第32卷第16期
2008年8月25日
电力系统自动化
AummmionofElectricPowerSystems
V01.32NO.16
Aug.25,2008
基于新型电子式电流互感器的多功能电能表的设计
吴 涛,周有庆,龚 伟,曹志辉,张雪美
(湖南大学电气与信息工程学院,湖南省长沙市410082)
摘要:电能表用电流互感器的性能直接影响到电能表计量的准确度。针对目前电能表用电磁式电
流互感器易饱和、测量范围较小等问题,提出了一种基于印制电路板(PCB)型电子式电流互感器的
多功能电能表的设计
。首先对PCB型空心线圈的结构及原理进行了
,设计了空心线圈与
计量芯片间的接口电路,并通过试验数据表明互感器具有良好的性能,然后详细阐述了以三相高精
度计量芯片ADE7758和高性能、低功耗H8单片机为核心的电能表的硬件设计,在此基础上简要
说明了电能表的软件设计思路。所设计的电能表计量准确度高,功耗低,具有很强的实用性。
关键词:电子式电流互感器;多功能电能表;ADE7758;H8单片机
中图分类号:TM933;TM764
0 引言
随着电子技术的发展和用户对用电管理水平要
求的不断提高,多功能电能表得到了迅速的发展,成
为电能计量产品系列中不可缺少的重要组成部
分[1。2]。目前,多功能电能表普遍采用小型电磁式电
流互感器进行电流信号转换。而电磁式电流互感器
带铁芯、易饱和、测量范围较小,且易受外界电磁干
扰。近年来,基于空心线圈的电子式电流互感器的
研制在电力系统中得到了重视。它具有体积小、造
价低;无铁芯,不存在磁饱和和铁磁振荡问题;动态
响应范围大,频率响应宽;抗电磁干扰性能强等优
点,是未来电流互感器发展的方向[3。5]。
本文主要论述了印制电路板(PCB)型空心线圈
结合电能计量芯片ADE7758在电能计量中的应
用,并介绍了多功能电能表的硬件框架与软件设计。
1 电流互感器的设计
1.1 PCB型空心线圈结构
为解决现有电磁式电流互感器所存在的测量范
围小、抗干扰能力低等问题,电能表采用拥有专利技
术的一种结构简单、准确度高、抗干扰能力强的
PCB型空心线圈。图1为2层PCB的空心线圈结
构示意图,一次线圈(10)是用较宽的铜线布置于
PCB的2层或用一定厚度和宽度的铜材镶嵌在
PCB上,紧绕2个不相邻的平面螺旋线圈构成一匝
收稿日期:2008—05—09;修回日期:2008—06—25。
实用新型专利(200620052659.2);发明专利(200610032482.
4)。
一56一
回路;二次线圈由4个螺旋线圈串接而成,顶层与底
层同位置的螺旋线圈通过过孔串接。
图1 PCB型空心线圈结构示意图
Fig.1StructuresketchofthePCBairCOlecoil
该PCB型空心线圈没有铁磁
,不会因被测
电流大而饱和,具有很好的准确度,且频带宽;采用
多个均匀分布的螺旋线圈串接组成,外界干扰磁场
在相邻线圈所产生的感应电动势大小相等、方向相
反,最终串接相互抵消,起到了对外界干扰磁场无响
应的作用;采用PCB制作,可显著降低成本,制作工
艺精细,便于批量生产。
当一次线圈中通过被测交流电流i(£)时,2层
中所有螺旋线圈产生的感应电动势方向都相同,串
接相互叠加,通过二次线圈输出端(9)输出一个与被
测电流相对应的电压信号P(£),用公式表示为:
P(f)一一M氅堕 (1)
d£
式中:M为互感系数,与二次线圈的有效面积、匝数
等有关。
为了增大空心线圈的互感系数,可以将二次线
圈制成多层PCB或多块2层PCB串接,增大二次
线圈的匝数。同时,为了提高抗干扰性能,可在
PCB上加覆铜层。
万方数据
·研制与开发· 吴 涛,等基于新型电子式电流互感器的多功能电能表的设计
1.2电流信号通道
由式(1)可知,空心线圈的二次输出电压与被测
电流的导数成正比,故在电路中需要加上一个积分
