场监测显示。
2 研究思路
2.1 系统总体思路 本文采用ADE7758专业集成芯片为系统核心。它是一种专门用于电参数测量的计量芯片，通过SPI串口和MCU能够读取专用芯片ADE7758寄存器中的测量数值。根据所需系统的技术指标和基本功能要求，以及芯片功能描述可以确定了系统总体思路架构。其框图如图1所示。
2.2 电参数专用芯片的计量原理 近几年，微电子技术、计算机技术的飞速发展，有力的推动了智能电表技术的迅速更新与进步，国内外许多公司研制出不同测量原理的电表专用芯片。
测量的理论基础：电气量采集和计算的方法主要有两种，一种是直流采样算法，另一种是交流采样算法。
直流采样算法是采用测量电压、电流的平均值来计算电量有效值的[1]。可以证明当被测信号为工频正弦信号时，有效值与平均值的关系为：
Urms=1.11Uaav（1）
如果输入信号中含有谐波时，Urms和Uaav的关系将发生变化，并且谐波不同时，两者之间的关系也不同。众所周知谐波含量是不能测量的，因此上述关系式也随之变为无法确定。有分析表明，在谐波污染严重时会导致误差达10%以上。假设用含有此误差的电压、电流有效值来计算功率，功率的结果误差将远远大于10%，因此，直流采样法往往用于实验室理想情况下模拟仿真。
交流采样法原理是对被测信号瞬时值进行采样，再用一定的算法运算所测信号量。
在本文中，所计算的工频周期信号基本参数（P、U、I）进行真值测量所用的公式，均可看作是一种积分求平均值的计算，条件为采样最低频率只要大于信号傅里叶最高频率两倍。所采用的计算公式如下：
（1）电流的有效值为：
I=■（2）
（2）电压的有效值为：
U=■（3）
（3）有功功率为：
P=■■I■U■ （4）
（4）视在功率为：
S=UI（5）
（5）无功功率为：
Q=■ （6）
对于电压和电流的有效值测量，同步采样电路必须以模数转换精度高为主线，就理论分析而言，它能通过计算达到精度要求。对模拟信号进行采样时，应尽量提高采样频率，这样可确保模拟信号的完整性，但采样频率必须配合处理器速度、A/D转换速率以及采样保持器捕捉时间。根据采样定律可知，只需满足信号采样频率关系式，原来的连续信号即可恢复。通过采样频率fs对某频率为fc的信号实施采样时，在波形重建阶段会出现“（fs+fc）”、“（fs-fc）”两个分量。前者容易出现频带外被滤除，后者因采样频率较低，落于信号频带之内，产生混叠现象。这会导致原理性误差，使采样后的波形中增添了额外的低频分量。操作高精度电测仪器时，为规避高频干扰，采样频率通常较高，这样可确保被测信号的完整性，最大限度控制测量误差。
基于以上分析，本文选用一款电参数专用芯片ADE7758用于电路设计。ADE7758芯片内置高精度ADC以及专用数字处理电路，通过交流采样法进行采样。采用此款芯片可在提高精度和可靠性的前提下大大减少电路设计成本。
3 系统设计
系统拟用“MCU+ADE7758”设计方案。根据设计原理得知，电参数检测装置系统硬件包括通信、MCU微处理单元、输入变换单元和显示单元四部分。
3.1 输入变换单元设计 互感器实际也是变压器的一个特殊类别。电流互感器及电压互感器的选型应根据现场条件和运行要求而定。根据ADE7758数据手册，ADE7758的ADC输入范围是-0.5V～0.5V，选择输入幅度约一半量程左右可保证实时的计量精度。因此硬件采集的电流以及电压转换为ADE7785可识别输入范围内，电压和电流采集电路如图2和图3所示。
3.2 微处理单元 ADE7758适用于各种三相电路中测量有功功率、复功率、视在功率。芯片ADE7758处理信号原理为取自电流传感器与电压传感器的电压信号经放大以及模数变换后转换成相应的数字信号，然后采用相应关系计算电参数量，例如有功功率的提取方法是采用提取瞬间功率后经低通滤波后得到，瞬间功率是通过通道内的高通滤波器将电流信号中的直流分量滤除，同时对其进行数字积分，再与经相位校正Φ的电压信号互乘得到的。视在功率和复功率的计算与瞬间功率相同。
ADE7758模拟量输入有六路，包括三路通过差分输入的电流通道和三路电压通道。三条电流通道最大信号电压变化范围不超过±0.5V。电流通道输入端与可编程增益为1，2或4倍放大器连接。输入电压变化范围不超过
±0.5V，ADC的输入电压可通过增益寄存器来调节，电压值可设定为±0.5V，±0.25V，±0.125V。即ADC的基准参考端。ADE7758有校正功能，在得到的数值有偏移的情况下可对其进行校正。ADE7758具有一个内置的SPI接口。它与MCU的串行连接。
3.2.1 ADE7758的工作模式 ADE7758有4种工作模式，每种工作模式都有与其对应的设置寄存器，即测量模式→MMODE、操作模式→OPMODE、波形采样模式→WAVMODE、线电压周期积累模式→LCYCMODE，分别对应的设置寄存器为MMODE、OPMODE、WAVMODE和LCYCMODE。ADE7758初始化阶段必须对寄存器的配置进行优化设计。OPMODE是操作模式寄存器用来定义，ADE7758配置的设计包括所有电流通道的高、低通滤波器开关；是否禁止脉冲输出；是否将电流通道/电压通道的A/D转换器关断；是否进入睡眠状态等。若判断哪个通道需进行周期检测和峰值检测，可通过MMODE测量模式寄存器来完成。WAVMODE波形采样模式寄存器主要对波形采样频率及采样通道进行设定。线电压周期积累模式下的功能设置主要通过LCYCMODE完成。位0～位2用于定义是有功功率、无功功率和视在功率积累寄存器是否需要进入线电压周期积累模式。位3～位5用于定义功率寄存器读数后是否使寄存器归零。位7用于表示FREQ寄存器用来分辨频率与周期。COMPMODE寄存器，设置其0位与1位可以确定能量计算方式。若设定为00，则A相有功功率的计算方式为VA×IA；若设定成01，则通过VA×（IA-IB）来计算，不同的输入要求需要采取不同的设置。
