基于单片机的三相电能表的设计

山东科技大学课程设计摘要本文以智能计量总表为研究对象，采用计量芯片ADE7758和AT89$52设计三相电能表，介绍了计量电路原理、系统结构特点以及分段计量的软件设计与实现。针对10—35kV输配电网正常负荷和超低负荷两种情况下的精确计量，提出按功率额度实时分段计量的电能表设计方案；为了调整电力负荷曲线，针对用电量的时间不均衡问题，提出复费率分时段计量方案。采用双变比电流传感器进行信号的检测采样，当负荷电流低于额定电流的20％时，单片机通过检测功率，自动切换到低负荷计量回路，即小电流比计量回路，最大限度降低了电流传感器低负荷运行时造成的信号检测误差，提高电能计量精度。单片机通过对瞬时有功功率的检测，实现了计量回路的实时选通切换和功率分段计量：通过对时间参数的检测，实现了定时存储和分时段计量。根据电能表参数配置进行ADE7758初始化参数计算。为了评估电能表计量数据的真实性和有效性，对模拟信号输入电路进行试验设计，应用ME300B单片机开发系统进行在线仿真调试。以功率参数为性能指标，通过仿真试验，对功率参数的理论值和电能表的显示值两组数据进行分析比较，得出电能表计量数据是真实有效的结论。采用双变比电流传感器进行电能表设计，扩大了负荷计量范围，提高了电能计量精度，且计量回路切换无需进行人工干预。该方案有望实现全量程的精度均衡和精确计量，为具有实时分段计量功能的三相电能表设计提供一种可行的方案。目前，已完成样表的设计与测试工作。基于精确的试验平台，完成对电能表的增益和偏差校准，即可进行现场试验和数据采集，具有良好的市场应用前景。关键词：三相电能表，实时分段，精确计量，仿真试验，ME300B，ADE7758，AT89S52山东科技大学课程设计符号约定及其说明一、变量定义及显示代码(斜体时表示变量，正体时表示显示代码)RO总的无功电量ED总的有功电量EJ分时段有功电量(00：00～12：00)E2分时段有功电量(12：00～00：00)E3按负荷功率分段小负荷计量时有功电量E4按负荷功率分段正常负荷计量有功电量P瞬时有功功率V瞬时无功功率H1断相事件次数H2单相过流事件次数H3单相过压事件次数二、按键功能说明K1手工复位K2分时段电量参数查询显示K3按功率分段电量参数查询显示K4瞬时有功、无功功率参数查询显示三、电能表参数MC电能表脉冲常数PO有功功率分段参考Imax满足计量精度的负荷额定最大电流Vn负荷额定电压值VfADE7758电流、电压通道信号输入IfullscalADE7758电流通道满刻度输入对应的负荷电流VfullscaleADE7758电压通道满刻度输入对应的负荷电压Wh/LSBADE7758有功能量寄存器最低有效值VARh/LSBADE7758无功能量寄存器最低有效值山东科技大学课程设计第一章绪论电能表技术正向着复费率、多功能、网络化的方向发展。电能计量芯片ADE7758、ATT7022B等在电能表设计中的应用，提高了电能计量精度，简化了电能表设计结构。随着电能计量芯片的推陈出新，复费率电能表、防窃电电能表、配置RS-485通信及红外通信接口的电能表以及三相多功能电能表发展迅速。电能表的计量精度、功能扩展、抄表方式等发生了深刻变化，电能的科学管理和合理利用进入实施和操作阶段。在这种背景下，电能表的功能、性能、以及可靠性设计等都有了显著提高与改进，电能表技术面临难得的发展机遇。1.1电能表技术现状与发展趋势早在本世纪初，电子式电能表就已经取代感应式表，成为工商业用表的主流。随着电力系统在不断扩展三相多功能表的应用领域，三相多功能表的需求呈明显上升趋势。功能的扩展提升了供电部门对居民用电的现代化管理，为将来实现大规模自动抄表提供了基础。其中复费率表得到了很多经济发达而电力紧张的地区供电部门的青睐，复费率表的技术因此也得以迅速提高和发展。预付费表技术趋于完善。一方面由于供电部门加大对欠费用户的管理力度，使市场需求升温，另一方面由于技术改进，特别是使用了CPU卡和非接触式卡等最新技术，使预付费表的性能尤其是安全性和可靠性方面已逐步趋于完善。