范大勇

(東南大學 建筑設計研究院有限公司，江蘇 南京 210096)

0 引 言

隨著國家節能減排的不斷深入，能源消耗越來越得到廣泛的重視[1]。通過監測電能消耗情況，可以逐步完善能耗管理，不斷改進能耗優化方案，這樣使得整體的能耗取得節能減耗的效果。高精度電能測量裝置作為智能電網的采集終端，在廣泛應用的同時也朝著高精度、多功能、網絡化、高穩定、多時段、高壽命等高附加值的智能方向發展[2]。

本文高精度電能測量的需求為基礎，設計一種低成本、功能多樣的電能測量裝置，對電力參數進行有效地監測，以適應智能化的發展。

1 硬件設計

如圖1所示,電流采集采用了互感器進行信號轉換，轉換后的信號直接送入高精度電能采樣芯片ATT7022EU進行采樣計算。開入量采樣利用光耦隔離把數字輸入信號傳輸給STM32的IO口進行中斷處理；開出量直接由MCU的標準IO口輸出控制信號，通過低成本三極管開出緩沖電路控制繼電器。本系統充分利用MCU的USART功能，采用特別設計的雙光耦式通信隔離模塊，大大簡化通信模塊器件，形成標準RS—485通信接口。采用國際標準的Modbus-RTU協議，從而實現遠程數據讀取或參數寫入。電表具有LCD段式液晶顯示模塊和4位按鍵輸入，方便用戶直觀地進行人機交互。利用MCU的IIC功能，連接外部標準EEPROM存儲器，通過軟件設計，可靠存儲電表的設置參數和電能數值，在裝置失電時可長期保存各類數據。

圖1 測量裝置的原理結構

1.1 信號采樣電路

本裝置正常的電流信號輸入為5 A，由于ATT7022EU內置的模/數轉換器(analog to digital converter,ADC)輸入范圍為±0.5 V，所以，前端輸入的5 A電流信號必須通過互感器整流，轉換為合適的小信號便于芯片采樣[3]。選擇的互感器的原側和副側的比例是2 000︰1，輸入的5 A電流信號在互感器后轉換為2.5 mA的信號，通過68 Ω電阻采樣器，得到有效值為170 mV的電壓采樣信號輸入到芯片的電流輸入AD口。而輸入的電壓信號標準是220 V，考慮到采樣芯片的輸入特性，直接使用電阻分壓的典型電路來設計。既可以減少電壓互感器的期間成本，同時在硬件上減小了電壓輸入回路的角差，使得采樣得到的結果更加準確。通過電阻分壓電路，220 V電壓采樣信號被轉換成220 mV的電壓采樣信號輸入到采樣芯片的電壓輸入AD口。

圖2 信號采樣輸入電路

ATT7022EU內部的AD采樣方式是差分采樣，需要配合標準RC濾波電路進行濾波，進一步保證采樣波形的精度。ATT7022EU內部還含有高精度的AD采樣基準，為了保證該基準電壓的穩定，需要在基準輸出端加上10 μF和0.1 μF電容器進行去耦。

圖3 信號采樣芯片電路

1.2 開入與開出電路

設計開入模塊采用光耦隔離方式輸入,外側采用隔離直流15 V電壓供電，并加入二極管防止電壓回流。在光耦前端采用RC濾波電路，用以減小在開關變化瞬間所產生的信號尖波，防止后端系統產生誤判。

圖4 開入電路原理

此處光耦選用了市面上較為常見的NEC2501光耦，光耦隔離電壓可達到AC2000 V。轉換后的電壓由內部進行5 V電壓偏至，直接輸出給微控制器引腳進行采樣。

在開出電路設計上，獨特采用了三極管的驅動方式，并且同時考慮到電能量校表的方便性，所以,在開出模塊上重疊設計了繼電器和光耦方式的可選兼容方式。設計不僅節約了成本，而且可以根據最終不同應用場景需要選擇不同元件的安裝，用以達到不同的功能需求。

圖5 開出電路原理

1.3 通信電路

通信模塊上采用微控制器內部的UART模塊輸出信號外加入光耦，起到數字化的電氣隔離作用[4]。考慮到實際的使用環境，選用了NEC2501光耦，并設計選用兩光耦的方式取代了傳統的三光耦設計方式，不僅節約了期間成本，而且節省了通信所用到的IO口數量。在光耦隔離后使用TI公司的RS—485總線芯片SN65HVD3082直接輸出RS—485通信接口。本設計中的通信端口波特率最高可以達到9 600 bit/s，光耦隔離電壓可達到AC2500 V，這樣的參數足以滿足實際使用的需求。

圖6 通信電路原理

2 軟件設計

軟件程序設計中，采用了標準的操作系統架構。程序底層使用了實時操作系統μC/OS II[5]。程序的應用層采用了模塊化設計，使得整個應用層程序各分塊相互獨立，具有優秀的可讀性和方便的可移植性。