环节,使输出量与被测量成正比,因为所用的电能计
量芯片ADE7758内含有数字积分器,不需额外再
加积分电路。
电能表用电流互感器的一次电流测量范围规格
为:1A(2),1.5A(6),2.5A(10)等,这样的电流经
PCB型空心线圈输出后是微弱的信号(一般为几毫
伏),而ADE7758的最小满量程输入电压信号为
±31-3mV,因此需外加信号放大电路。图2描述
了电流信号通道,方框内为ADE7758内部的电流
信号通道。
仪表放
电流增益 +电流有效
、 校正 l值计算j多怔p删黼
瘩,益可编。ji渡 高通滤积分器I.有功和无
程差分转换器 波器 +功计算
放大器
图2 电流信号通道示意图
Fig.2Sketchofcurrentsignalpath
空心线圈通过取样电阻取得电压信号,再经低
通滤波器差分式接人放大器,放大后的信号输入电
能计量芯片。信号在计量芯片内部经过差分放大、
A/D转换之后,对电流增益误差进行校正。由。于
A/D自身的原因或外界温度的影响,积分器的输入
可能会存在直流偏移量,在A/D输出与积分器之间
接人高通滤波器,可以消除直流偏置的影响。接着,
对信号进行数字积分,将结果送人波形寄存器并进
行电流有效值、有功、无功计算等后续操作。
1.3空心线圈接口电路设计
放大微弱信号要求放大器有超低噪声特性,因
此放大器选用高性能仪表放大器AD8221,其最大
输入电压噪声密度为8nV/J雨(1kHz),共模抑制
比高达120dB(增益为100时)。在该应用中,由于
放大器输入、输出都是双极性信号,当放大器采用单
电源供电时,需要在输入输出加偏置电路,这样将增
加放大器的功耗,影响放大器的性能,故采用双极性
电源供电。接口电路如图3所示,R11和R12为取
样电阻,R13,C13,R14,C12,C11构成低通滤波器,
放大倍数通过改变RG的电阻值来改变。
1.4互感器性能试验
采用一次2匝的6块串接的PCB型空心线圈
接低通滤波、差分放大和积分电路进行试验。主要
分析电流互感器一次输入电流和积分输出信号的线
性关系。信号源产生一个50Hz工频的正弦电流,
作为互感器一次输入,积分输出电压由惠普公司数
字万用表测得。
AGND
图3空心线圈接口电路
Fig.3Interfacecircuitoftheaircorecoil
对表1中数据进行线性拟合,结果如图4所示。
表1 PCB型电流互感器试验数据
Table1 TestdataOfPCBcurrenttransducer
输入电流/A积分输出电压/V输入电流/A积分输出电压/V
0.1 0.00333 2 0.0722
0.2 0.00742 3 0.1080
O.3 0.01070 4 0.1430
O.4 0.01430 5 0.1780
0.5 0.01820 6 0.2150
0.6 0.02170 7 0.2520
0.7 0.02470 8 0.2860
0.8 0.02780 9 O.32lO
0.9 0.03270 10 0.3590
1.0 0.03640
主
器
丑
萎
磷
一次电丽x/A
y--O035823x+000005427
图4试验数据拟合曲线
Fig.4Fittingcarveofthetestdata
●
输入、输出试验数据点的线性拟合度为
0.99997,说明该互感器有很好的线性度。拟合截
距能表示出信号中叠加的固有噪声成分∞],.理想值
为0(即输人为0时,输出同样为0),线性拟合截距
为0.00005427(约为一次电流0.1A时积分输出
信号的1.63%),说明即使在小输入电流下,积分输
出电压也没有叠加明显的噪声干扰,即该互感器具
有抗干扰能力。
万方数据
电 力 最 统 自 动 让
~
试验中采用的是模拟积分器,如采用ADE7758
内置的数字积分器,互感器的温度稳定性、抗干扰性
