[设计]三相有功电能与无功电能测量

[设计]三相有功电能与无功电能测量 基于单片机的三相交流电能测量系统设计 姓名:张贻旭 专业:电气 学号:201030210748 摘要:本文介绍了用8098单片机测量三相交流电能的设计思想和实现方法，详细描述了系统的硬件电路和软件设计，阐述了“硬件软件化”的设计方法，并简要说明了提高系统可靠性的一些。 关键词:单片机;电能测量;有功电能;无功电能 1、引言 电能是使用量最大的电工仪表，从产生到现在它已经历了一百多年的历史。随着科学技 术的不断发展和人们对用电管理要求的日益提高，电能表在原理、结构和功能上都发生了重大 变化。传统的感应式电能表正逐步被新型电能表所取代。为了满足人们对用电计量和用电管理的要求，我们采用8098单片机作主芯片，设计出一种新型的电能表——全电子式电能表(以下简称为电能表)。这种电能表取消了传统感应式电能表的仪表转子，采用现代单片机软硬件技术，成为一种智能化的仪表。它不仪具有电能计量功能，而且将用电计量、用电管理、监控等功能集于一身，共有十几种功能。它能计量每月的总有功电能、总感性无功电能、容牲无功电能和平均功率因数;能计量每日每个时段的有功电能、感性无功电能、容性无功电能和平均功率因数;能计量一段时间内的最大需量和最大需量出现的时间;能计量超过功率定值的电能和超过功率定值延续的时间;具有年、月、日、时、分、秒六种计时功能;分时段计算电费;能用液晶显示器滚动显示各种电量;具有输出打印功能;具有掉电保护和死机自动恢复功能等。这些功能既体现了电能的商业价值，又体现了现代管理的要求。因此，这种智能化的电能表是九十年代电力计量系统中新一代高科技产品。 2、三相交流功率和电能测量原理 要测量三相交流电能，首先需要测出三相交流功率，然后将交流功率对时间积分，便得到 某一段时间内的三相交流电能。 2.1 三相有功功率和有功电能的测量 在三相三线制电路中，用传统感应式功率表测量三相交流总有功功率，不论电源和负载是 否对称，一般都采用两瓦特表法测量三相总有功功率。 设B相为公共相，表示A、B相间的线电压，u表示C、B相间的线电压，表示A相uiCBABA负载的相电流，i表示C相负载的相电流，三相交流总有功功率瞬时值为 C P,ui，ui KABKAKCBKCK uiu上式中的 、、、分别表示线电压、相电流、线电压、相电uiuiCBCBKCKABKAKABA i流的第K个采样点瞬时值。在本系统中，不是采用感应式原理测量总功率，而是采用四路A/DC ui转换器，分别对u、i、、采样，将它们转换成数字量，然后用软件按上式计算就能CBCABA ui得到一时刻的总瞬时有功功率P。假设在一个周期内分别对u、i、、四个交流电量CBCKABA 均匀采样n个点(n为偶数)，那么在一个周期内的三相交流平均有功功率为 n,11 (1)P,ui，ui,ABKAKCBKCKnK,0 将平均有功功率对时间积分就得到时间t内的有功电能。即 tA,Pdt ,0 通过对我国电力电网谐波成分的后知道，8次以上谐波电压、电流所占比例很小。根 据采样定理，只要对电网电压、电流信号的每个周波均匀采样l6个点以上便能满足测量要求。 为了提高测量精度和满足含谐波分量较高的特殊电网的要求，将每个周波的采样点数确定为48个。 2.2 三相交流无功功率和无功电能的测量 90: 在三相三线制电路中，测量三相交流总无功功率，常用两表跨相法。 