HPLC電力線載波通信模塊功耗測試儀設計

余敏琪， 朱銀昕， 譚海波， 郭光， 劉治國

(1.國網湖南省電力有限公司，湖南長沙410004；2.智能電氣量測與應用技術湖南省重點實驗室，湖南長沙410004)

0 引言

隨著國家能源戰略發展,電力線載波通信技術(PLC)在智能電網建設中起著越來越重要作用[1-2]。智能電網要求用電信息采集系統應具有遠程抄表 (AMR)、負載控制、變壓器監控、電能質量遠程測量、安全監視、分時費率 (TOU)、動態計費及其它各種增值服務功能等,同時國網公司針對用電信息采集系統建設提出了 “電力用戶全面覆蓋”“用電信息全面采集”“支持全面電費控制”的建設目標,然而以往的窄帶載波很難符合以上要求。HPLC電力線載波技術的出現,提高了電力線數據傳輸速率,為國家電網重點推進的智能電網建設項目和四表合一工程提供助力[3]。

至今為止國家電網和南方電網已累計招標智能電表超過5億臺。因載波模塊數量關系,其功耗對電網能源消耗是很大的,對載波模塊功耗的的控制顯得尤為重要。HPLC模塊功耗從作為用電信息采集系統檢驗技術規范中的重要指標,其動態及靜態功耗在相關規范中有詳盡說明[4]。

HPLC模塊功耗測試有兩個特點[5-7]:①動態功耗變化快。以某廠家模塊為例,對于窄帶PLC模塊,數據傳輸速率低,相同數據發送時間較長。以調制方式為BPSK的模塊為例,發送長度為16 Byte的應用層報文,需要138 ms。對于HPLC模塊,數據傳輸速率高,相同數據發送時間較短,發送長度為16 Byte的應用層報文,需要2.97 ms。因此要求測量HPLC模塊的功耗測量儀器的動態響應非常高。②交流功耗精度高。PLC載波模塊交流部分電力損耗較低,約幾十毫瓦,要求功耗測量儀交流測試部分非常精準。

目前普通儀表很難滿足以上兩個特點,本文針對以上兩個HPLC模塊功耗測試特點,設計一款功耗測試設備。

1 功耗測試儀工作原理

HPLC模塊功耗測試儀采用模塊化設計,主要包括MCU模塊、電源負載模塊、直流功耗測試單元、交流功耗模塊、顯示模塊和網絡通信模塊[8]。其中直流功耗測試單元和交流功耗測試單元設計為兩組,分別測試電能表模塊和集中器模塊,兩個待測設備同時連接到一個電源負載模塊上,可以通過組網抄表測試待測設備的動態功耗。如圖1所示,MCU模塊將直流功耗單元和交流功耗的采集數據進行計算,并將測試結果傳遞到顯示模塊,也可以通過網絡通信模塊將數據上傳到PC端的上位機軟件。HPLC模塊功耗由兩部分組成:12 V直流功耗和220 V交流功耗,其中直流功耗起主要作用,交流功耗一般很小,主要是模塊的過零電路功耗。

圖1 系統接線圖

1.1 電源負載模塊設計

電力線負載能夠影響HPLC模塊功耗。在電源接入功耗測試儀后,首先要將電源作一定處理,在模塊交流電接入前,需將電源作標準化處理,然后接入用來穩定網絡的線路阻抗,既能避免外部載波干擾系統,也能供應給系統測試所需的穩定電力線負載,如圖2所示。

電源經變壓、整流、濾波后,為整個測試儀提供12 V,5 V,3.3 V電壓。直流電源設計參數為:輸出精度優于1%,不同負載下 (輸出電流0～0.5 A)電壓穩定度≤1%。

圖2 線路阻抗穩定網絡

1.2 直流功耗測試單元設計

直流平均功耗測量的一般方法是選取一個時間段,通過適當的采樣率來等間隔采樣n組瞬時電壓ui和電流ii的值[9],公式 (1)計算平均功耗P。

瞬時功耗是電壓采集數值和電流采集數值乘積。電壓采樣:HPLC模塊電源電壓為12 V,ADC采樣芯片的測量限度為3.3 V,超過AD采樣電壓限度,電壓采樣采用電阻分壓的方式,分別使用47 K和10 K的高精度電阻,使AD采樣電壓約為2.1 V,滿足ADC芯片采樣要求。電流采樣:根據相關技術標準推算,HPLC模塊靜態電流小于100 mA,動態電流小于500 mA,電流采樣設計要達到500 mA,精度為1 mA。如圖3所示,電流采樣是將高精度低阻值的采樣電阻串到12 V電源上,使用精密差分運放,先將采樣電阻兩端電壓進行比較,然后進行放大,輸出一個合適的電壓信號到單片機 AD。運放使用 TI公司的電流采樣芯片INA282,此芯片可以將采樣電阻兩端的電壓差放大50倍。具有以下特點:寬共模范圍為-14 V～80 V,偏移電壓±20μV,共模抑制比 140 dB,±1.4%增益誤差 (最大值),0.000 5%/℃增益漂移 (最大值)。