以及测量精度都将提高。因而PCB型电子式电流
互感器适用于电能表的电流测量。
2 电能表硬件设计
结合DL/T614—2007
对多功能电能表的
描述吲,在设计过程中,可以将三相四线多功能电能
表的硬件电路分成3部分:计量电路、微控制器
(MCU)及其外围电路、电源电路。图5为整个电能
表的硬件设计框图。
ABC
三相
电压
ABC
三相
电流
有功、
无功、
电量脉
冲
H薹Ⅲ—州笥
一一斗窭
‰—亘巫皿』‰趣呼圈珊
登罩壳口圃f|12c{;k=:矧超低功耗倒墨謇黛雕蔺麓博篓
485A485B LED指示Jff
图S电能表硬件框图
Fig.5Hardwareblockdiagramofthewatt-hourmeter
2.1 计量电路
计量电路主要针对计量芯片ADE7758的电路
设计。ADE7758是一种高精度三相电能计量芯片,
能计量各相的有功、无功、视在电量和电压、电流有
效值等数据,并可通过SPI串行总线和中断引脚与
MCU进行通信;能输出有功脉冲、无功(或视在功)
脉冲,可用于校表;还能以数字方式校正系统误差。
ADE7758有3路电压、3路电流信号输入通
道,外网的大电压、大电流需经过信号转换才能接入
计量芯片,电流转换通过电子式电流互感器来实现。
电压转换采用大电阻分压实现哺]。但这使得外网没
有与计量芯片电气隔离,为了避免外网通过计量电
路对MCU电路产生干扰,电能计量电路与MCU
电路在PCB上需较长的隔离间距,同时电路间的数
据传输通过高速光耦实现。
一58—
2.2 MCU及其外围电路
MCU选用瑞萨公司的超低功耗H8/300L产
品系列中的HD64F38327H型单片机[9],该单片机
内置60KB的闪存;有7种低功耗模式;2个SCI串
行通信口,可分别用于与计量芯片、RS-485通信;至
于红外通信,可采用通用I/O口软件模拟实现异步
通信;内置32段LCD驱动器,因MCU外围芯片
多,需使用较多I/0端口,所以在片外使用带12C总
线的LCD驱动器(如PCF8576CT)。
人机交互:包括按键、LCD显示和指示灯。按
键有3个功能键和1个编程键,编程键只能在开盖
后才能按到,防止普通用户对电能表进行编程。
LCD主要负责电能、有效值等一系列参数及异常事
件记录的显示。指示灯指示异常报警,计量芯片的
脉冲输出也接有2个指示灯,用于指示有功电量和
无功电量(或视在电量)。
通信接口:RS-485接口电路与MCU端口采用
光电隔离方式连接。红外接收采用红外接收元件,
接收元件将接收到的调制光信号解调为二进制脉冲
信号,送人MCU软件模拟的串行接收端口。红外
发送由MCU的2个端口实现,一个端口产生
38kHz载波信号,另一个端口模拟串行发送口,串
行发送口发送的数据对载波进行调制,驱动红外发
射管发送数据。
.外围存储器:电能表要存储系统参数、异常事件
检测结果、计量所得当前数据和历史数据以及备份
数据等,所有这些数据量达20KB左右,为留有足
够的存储裕量,在MCU片外扩展一片64KB带
12C总线的EEPROM。
实时时钟:系统计量需量、时段投切以及事件检
测等都涉及到时间的记录,因此选用精确的硬件时
钟(如R8025)来完成对时间的准确记录。另外,考
虑到外界温度对硬件时钟的影响,使用温度传感器
(如TCN75)实现时钟的温度补偿。
系统掉电检测:系统采用ADM706实现对系统
掉电的检测,系统掉电触发外部中断,将MCU切换
到停龟工作模式,这时系统采用3.6V电池供电,
MCU进入休眠模式,系统休眠时可以采用按键或
红外唤醒。唤醒后LCD显示,并可红外抄表。
开盖检测:对开盖进行检测记录,可以实现对电
能表的监控,防止普通用户对电能表进行编程或私
自接线。
电池欠压:系统停电时,电池对电能表供电,若
电池电压低,又没有得到及时更换,会导致电能表停
电,后果严重。所以在电池电压低时报警,提示有关