用表示A、B相间线电压的瞬时值，用表示B、C相间线电压的瞬时值，用、uiuiBCKCKABKAK 分别表示A相负载、C相负载相电流的瞬时值，那么在某一时刻三相交流电路的总无功功率瞬时值为 Q,ui，uiKABKCKBCKAK 根据基尔霍夫第二定律，有，假设对这四个交流电量的每u,u,u,,(u,u),,uBCBCCBCB 个周波仍均匀采样n个点，那么在一个周期内的三相交流平均无功功率为 n,11 (2)Q,ui，(,ui),ABKCKCBKAKnK,0 将(1)式与(2)式比较，可以看出，计算有功功率和无功功率都用到了、、、这uiuiCBCABA四个交流电量，不同的是，在计算无功功率时，需要将线电压倒相。把电能表接入电网在uCB 线运行时，改动接线是不可能的。为了做到在硬件接线不动的情况下，既能测有功功率和有功电能，又能测无功功率和无功电能，只能用软件来解决。这里用数据移位法把A/D转换器采集的数字信号向前移半个周期，就实现了的倒相。因此，(2)式可改为uuCBCB n,11Q,ui，(ui) (3),ABKCKnAKCB,knK,02 将Q对时间积分便得到某段时间内的无功电能，即 tN,Qdt ,0 为了满足数据移位半个周期的要求，需要将线电压采集一个半周期，即采样72个点(每uCB 个周期采48个点)。这样处理后，计算有功功率和计算无功功率可共用一个功率计算子程序。当计算有功功率时，直接调用功率计算子程序按(1)式计算;当计算无功功率时，先将一个半周期的线电压u采样队列向前移半个周期，然后调用功率计算子程序接(3)式计算。这样既简化了CB 程序设计，又达到了一表多用的目的。这种用软件解决硬件难以解决或无法解决的问题的方法，叫硬件软化，是智能仪表设计中一种常用的方法。 3 系统硬件电路设计 3.1 主芯片 系统硬件框图如图1所示。本系统的主芯片采用性能价格比较高的准l6位单片机8098。 它内部含有一个17位的算术逻辑单元和相配合的256字节片内寄存器组，含有可编程的高速 输入单元HSI、可编程的高速输出单元HSO、四路A/D转换器、全双工串行口等。其内部数据总线为l6位，外部数据总线为8位。它既有16位单片机强有力的运算功能，又有8位单片机接口简单的优点，非常适合于智能检测和智能控制。 3.2 内存储器 8098单片机片内不含程序存储器，我们在片外扩展了一片EPROM27C128作程序存储器，用它存放全部的计算程序和控制程序。系统要求输入的参数和计算的结果在断电时能长期保存， 22EPROM2864EPROM2864为此，选用作数据存储器。综合了EPROM 和静态RAM 的优点。它既能按字节在线进行电改写，快速读出，又能在断电情况下长期保存信息。 3.3 A/D转换部分 uu本系统有四个模拟输入信号:两个线电压和两个相电流。线电压、经电压互感器CBAB 分压变成0,5V交流电压，相电流和经电流互感器分流和电流电压转换也变成0,5V交流iiCA 电压。四个交流电压分别输入到四个运算放大器的输入端。运算放大器在输入端偏置电压的作用下，将0,5V交流电压向上平移一个振幅值，使其变成0,5V的脉动直流电压。由于系统要求对四个电量同时采样，而8098单片机片内只有一个采样保持器，所以外接了四个采样保持器。采样保持器在从8098高速输出端HSO(1定时输出的单脉冲控制下，实现对四个电量同时采样和保持。在软件控制下，8098单片机片内的四选一模拟多路开关把采样保持器在某一时刻保持的四个模拟电量瞬时值，依次送入片内的A/D转换器，将其转换成数字信号，并有规则地存放在内存RAM中。对四个模拟电量循环均匀采样，就在RAM中得到四个采样队列。 