基于stm32的三相智能電能表計量的研究

李宏　王曉泳

摘 要：本文著重描述三相電能表原理說明。本課題研制的電能表主要采用高性能低功耗微處理器STM32 F103VC6和高精度電能測量芯片ATT7022E為數據采集核心。通過雙邊比電流互感器對電流信號采樣，并經微控制器對電網功率實時檢測和處理來實現功率分段計量，通過對計量原理的充分分析和研究，設計出計量硬件電路和軟件流程。

關鍵詞：三相電能表；高性能低功耗微處理器STM32 F103VC6；高精度電能測量芯片ATT7022E

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.23.109

0 引言

隨著電力和電子行業的蓬勃發展，電力公司對電能表要求越來越高，電能表作為用戶和電力公司的交易平臺，作用至關重要。對電能表一般要求是既要保證計量精度，同時又必須能長時間穩定可靠運行。隨著我國經濟發展，作為計量終端的電能表受到了越來越多的關注，為了滿足各方面的需求，電能表軟件設計朝著多費率、精確計量、智能化和網絡化、大數據物聯網方向發展。

1 三相感應式電表原理

三相有功電能表用來測量三相交流電路中電源輸出（或負載消耗）的電能。由于測量電路接線方式不同，三相有功電能表又分三相三線制和三相四線制兩種。

（1）三相三線有功電能表（三相三線兩元件電能表）三相三線有功電能表適用于對三相三線對稱或不對稱負載作有功電能的計量，可將這種電能表看成是兩只單相電能表的組合，其原理結構如圖所示。它具有兩組電流、電壓線圈（即兩組驅動元件），兩個同軸轉動的鋁盤，兩只制動磁鐵，一套計度器。鐵芯采用分離形式。電壓元仵為半封閉插片結構，性能較穩定，減小了摩擦力矩，有利于提高電能表的靈敏度，三相三線直人式電能表的讀數直接反映了三相負載所消耗的電能。

有的三相三線有功電能表（如DT2型三相有功電能表），將兩組元件共同作用在一個鋁盤上，其特點是減小了電能表的體積，但兩組元件間的渦流和磁通相互干擾，比兩個鋁盤的電能表產生的誤差大。三相三線有功電能表的工作原理與單相有功電能表的工作原理基本上相同，三相有功電能表由電流、電壓元件產生一移進磁場，同時與制動力矩相互作用，使鋁盤在磁場中獲得的轉速正比于負載的有功功率，從而達到計量電能的目的。

（2）三相四線有功電能表（三相四線三元件電能表）三相四線有功電能表的工作原理與單相有功電能表的工作原理基本上相同，適用于對三相四線對稱或不對稱負載作有功電能的計量。三相四線有功電能表可以看作是三只單相電能表的組合，它具有三組電壓、電流元件，兩個同軸轉動的鋁盤上、下排列，上面一只鋁盤裝有一套驅動元件（即電壓、電流線圈），下面一只鋁盤裝有兩組驅動元件，一套計度器。鐵芯采用分離形式，電壓元件為半封閉插片結構，三相四線有功電能表工作時，由三組電流、電壓元件產生一移動磁場，作用在鋁盤上的總轉矩為三組元件產生的轉矩之和，使鋁盤在磁場中獲得的轉速正比于負載的有功功率，從而達到計量電能的目的（圖1）。

軟件是系統的靈魂，軟件與硬件設計占同樣重要的地位，當系統硬件設計完成后，剩余的工作都是靠軟件來完成的。軟件的執行效率和穩定性決定了系統的執行效率和穩定性。電能表軟件系統是整個系統的控制、指揮中心。因此優化軟件結構和控制算法是軟件系統的關鍵，需要仔細、并反復的論證。

2 三相智能電能表計量系統設計

2.1 系統程序特點

實時性：程序設計時的首要要求就是實時性，能夠在對象運行的世界間隔內對系統進行控制計算和處理。在實時性高的系統中，一般使用匯編語言設計程序，而且對多個處理任務實施重點嵌套或者多重中斷。

針對性：每個控制程序是根據一個具體系統要求而設計。

通用性：控制系統在具有針對性同時，還應該具有能使用不同操作系統要求的通用性，這樣在控制系統設計中就可以吧具有一定功能的子程序或者重大服務程序進行排列組合，時期能夠組成一個能夠完成特定功能的應用程序，節省開發時間。

可靠性：程序實現系統的功能是程序時間的基本要求，系統的可靠性則是關鍵，只有系統的可靠性高才能保證系統的正常運行。

2.2 開發環境簡介

常見的開發環境是KEIL 和IAR。

KEIL。Keil是美國Keil Software公司出品的單片機開發系統易學易用。Keil公司由兩家私人公司聯合運營，分別是德國慕尼黑的Keil Elektronik GmbH和美國德克薩斯的Keil Software Inc。Keil公司制造和銷售種類廣泛的開發工具，包括ANSI C編譯器、宏匯編程序、調試器、連接器、庫管理器、固件和實時操作系統核心（real-time kernel）。有超過10萬名微控制器開發人員在使用這種得到業界認可的解決方案。其Keil C51編譯器自1988年引入市場以來成為事實上的行業標準，并支持超過500種8051變種。

Keil 的網站雖然沒有中文版本，但是Keil 軟件卻被中國80%的硬件工程師使用，但凡與電子相關的專業，都會開始從單片機和計算機編程開始學習，而學習單片機自然會用到Keil 軟件。國內由米爾科技、提供Keil 的銷售和技術支持服務，他們是ARM公司合作伙伴，也是國內領先的嵌入式解決方案提供商。