部门及时更换。
万方数据
·研制与开发· 吴 涛,等 基于新型电子式电流互感器的多功能电能表的设计
2.3 电源电路
三相电压经降压、整流、滤波、稳压后,分成3路
独立的电源:一路供给RS-485通信;一路供给计量
芯片等电路;由于MCU及外围电路在系统掉电后
仍需工作,因此由V明供电。硬件时钟作为整个系
统的时基,它的供电单独加一节3V电池作后备电
源。电子式互感器的放大电路需在双极性电源下工
作,正极性电源由+5V供给,而负极性电源由
+5V经电压变换电路产生。
3 电能表软件设计
3.1主程序设计
图6为电能表主程序流程,整个程序是通过查
询方式执行的,通过查询事件发生的条件判断电能
表事件是否发生来执行相应的操作,这种执行方式
只要保证CPU的执行速度足够快,是能够保证事
件响应的时效性的。
图6主程序流程
Fig.6Flowchartofthemainprogram
电量的采集在定时中断中完成。系统采用每隔
40ms中断一次,完成对计量芯片的采样,并对采样
值进行修正,得到当前运行的瞬时值。
电量的积累是对采样的瞬时值进行累加的过
程,当对应类型(尖峰平谷)电量累计到
0.01kW·h,电量小数事件发生,并进行相应处理。
最大需量计算方式采用滑差式,其需量周期T
和滑差时间t可选,最小滑差时间可设为1rain,最
小需量周期可设为5rain。当一个滑差时间到时,
将此滑差时间内累计的电量存储,然后对最近的
T/t个滑窗的累计电量求平均值,得到当前需量,再
将当前需量与存储的最大需量进行比较,较大者保
存至最大需量存储单元。每小时将进行60/t次最
大需量计算。
时段费率投切是根据当前日期找到对应的时段
表,再从时段表中找到当前时间对应的费率,并将其
设置为当前运行费率u0|。
3.2通信程序设计
通信程序参照文献[11]设计。
为主一从结
构的半双工通信方式,手持单元或其他数据终端为
主站,电能表为从站。每个电能表均有各自的地址
编码。通信链路的建立与解除均由主站发出的信息
帧来控制。每帧由图7所示的8个部分组成,每部
分又由若干字节组成。
68HA0A1A2A3A4A568HC L Dpd氏CS16H
帧 帧 数
起
地
起 控 据
数 校 结
始 址 始 制 域
据 验 束
符 域 符 码 长
域 码 符
度
图7信息帧格式
Fig.7Formatofinformationframe
信息帧的接收放在中断程序中执行,对地址匹
配及字节校验、帧校验正确的信息帧经处理后存入
接收缓存中。主程序中的通信处理程序再根据接收
缓存中信息帧的控制码和数据域执行相应的操作。
4 结语
本文所设计的三相多功能电能表采用拥有专利
技术的PCB型空心线圈作为电流信号输入转换器,
可以弥补电磁式电流互感器易饱和、测量范围窄等
不足。另外,电能表参照DL/T614—2007标准设
计,可以实现多费率计量、最大需量计算、红外及
RS-485通信等多种功能。对电能表用PCB型电子
式电流互感器做了测试,结果表明该电流互感器适
用于电能表的计量。本文提出的设计方案可应用于
实际开发的多功能电能表产品中,具有计量准确度
高、实用性强、推广应用前景好的特点。
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吴 涛(1984一),男,通信作者,硕士,主要研究方向:电
力系统微机保护及变电站自动化。E-mail:wtop一2002@
163.com
周有庆(1944一),男,教授,博士生导师,主要研究方向:
电力系统微机保护及变电站自动化。
龚 伟(1984一),男,硕士,主要研究方向:电力系统微
机保护及变电站自动化。
DesignofMulti--functionWatt--hourMeterBasedoBtheNewElectronicCurrentTransformer
.