3.2.2 ADE7758的计量相关寄存器 ADE7758中的计量相关寄存器：以A相为例，AWATTHR（有功功率）、AVARHR（无功功率）、AVAHR（视在功率）、AIRMS（电流有效值）和AVRMS（电压有效值）寄存器都与A相的测量值密切相关，这些寄存器经读数操作后与对应的系数互乘即可获取所需参数值。ADE7758可借助测量模式寄存器MMODE及线电压积累模式配置寄存器LCYCMODE寄存器提供线电压的频率或周期测量。对于测量模式寄存器MMODE，设定其0位和1位来判定需要进行测量的一相；A相、B相和C相分别用00、01和10表示。对于线电压积累模式配置寄存器LCYCMODE来说，用于表示周期寄存器是显示周期还是频率的配置应该是第7位[2]。这一位置高会使寄存器显示周期。默认值是位置低这样会使寄存器表示频率。
基于A相的有功功率脉冲输出进行分析，如果输出脉冲的脉冲常数达到提前设定的标准，必须对APCFDEN、APCENUM、AWG进行优化设计。AWG必须在功率的增益校准阶段进行优化设置，这样才能提高脉冲输出精度。ADE7758外围电路设计如图4所示。
3.2.3 AT89S52的应用 AT89S52单片机具有40个管脚，有PDIP、TQFP及PLCC等3种封装形式，以适应不同应用系统的需求，本设计中用的封装形式为PDIP。如图5所示。
AT89S52的主要性能：{1}与MCS-51单片机产品兼容；{2}8K字节在系统可编程Flash存储器；{3}1000次擦写周期；{4}全静态操作：0Hz～33Hz；{5}三级加密程序存储器； {6}32个可编程I/O口线；{7}三个16位定时器/计数器；{8}八个中断源；{9}全双工UART串行通道；{10}低功耗空闲和掉电模式；{11}掉电后中断可唤醒；{12}看门狗定时器；{13}双数据指针；{14}掉电标识符。
AT89S52的最小系统如图6所示。
3.3 显示单元设计 LCD分为段位式LCD、字符式LCD和点阵式LCD，段位式和字符式仅能用于字符显示，点阵式显示的内容除了数字和字符以外，还包括汉字、图形、曲线、动画，屏幕可以闪烁，也可以上下左右移动。经仔细甄选，本文选用深圳市耀宇科技有限公司的图形液晶显示模块YM12864为例，YM12864是一种图形点阵式液晶显示器，它主要由行驱动器/列驱动器及128×64全点阵液晶显示器HD61202组成。既可显示图形，也可显示8×4个（16×16点阵）汉字。图7为显示电路的设计。
3.4 通讯单元的设计 本文单片机与上位机的通讯，采用RS-232通讯方式。现阶段，RS-232串行接口在PC机和通信领域的应用最为广泛。RS-232被定义为一种在低速率串行通信中增加通信距离的单端标准。RS-232采取不平衡传输方式就是通常所说的单端通信。本文采用此通信方式。MAX232是MAXIM公司生产的，可以把输入的
+5v电压转换为RS-232接口所需的±10V电压，其外围电路如图8所示。
4 系统软件设计思路
软件是构成系统的基础部件。只有通过软件设计才可以实现硬件的各种操作，系统的性能和效率主要取决于软件设计。因此，软件设计的基本任务就是坚持优化调整软件结构，不断提高软件工作效率。
图9所示的软件系统是本软件主体架构。它是基于多重中断的方法设计而成。系统复位启动后，经自检和初始化，系统开始循环等待中断的产生，中断服务子程序就能体现出系统全部的功能，本文简述主体设计思想。
ADE7758的中断类型相当多，如错序、过热、过流、过压、欠流、欠压等，在保护中断的情况下，MCU通过ADE7758的中断状态寄存器的访问来定位故障源。
5 电参数检测误差分析与补偿
本软件应用专业的计量芯片ADE7758来测量电参数，因此芯片和输入转换电路的设计对测量精度的影响较大。[3]经分析确认，可能引起误差的原因主要来自三方面：
5.1 电流互感器导致的测量误差。电流互感器的角差与比差会影响测量精度，在激磁磁势的作用下可能出现电流误差及角误差。
5.2 电压输入通道的电气性能与电流输入通道不完全一致，会导致相位差。
5.3 输入转换电路中的采样电阻以及计量芯片本身的性能误差。另外测量数据的精确度还可能受到ADE7758外围电路干扰因素的影响[4]。
在本文中，拟用软件设计来补偿测量误差。采用满量程为0.5V，60Hz标准正弦信号输入，再对ADE7758计算的数据进行电压、电流的有效值和功率进行软件零度满度补偿：
K=■（7）
X=■（8）
在上式中，X■■、X■■分别表示满量程一半时以及零输入时的测量值，k、X■、X分别表示补偿系数、测量数据和测量结果[5]。
6 总结
本文所设计的电参数检测装置主要基于单片机工作原理，应用专用计量芯片ADE7758，集测量、保护和通信于一体，能够广泛应用于各种电力自动化系统中。