Keil公司2005年由ARM公司收購而后ARM Keil推出基于uVision界面，用于調試ARM7，ARM9，Cortex-M內核的MDK-ARM開發工具，用于為控制領域的開發。

IAR。IAR Systems是全球領先的嵌入式系統開發工具和服務的供應商。公司成立于1983年，提供的產品和服務涉及到嵌入式系統的設計、開發和測試的每一個階段，包括：帶有C/C++編譯器和調試器的集成開發環境（IDE）、實時操作系統和中間件、開發套件、硬件仿真器以及狀態機建模工具。endprint

IAR 公司總部在北歐的瑞典，在美國、日本、英國、德國、比利時、巴西和中國設有分公司。它最著名的產品是C編譯器-IAR Embedded Workbench， 支持眾多知名半導體公司的微處理器。許多全球著名的公司都在使用IAR SYSTEMS提供的開發工具，用以開發他們的前沿產品，從消費電子、工業控制、汽車應用、醫療、航空航天到手機應用系統。雖然在Li等人的協議中，作者聲稱他們的協議可以抵抗多種攻擊。但經過研究分析，本文發現Li等人的協議存在安全缺陷，且不能抵抗文中所述的一些攻擊，如內部攻擊、智能卡模仿攻擊、竊聽攻擊、偽造攻擊、用戶的匿名性攻擊以及密碼猜測攻擊。這些分析的細節描述如下：

（1）軟件框架設計。電能表系統的程序中主程序是最重要部分，它決定了整個程序實現的功能、步驟等，因此主程序的好好決定了整個程序的質量。

10毫秒任務也叫心跳脈沖，主要是用來做電參數采集、比如電壓、電流、功率采集，三相表異常事件檢測也在這里檢查，同時它是基準，下面的100毫秒，和秒任務都是根據它的動作來產生的。調整時鐘時候，需要對系統心跳進行修正。

100毫秒任務主要用來執行顯示和處理一下臨時性任務，比如密鑰下裝之類任務。

秒級任務，主要是用來做結算日凍結，檢查一下系統錯誤是主動上報狀態，還有負荷記錄和系統負荷曲線處理。

分級任務主要處理事凍結任務，比如日凍結、整點凍結等，但最主要任務還是處理時區、時段的切換。但是它是根據RTC實時判斷的，它的產生僅是系統當當前分發生了改變，因此可能與10毫秒產生分鐘數不同步，因此這里同步一次。

天任務目的就一個，在0時重新恢復系統的時區時段表，使系統的復費率計量正確。

通信和計量脈沖采集是實時處理的。

10毫秒產生脈沖供100MS和1秒信號工作。

分鐘信號是比對RTC不同而產生，同步時鐘，并且完成國網規定的時區時段的切換，從而完成復費率計量任務。

（2）計量部分程序設計。電量計量有兩種方式，一種是利用ATT7022E的CF輸出腳來捕獲這些變化，如果發生變化則產生1種類型的脈沖，也就是脈沖采集法。另一種方式是直接讀ATT7022E的能量寄存器累計脈沖數。

ATT7022E一共提供4種脈沖輸出，分別是有功脈沖、無功脈沖、視在脈沖、和基波脈沖，通過捕獲這些脈沖就可以完成對有功電量和無功電量的計量。

（3）原理。每1度電能對應這一定的脈沖常數，比如5-60A 220V1級標準三相表的脈沖常數是400，也就是說每1度電能有400個脈沖。國網規定的計量最小額度是0.01度，因此我們常用百分之一的脈沖常數作為脈沖計量基準。也就是每4個脈沖產生0.01度電能。

（4）脈沖采集。每當ATT7022捕獲到瞬時功率的變化，會產生一個脈沖輸出，根據功率不同，脈沖產生的快慢不同，但不管頻率怎么變化，都會產生一個90MS的高脈沖和產生一個不低于90MS的低脈沖。這樣通過捕獲這些脈沖變化就可以得到當前電量的變化。4個高頻脈沖輸出CF1/CF2/CF3/CF4， 分別對應全波有功電能、全波無功電能、全波視在電能和基波有功電能。

（5）程序設計。這部分程序設計比較簡單，其實就是捕獲CF1到CF4引腳上波形變化來確定是否產生了電能計數，如果電能計數足以產生0.01度電量。

由于90MS的高低脈沖遠遠大于10毫秒的心跳脈沖，我們可以利用心跳脈沖來進行檢測，只有發現了這種變化，就認為對于電能產生了1個脈沖，當脈沖累加到足夠產生0.01度脈沖數時，則產生了0.01度的電能量。

因此這部分程序設計主要分為兩部分，脈沖檢測部分和脈沖計量部分。

3 總結

隨著MCU和單片機功能增強，現在很多依靠模擬代碼才能實現功能已經經由硬件實現，比如國網的7816-4 ESAM 模塊，其實就是一個特殊的9600波特率串口，現在就有很多單片機提供硬件級支持，比如常見的CorText M族MCU 和國產復旦微FM330X 系列。這些特殊設備的定型化，標準化都為操作系統的普及打下了條件。可以預見未來的發展是：

（1）支持的設備越來越多。

（2）使用越來越簡單，甚至是不需要裁剪，僅需要編譯器設置一下，ARM的RTX 可以看做是一個代表，但是資料少，入門困難。

（3）提供文件系統支持，支持GUI模式給用戶提供多種交互方式。

（4）WIFF、載波、藍牙驅動支持。

參考文獻：

[1]楊吉祥等編著.電子測量技術基礎[M].南京：東南大學出版社，2004：1-90.

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作者簡介：李宏（1963-），女，本科，技師。endprint