LCD 8098电压RXDABACH4U运放S/HLCD驱动器互感器TXD 电压UCBACH4运放S/H互感器A02E PROMEPROM电压ACH4iAA15运放S/H互感器 电压ACH4AD0icS/H运放互感器AD7HSO.1 红外光耦HSO.0集成电路发射器并行接口 时钟 图1 系统硬件框图 3.4 时钟 无论是电能计量，还是用电管理，都需要一个精确的实时时钟。本系统采用日历时钟MSM5832作实时时钟。此芯片具有秒、分、时、日、星期、月、年七种计时功能，能自动判断 闰年，并且其功耗很低。MSM5832通过并行接口与8098连接，在软件配合下，用红外遥控器可向MSM5832设置时钟参数，也可以从它读取时间。为了使MSM5832在断电情况下也能正常工作，在它的电源引脚接有标称值为3.6V的镍镉电池作后备电源。当市电正常时，+5V电源通过二极管供电，并能通过电阻R对镍镉电池充电。当市电掉电时，镍镉电池通过电阻R对MSM5832供电，维持日历时钟连续工作。3.6V镍镉电池可维持MSM5832工作一年以上。 3.5 输人设备 本系统的输入设备是红外遥控键盘。操作员使用红外遥控键盘可向电能表输入参数，也可检查电能表的数据。红外遥控键盘中有一个红外发射器，它发出的红外编码信号，首先通过红色滤光片滤光，由红外接收管接收，将其转换成电信号，然后经遥控预放集成电路CX20106A前置放大、限幅、带通滤波、检波、整形后输出脉冲序列。为了提高输入通道的信噪比，解调后的脉冲序列经过一个光电耦合器4N25后输入至8098的高速输入端HSI(0。红外遥控键盘的键码是以脉冲位置调制(PPM)方式输出的。这种方式就是用两个相邻脉冲之间的不同时间间隔来表示二进制信息的“0”和“1”。单片机8098的高速输入单元在软件的配合下，测出两个相邻脉冲的时间间隔，即可判断出这一位信息是“0”还是“1”。测出一串脉冲所表示的二进制信息，就得到所按键的键值。用查表方法将实际测得的键值与EPROM 中的代码进行比较，便能确定是数字键还是功能键，然后进行相应的处理。 3.6 输出设备 电能表的输出设备是液晶显示器LCD。本系统采用8位LCD显示器，用它滚动显示当月的有功电能、感性无功电能、容性无功电能和平均功率因数。用红外遥控键盘操作还可显示实时时间、每个时段的有功电能、无功电能、平均功率因数和其它参数。当显示的电能超过8位时，能自动报警，并能记录超限的时刻和超出的电能。为了充分利用8098的硬件资源，LCD显示器与8098的连接没有采用扩展并行口，而是通过驱动器与8098的串行口相连。8098的串行口工作于方式0输出状态，用RXD端串行发送要显示的数据，用TXD端输出移位脉冲，在移位脉冲串的作用下，移位寄存器将串行数据变成8位并行数据，送至缓冲器驱动LCD显示。 4、 软件设计 软件采用模块化程序设计。这样既便于调试，叉利于扩充。程序用PLM 语言和8098汇编语言混合编写，外设驱动程序和A,D转换程序采用汇编语言编写，各种计算程序用PLM 语言编 写 全部软件的目标程序固化在一片EPROM27C128中。图2是主程序框图。 开始 系统初始化 采样 数字滤波 标度变换 计算有功功率 数据移位 计算无功功率 超过功率Y定值吗,计算超过功率定值N的时间和电能计算总有功电能和无功电能 计算平均功率因数 判别时段 计算当前时段的有功和无功电能、功率因数 显示 图2 主程序框图 主程序 当电能表接通电源时，首先对系统初始化，包括对接口设置命令字，将内存有关单元清零，给日历时钟设置时钟参数等。接着对四个模拟电量进行采样。采集的信号中可能混有干扰信号，为了提高有用信号的真实性，对采集的信号进行数字滤波。这里采用程序限幅滤波。