wUTao,ZHOUYouqing,GONGWeiCAOZhihui,ZHANGXuemei
(HunanUniversity,Changsha410082,China)
Abstract:Theperformanceofthecurrenttransformerusedforwatt—hourmeterdirectlyaffectsthemeter’smeasurement
accuracy.Inviewoftheissuesexistinginthepresentelectromagneticcurrenttransformersuchaseasytosaturation,smaller
measurementrange,etc,adesignplanofmulti—functionwatt—hourmeterbasedonPCBelectroniccurrenttransformeris
proposed.First。thestructureandprincipleofaPCBaircorecoilsensingunitareanalyzed,theinterfacecircuitbetweentheair
corecoilsensingunitandthemeasurementICisdesigned。andthetestdatashowthatthetransformerhasagoodperformance.
Then,themeter’shardwareiselaboratedwhichusesthethree-phasehigh—precisionmeasurementICADE7758andhigh-
performance,lowpower-lossH8microcontrollerasthecore.Basedonthis.themainideaofmeter’ssoftwareisbriefly
described.Themeterwithhighmeasurementaccuracyandlowpower-losshasgoodprospectsforpracticalapplication.
ThisworkisguaranteedbyPracticalNewTypePatentandInventionPatent(No.200620052659.2.200610032482.4).
Keywords:electroniccurrenttransformer;multi—functionwatt—hourmeter;ADE7758:H8microcontroller
oooo∞∞∞∞∞∞ooo。。。。。_。畸。。。。毒毛oo。。。。。o。。ooo‘,∞∞*∞∞o。。oooo。o。Hc崎旧_c心KKKKKKKK畸畸_c峭-c一。。∞oo.。々oooooo
(上接第10页continuedfrompage10)
APowerSystemTi.me-domainSimulationPlatformBasedonNet-formChainandDoubleLayerAlgorithm
WANGChengshanl,WANGDanl,GUOJinchuanl,ZENGYuanl,ZHANGPei2
(1.KeyLaboratoryofPowerSystemSimulationandControlofMinistryofEducation,TianjinUniversity。
Tianjin300072,China;2.ElectricalPowerResearchInstituteofUSA,PaloAlto94303,USA)
Abstract:Anewunionstructurefortime-domainsimulationofpowersystemjSpresented.whichisrealizedviadoublelayeral—
gorithmwithbuild—innet-formchain.Theinnerlayerisdesignedforimplicitmethodwhereastheouteroneisdesignedforex—
plicitmethod.Theexplicitmethodcanbeusedasapredictorforimplicitmethodorasanindependentalgorithm.Net-form
chainisalogicalstructuredevelopedfromorthogonallisttechnologyforsparsestorage.Theinterfacebetweendynamicdevices
andtheircontrolscanbeflexiblydesigned,soastheinterfacebetweendynamicdevicesandnetwork.TheblockingJacobianma—
trixcanbeassembledexpediently.Therealizationschemeforsimulationsoftwaredesignusingthenewalgorithmisgiven.
ThisworkissupportedbyNationalNaturalScienceFoundationofChina(No.50595412。50625722)andtheKeyGrant
ProjectofChineseMinistryofEducation(No.306004).
Keywords:powersystemsimulation;net-formchain;doublelayerstructure
一60一
万方数据
基于新型电子式电流互感器的多功能电能表的设计
作者: 吴涛, 周有庆, 龚伟, 曹志辉, 张雪美, WU Tao, ZHOU Youqing, GONG Wei, CAO
Zhihui, ZHANG Xuemei
作者单位: 湖南大学电气与信息工程学院,湖南省长沙市,410082
刊名: 电力系统自动化
英文刊名: AUTOMATION OF ELECTRIC POWER SYSTEMS
年,卷(期): 2008,32(16)
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本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_dlxtzdh200816013.aspx
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