斷路器內置電量監測模塊的設計

劉艷妮

海軍駐上海711所軍事代表室，上海 200063

0 引言

為了適應船舶電力系統自動化，網絡化和智能化發展的需要，研制開發了一款電量監測模塊系統。模塊可與斷路器配套使用，實時采集斷路器所在節點的電壓、電流、有功功率、視在功率和頻率等參數。同時帶有通信接口，可與上位機進行數據交換，便于實現全船配電監測系統遠程集中控制和信息分析管理。系統采用了專門的電能計量芯片，簡化了硬件電路，縮短了開發周期，提高測量精度。

1 硬件設計

1.1 總體硬件設計

電量監測模塊采用插入式安裝方式，安裝于斷路器和底座中間。測量和計算得到的電網參數數據通過RS232或RS485 通信接口和上位機設備進行實時數據交換。由于斷路器內部溫度較高，因此在電路設計時，除了選擇耐溫等級較高或溫漂小的元器件，同時采用較簡化的電路，提高電路的可靠性。

整個系統以電能計量芯片ADE7758為測量核心，以MSC1210為系統處理器。硬件電路結構框圖如圖1所示。電流、電壓互感器采樣信號經低通濾波后輸入到ADE7758芯片，ADE7758芯片完成模擬量的分析、計算和存儲。CPU通過SPI口對ADE7758進行讀寫操作，獲得需要的電壓、電流、功率和頻率等數據，然后進一步分析處理。系統帶有RS485/232通訊接口，可根據上層機的請求，上傳電網參數。

圖1 硬件電路結構框圖

1.2 ADE7758基本特性

ADE7758是美國AD公司生產的一款高精度三相電量測量專用芯片，支持多電網模式選擇，被測基波頻率可以選擇45～65Hz,支持三相三線制和三相四線制接線法。ADE7758具有6路A/D采樣通道，帶有兩路脈沖輸出功能和一個串行接口，集成了數字積分器，基準電路，溫度傳感器，以及所有進行有功，無功和視在電能計量以及有效值計量所需的信號處理元件，擴展性強。ADE7758為各相提供系統校準功能，包括有效值偏移校準、相位校準、功率校準。所有數據以及校正參數可以通過SPI串行接口與外部CPU進行數據傳遞交換，與CPU的串行通訊是由SCLK，DIN，DOUT，CS，IRQ5個信號完成的。

1.3 MSC1210的性能

MSC1210是美國TI公司生產的專用單片機，主要面向數據采集系統。它集成了高性能8051處理器內核、Flash存儲器和32位累加器、兼容SPI串口等多種片上外設。具有優良的模擬特性和數字特性，片上集成高精度參考電壓，溫漂為5ppm/℃；速度快，每個指令周期只需4個時鐘周期，比標準MCS51快3倍，降低了系統的功耗。MSC1210 相對 8051 單片機還新增了一些功能寄存器，以完成對外設的控制功能。如可編程看門狗定時器，對系統程序的運行進行監控, 確保系統可靠運行。此外，FLASH存儲器可以串行編程，適合現場調試。

圖2 電壓信號處理電路

1.4 電壓信號采集

電壓信號采集和處理電路如圖2所示。其中，T1為電壓互感器，電阻R17將被測交流電壓信號轉換成小電流，電壓互感器次級感應同樣大小電流，經R14轉換成電壓信號，經過濾波后，直接接入ADE7758的輸入端口。電壓互感器同時具有隔離作用。

1.5 電流信號采集

電流信號采集和處理電路如圖3所示。電流互感器輸出經過放大濾波后送至ADE7758。由于內置式對元件尺寸的限制，加上需要測量的電流信號范圍較大。如果采用通常的帶鐵心電流互感器，則互感器外形尺寸會比較大，同時線圈中產生較大電流，容易發熱。所以采用了羅柯夫斯基線圈式微型電流互感器（即空心互感器）。由于沒有鐵心，不存在飽和現象，測量范圍大，線圈中幾乎無電流，不易發熱。采用的微型電流互感器電流比是額定電流/5mA。空心電流線圈結構簡單，體積小，造價低，使用結果表明該微型電流互感器很好的滿足了設計需求。

圖3 電流信號處理電路

1.6 供電保護電路

系統采用外供電模式，輸入電源經過保護電路，如圖4所示。其中D3是TVS管，用于抗浪涌；二極管VD3用于防止電源接反。外供電模式保證了系統在斷路器斷電后可以正常通信，電源保護電路保證了整個硬件電路的供電安全。

圖4 供電保護電路

2 軟件設計

圖5 主程序流程圖

由于采用電能計量芯片，CPU的計算量大大減少。主程序流程圖如圖5所示。上電后，先進行數據的初始化，然后讀取ADE7758中的電量參數并進行數據處理，通訊處理。程序中還包含定時中斷和通訊中斷。數據處理程序將ADE7758送出的各種電量參數計算得到需要的電壓值、電流值和功率值等。通訊處理程序根據接受的上位機報文請求，進行相應應答。定時器中斷中包含了功率的計算。通訊中斷程序是響應上層通訊請求，并存儲上層請求報文。

為保證電壓、電流測量值的精度，我們對電量監測模塊按電流規格等級進行標定,用以消除電量模塊由于硬件上的差異而帶來的測量誤差。電流標定，是在10%In和100%In兩個點上，把測量值和標準值進行對比，來修正電流曲線。電壓標定，是在50V和395V（或220V）兩個點上，把測量值和標準值進行對比，來修正電壓曲線。

3 測試結果

采用三相精密測試儀器對本方案設計的斷路器內置電量監測模塊（以額定電壓380V，電流100A規格的為例）進行了試驗驗證，被測電壓范圍為135V～395V，電流范圍為0A～100A。對電壓、電流有效值測量精度進行驗證。結果如表1，表2所示。

表1 電量監測模塊電壓測量誤差

表2 電量監測模塊電流測量誤差

測試結果表明，電壓在135V～395V時，測量誤差不超過1%，電流在0A～100A時，測量誤差不超過0.5%，可以滿足電網實時監測系統對精度的要求。

4 結論

本文提供了利用AD7758開發的電量監測模塊，可提供豐富的電量參數，適用高溫環境，具有較高的工業價值。

本系統設計方案由上海電器科學研究所研制開發，作為船用電網監測系統的終端設備已投入安裝運行。該系統運行穩定可靠，達到了預期的設計要求。對船舶電力系統向自動化和智能化方向發展起到了積極作用。

[1]Ana1og Devices Po1y Phase Mu1tifunction Energy Metering IC with Per Phase Information ADE7758.

[2]Texas Instruments Precision Ana1og-to-Digita1 Converter(ADC)with 8051 Microcontro11er and F1ash Memory.

[3]華意電子有限公司.羅科夫斯基線.

[4]袁俊杰.中頻斷路器內置電量附件的設計[J].低壓電器，2009(16).YUAN Junjie. Design of E1ectric Accessory Putting Inside Intermediate Frequency Breaker. Low Vo1tage Apparatus，2009(16).