文献【1】进行了基于RFID的预付费电能表的研制，文献[2]给出预付费电能表的设计方案，文献【3】进一步给出磁卡式预付费电能表的应用及其效益分析。上述文献为预付费电能表的研制提供了设计经验。自动抄表技术发展颇具前景。近几年来，随着通信技术的不断进步以及电力市场应用的需要，国内自动抄表技术水平取得了长足的进步。低压电力线载波技术逐步被越来越多的电力部门所采纳，短距离红外抄表技术得到应用和推广。文献【4】基于单片机红外通信实现了无线抄表系统设计，文献【5】阐述了智能抄表系统的研究现状和发展，文献【6】基于低压电力载波技术实现了单相电子式电能表的设计，文献【7】把电力载波技术和GPRS技术相结合，阐述了远程抄表系统的设计实现方案。在无线抄表方式中，红外方式用于短距离通信，而GPRS技术可以实现远程长距离通信。随着社会需求的发展和科学技术的进步，无线通信技术和远程管理系统得到了广泛应用。文献[8]给出基于无线网络通信技术的电力资源远程智能管理系统的设计和应用。文献[9]基于GPRS技术进行了无线抄表系统的设计与实现；文献[10]基于ADE7758计山东科技大学课程设计量芯片进行了GPRS网络电能表的设计。电子式电能表在可靠性、准确度、功能扩展、性价比等方面显著优于感应表，全面取代感应表的趋势。防窃电要求进一步加强。随着窃电方式的更加多样化和隐蔽化，对电能表防窃电的要求也越来越高，电子式电能表表现出强大的优势。文献【11】-【12】阐述了三相电能表的错接线对电能计量的影响。增强电能表的谐波计量能力，是提高电能计量准确度的有效手段。文献【13】对非正弦条件下的感应式电能表的计量精度问题进行分析；文献[141对非正弦条件下电力系统的特性进行分析，并研究了在线计量问题。具有通信接口尤其是RS一485接口成为趋势。随着抄表到户的逐步实施以及电力部门的体制改革，自动抄表成为用户强烈的需求，因此越来越多地要求电能表配备通信接口。目前的通信方式在一个或几个方面或多或少存在一些问题，无法全面满足用户的要求。而电能表配备RS一485接口具有成熟和性价比的优势，适合未来采用更新、更好的通信技术，因此成为用户目前较为理想的选择而逐渐成为标准配置。文献[15]进行了RS-485电路的匹配和保护性研究，文献[16]实现了PC机与RS一485总线多机串行通信的软硬件设计。模块化设计成为趋势。随着电力市场改造力度加大，对电能表的技术更新速度也提出了更高的要求。电能表的硬件和软件可以采用模块化设计，将技术相对成熟和标准的部分进行封装入库，如计量模块、电源模块、RS．485模块、RTC模块、显示模块、继电器控制模块、IC卡模块、数据存储模块等。当设计一个新的产品时，开发人员只需要将精力集中于产品的新模块、新功能的开发，以及模块的集成上，进而有效缩短产品的开发周期，提高产品设计的可靠性。测量电路的集成化、模块化是计量芯片的发展趋势。当前，各大型器件公司纷纷推出自己的计量芯片，并不断的进行产品更新换代。比较典型的有美国ADI公司推出ADE7758计量芯片，珠海炬力公司推出的ATT7026A和北京福星晓程电子公司推出PL3223。上述三种芯片都集成了DSP数字信号处理技术，支持硬件和软件两种校表方式，计量精度高，且外围电路设计简单。文献[17]介绍了三种计量芯片的工作原理，比较了各自的性能指标，为合理选择芯片提供参考。以ADE7758计量芯片【18】为例说明。ADE7758是一款高精度的三相电量计量芯片，可以同时处理有功、无功等多个电量参数，符合IEC61036标准。在250C条件下，有功能量计量在1000：l动态范围内误差小于O.1％。文献[19]-[21]阐述了ADE7758计量芯片在电能表设计中的具体应用。山东科技大学课程设计目前，我国感应式电能表仍占据相当的市场。峰谷分时电价和避峰电价政策的出台，将推动多费率表市场需求。