測量裝置的應用層功能模塊主要包括采樣計算程序、顯示程序、存儲程序以及通信程序。

2.1 采樣計算程序

設計采樣芯片采用了均方根值算法，不僅能準確地測量正弦波電量，對波形畸變的電量同樣有效；芯片內部把每周波采樣點數控制在64點以上，使得結果具有較高的可靠性和精度[6]。該計算方法離散化后的計算公式如下：

電流有效值

(1)

有功功率和無功功率

(2)

有功電能

(3)

式中N為每周期等間隔采樣點數，u(k),i(k)分別為第k次采樣的電壓、電流瞬時值，I為電流有效值，P為有功功率有效值，Q為無功功率有效值，W為有功電能。

設計采用的電能采樣芯片具有響應速度快，計算精度高等特點，并且在100 ms內即可將所有電路數據全部完成刷新。在采樣計算程序內采用500 ms的定時中斷完成對采樣芯片內所有數據的讀取，這樣的高頻率數據刷新，足以滿足裝置顯示的需求。

2.2 存儲程序

設計采用存儲芯片為標準的存儲芯片AT24C16,存儲容量為2 kB，相對于傳統設計中的鐵電存儲器,性能上有所欠缺，但其成本只需要鐵電存儲器的20 %。針對存儲芯片的性能不足，采用增加冗余校驗的軟件優化設計，以達到可靠存儲的目的。軟件設計中根據存儲芯片功能劃分存儲段如表1。

表1 存儲芯片功能劃分

分段1，2，3中包含的數據塊采用整塊存儲方式，每個存儲塊最后1字為和校驗區。寫入數據時獨立計算校驗值并將整塊數據同時改寫入原地址及備份地址。在讀取數據時首先讀取原地址數據，讀取后計算校驗值并與存儲的校驗值比對，如正確直接采用，如校驗值錯誤，則延時1 s再次讀取原地址數據。如校驗再次錯誤則讀取備份地址數據。此時若備份數據校驗正確，則使用備份數據改寫原數據，若校驗錯誤則延時1 s再次讀取備份數據，若再次錯誤置報警標志位，記錄存儲器異常事件ERR1。分段4中數據由出廠參數保存操作使數據塊整體存儲，存儲時存儲塊最后1字為和校驗區。讀取時校驗整體數據校驗位，如錯誤后置報警標志位，記錄存儲器異常事件ERR2。分段5中數據寫入時可不按照數據塊整體存儲，可按照記錄分條存儲，但每條數據最后1字為和校驗區。讀取時如正確直接采用，如校驗值錯誤，則放棄該次讀取的數據。

通過以上存儲軟件的設計，可以使得該裝置存儲數據的安全性和可靠性得到較好的保證，從而在節省成本的同時保證了產品的優良性能。

2.3 定時器中斷程序

定時器中斷程序主要是對系統內各個模塊進行定時觸發。同時在定時器中斷中根據不同的時間分區分別進行一些功能的掃描執行操作，具體操作流程如圖7所示。

圖7 中斷程序流程

2.4 通信中斷程序

通信中斷程序分為接收中斷和發送中斷，接收中斷程序負責把RS—485端口接收的通信數據進行一次校驗，然后直接保存在接收緩存器中[7]。由主程序中的通信數據處理程序對數據進行提取、CRC校驗和按照標準通信協議進行響應，待在響應完以后，將響應結果放入發送緩存區等待發送，同時啟動發送中斷。發送中斷在每發送完一個字節數據后會自動產生第二次發送中斷，直到發送數據長度達到預置的數量后就會切換通信狀態到等待接收。

3 實驗驗證

把該裝置送至電力工業電力系統自動化設備質量檢驗測試中心進行了型式試驗。其電能測量精度達到了0.5 s級的要求。主要性能測試數據結果如表2～表4所示。

首先對測量裝置的電流、電壓、頻率有效值測量精度進行測試，測試結果如表2。

表2 電壓、電流、頻率測試數據

結果說明了測量裝置的基本電量測量精度達到標準規定的0.2級誤差標準。

針對電能測量裝置的有功電能測量，選用電能表檢定標準源進行分相、合相及不同電流檔的電能測量[8]。測試結果如表3。

表3 有功電能精度

結果說明了測量裝置的電能測量精度達到標準規定的0.5 s級誤差標準,如表4。

表4 EMC試驗結果

試驗環境條件：溫度25 ℃;相對濕度：50 %；標準源：N72230；標準源輸出精度：0.05 %；測試條件：電壓220 V；電流5 A，頻率50.00 Hz。

4 結 論

該電能測量裝置以STM32微控制器為核心，通過深入合理的硬件和軟件設計，在節約成本的同時，大大提高了電能的測量精度，使之能夠達到0.5 S級的要求。且裝置抗干擾能力強，EMC測試等級為四級；并實現了ModBus-RTU協議下的遠程通信，使該裝置更加智能化，且實現了遠程測控。該裝置目前已在工程大量應用，并在使用中得到了用戶的好評。