所谓程序限幅滤波就是把两次相邻的采样值相减，求出其增量(用绝对值表示)，然后与两次采样允许的最大差值?y进行比较，如果小于或等于?y则取本次采样值;如果大于?y，则仍取上次采样值作为本次采样值。这种方法对滤去脉冲干扰非常有效。关键是选择好?y的值，选择太大，则容易串入干扰信号;选择太小，可能会滤去有用信号，不能完全跟踪参数的变化。?y的大小由实验方法求得。 采集来的信号经过数字滤波后进行标度变换，把数字量变换成对应的物理量。对于电压， 疑需乘一个电压变换系数就可以了。对于电流，当电流大于某个值时，也只需要乘一个电流In 变换系数;当电流小于某个值时，由于电流互感器存在非线性，因此需要进行非线性校正。In 校正的方法是用多项式进行拟合。数据经过以上处理后，调用功率计算子程序按(1)式计算，得到一个周期内的三相交流平均有功功率。接着将线电压的采样队列向前移半个周期，再次uCB 调用功率计算子程序按(3)式计算就得到一个周期内的三相交流平均无功功率。有功功率乘以时间?t就得到这段时间的有功电能;无功功率乘上时间?t就得到无功电能。?t是本次计算电能与上次计算电能之间的时间间隔。因此，每次计算电能时都要读日历时钟，计算出?t。将每次计算得到的电能逐次累加，就得到当月的总有功电能和总无功电能。然后根据下式就可以计算出当月的平均功率因数: Acos,, 22A，N 上式中的A表示当月的总有功电能，N表示当月的总无功电能。 在计算电能时还要判断当前处于哪个时段，计算出当前时段的有功电能、无功电能和平均 功率因数，以便按不同时段分别计算电费。本系统将每天(24小时)最多可分成10个时段:4个峰段、4个谷段和2个平段。各时段可以重选。 除了计算三相交流电路的有功电能外，还要计算在指定时间间隔内三相交流电路通过的平均有功功率。这个指定时间间隔称为时限。我们国家大多采用 分钟或30分钟作为时限。时限是滑动递进的。在一个月中记录的所有时限内的最大平均有功功率，就叫最大需量。本电能表除了记录最大需量外，还能记录最大需量出现的时间为了限制用户的用电量，在系统中设定了一功率定值 当有功功率大于功率定值时，要记录太子功率定值延续的时间，并计算出超过功率定值的有功电能，以便进行相应的处理。 计算出的结果可用8位LCD显示器显示出来，供用户观察。当系统把要显示的数据送至显示缓冲器后，又开始采样，新的一轮循环叉开始了 电能表就这样周而复始循环工作。 5、提高可靠性的措施 这种电能表是安装在电网中实时检测三相交流电路多种参数的计量仪表，需要长期连续 运行，因此对它的可靠性要求很高。为了保证高可靠性，主要采取了以下措施: 5.1 元器件选用方面 逻辑元件用进口的CMOS集成电路芯片;所有的电子元器件都经过高低温老化和质量筛选;电阻器和电容器降额使用。 5.2 电路设计方面 在电路中加有电源电压监视器TL7705，当干扰或电网瞬时欠压，使电源电压低于4.75V时，它能产生复位信号，使单片机可靠复位，避免由于工作电压不正常造成系统误动作;当干扰信号过去后，它能使系统重新启动，恢复正常工作。 5.3 软件设计方面 ? 在设计软件时，设计了一个将8098片内的监视定时器复位的子程序，每隔一定时间(小于64K个状态周期)调用复位子程序一次，将监视定时器清零。一旦程序因系统紊乱不能顺利运行，则监视定时器就会溢出，将8098单片机复位。另外，8098单片机的复位指令RST的机器码是FFH，对EPROM来说，经紫外线擦除后各字节正好是FFH，就相当于在未用的EPROM单元写入了RST指令，形成了软件复位陷阱。这有助于8098从程序故障中迅速恢复。由此可见，在本系统中，监视定时器加上RST指令，是保证软件可靠运行的有效手段。