尤其是大工业用户，对三相多费率表的需求，会较快增长。此外，三相高精度多功能表也将得到重点发展。该电能表目前主要用于发电厂、变电站和各大用户，并不断扩大到普通三相表用户中。电子式电能表有多功能、高精度、多费率、自动抄表等优势，逐步成为电能表发展的主流。1.2拟解决的问题和本文的创新性工作课题研究主要解决分段计量问题，包括按时间参数分段和按负荷功率实时分段两种方式。基于ADE7758和单片机AT89S52进行电能表设计，根据负荷的功率额度实时分段计量，是本文的创新点。为了实现正常负荷和超低负荷两种情况下的精确计量，提出按负荷功率实时分段计量方案；为了缓解电力供需矛盾，调整电力负荷曲线，提出复费率分时段计量方案。两种计量方案分别针对提高电能计量精度和调整电力负荷曲线提出。复费率分时段计量拟解决的问题。随着经济的发展，各行各业对电力的需求越来越大，用电量时间不均衡的现象日益突出。为了合理利用电量，调节电网负荷曲线．采用分时计费是一个有效的解决方案。复费率电能表以时间参数为峰谷费率划分依据，通过设置多个费率和时段，通过“削峰平谷”的方法消减峰期的用电量，增加谷期的用电量。文献[22]-[23]针对复费率计量问题，提出具体的设计实现方案。复费率分时段计量有利于缓解用电量的时间不均衡现象。按功率分段计量拟解决的问题。在进行电量总表设计时，一般采用电流传感器进行电流信号的检测。当电流传感器工作在一次端额定电讲L值附近时，电流信号的检测误差最小。在配电系统中，电网电压一般是稳定的，电网电流则根据挂接的负荷大小发生变化。为了扩大负荷计量范围，减小电流传感器的检测误差对计量精度的影响，采用双变比电流传感器进行电流信号的检测，根据负荷的功率额度实时进行变比切换，使电流传感器始终工作在检测误差最小状态。这种计量方案有望实现全量程的糟度均街和精确计量。在这方面，相关的参考文献及研究成果为数不多。ADE7758、ATTT022B等计量芯片的应用，提高了电量计量精度，减少了电能计量误差。针对电能计量精度问题，文献[10]进一步给出ADE7758软件校准流程和校准算法，对ADE7758应用手册中的一步校准算法进行改进，采用邂步逼近算法以减小电表校准误差；文献[25]从AD转换角度研究了提高电能计量精度的方法；山东科技大学课程设计文献[26]、[27]从谐波计量和辨识的角度进行分析；文献[28]从提高电能谐波功率的计量能力角度，提出一种基于高速单片机内核的高精度三相电能表设计方案；文献[29]提出基于ARM技术的三相电能表设计方案。上述文献从不同角度阐述了提高电能计量精度的策略问题。目前，还没有一种电能表产品具有按负荷功率额度实时分段检测计量功能。对于高压，尤其是lO～35kV输配电网的高糟度计量问题，至今还没有涉及实时分段计量。复费率分时段计量以时间参数为峰谷分段依据，但这种分段不具有实时性，且无法满足精确计量的要求．本文为了解决精确计量问题，从电流传感器的检涮误差角度进行分析．提出一种高精度10kv～35kv的输配电网电力负荷计量方案。1.3电能表参数配王和论文组织结构电能表参数配置如表1-1和表1-2所示。电能表规格脉冲常数分流电流CT规格PT规格高压比150（250）A2000.012150/5A10000/100V低压比30(50)A2000.01230(5)A10000/100V表1-2Imax额定电压VnIfullscalVfullscale高压比250A10KV442.0A17.68KV低压比50A10KV88.4A17.68KV电能表配置两个量程，30A(50A)和150A(250A)，分别对应高变比计量和低变比计量两种模式；按负荷的功率额度实时进行不同量程的计量切换，以实现正常负荷和超低负荷两种情况下的精确计量。有功、无功脉冲常数设计分200impulsos/kWh和200impulses/kVAR；匹配电阻为电流传感器二次端的两个串联分流电阻，其作用是把电流信号转换为电压信号；Vn、Imax对应额定电压值和负荷最大