圖3 電流采樣部分原理圖

1.3 交流功耗測試單元設計

一般HPLC模塊的交流功耗主要是過零電路功耗,計算方法與公式 (1)相同,通過電壓采樣和電流采樣計算交流功耗。交流電壓和電流采樣單元使用非隔離方案,與MCU模塊之間使用傳輸數據需要光耦隔離。

交流功耗采集使用上海東軟載波微電子有限公司的電能計量芯片ESEM16,ESEM16內部集成高精度電能計量模塊的MCU,其中包括用于電流和電壓采樣的兩個24位ADC,參考電壓源和有功能量計量專用DSP核各一個。可以計量有功電能,測量電壓、電流有效值,計算平均有功功率。溫度25℃條件下,1 000︰1動態范圍內,有功電能計量誤差小于0.1%；500︰1動態范圍內,電壓和電流有效值測量誤差小于1%。ESEM16模擬前端包括兩個可編程增益放大器,一側的電流放大,增益可實現1、2、4、8、16、32倍,電壓采樣的增益可實現1、2、4、8倍。PGA后為兩個24位AD采樣,芯片內部包含1.3 V的精密參考電壓源,實現高精度的電壓采樣。交流采樣電路如圖4所示。

圖4 交流功耗測試原理圖

電壓采樣采用高精度電阻分壓的方式,ESEM16電壓采樣要求輸入信號為 100μV到500 mV,根據220 V的有效值計算,設計輸入信號為100 mV,根據電阻分壓可計算得R89＝1 kΩ,R78＝R79＝R80＝R81＝510 kΩ。 電流采樣采用在電力線上串上高精度低阻值電阻方式,ESEM16要求電流采樣輸入信號為5μV到25 mV。則Pmin/220×R95＞5μV,Pmax/220×R95＜25 mV。 模塊的交流功耗主要在過零電路處,功耗很小,考慮不同廠家模塊交流功耗波動,交流功耗范圍設為1～300 mW。根據上述計算,采樣電阻包括1.1R＜R95＜18.3R,這里選取采樣電阻10R進行功耗測試。

1.4 MCU模塊設計

MCU模塊是功耗測試儀核心模塊。MCU選擇為ST公司的STM32F207ZE芯片,此芯片具有高速的運行主頻和應用接口,ADC模塊具有12 bit測量精度和30 MHz的采樣率,能夠滿足HPLC動態功耗測試要求。

1.5 顯示模塊和網絡通信模塊設計

顯示模塊采用觸摸顯示屏,可以通過界面和系統交互,進行靜態功耗和動態功耗測試。網絡通信模塊可以與上位機軟件交互,支持遠程控制,能夠將測試數據上傳給PC端上位機,便于將功耗測試儀集成于其他測試系統中。

2 功耗測試儀軟件實現

功耗測試儀軟件包括兩個部分:MCU程序和交流采集芯片ESEM16程序,兩者之間數據通過串口交互,串口連線使用光耦隔離。圖5顯示測試軟件設計框圖。

圖5 系統主程序流程

測試儀軟件在采樣開始前,首先對系統初始化,然后系統會從顯示屏或上位機軟件中獲取測試指令,判斷是否為靜態功耗。如果是靜態功耗,將直接進入數據采集和分析處理流程；如果是動態功耗測試,則進入組網流程。組網過程與實際現場臺區應用類似,首先是MCU模塊模擬虛擬電能表和虛擬集中器,把集中器模塊參數區初始化,然后下載表檔案,重啟集中器模塊。此后,系統會循環查詢組網狀態,待組網完成,進入動態功耗測試流程。

2.1 數據采集

數據采集主要包括直流電壓電流采集和交流電壓電流采集。MUC模塊可以直接采集直流電壓電流,采集到的二進制數據可以通過電路分壓公式算成電流和電壓,從而可以計算出直流瞬時功耗。啟動一輪采樣,每個通道按照采樣序列各采集10次,每個序列采集480Cycles,這樣完成一輪采樣需要(2×10×480)/30 000 000＝320μs, 在程序中延時1 000μs用來完成采樣,在完成一輪采樣之后進行計算,整個計算耗時約3μs。

交流采集是由ESEM16完成,可以通過讀取有功功率寄存器 (EM_PA)值換算得到,EM_PA為一個32位有符號數,以二進制補碼形式表示,負數代表實際的電能方向為負向。計算公式:

式中,DATA為讀取的相應的有功功率寄存器值的十進制數值；R為錳銅分流器的阻值,Ω；k為電壓通道的分壓比 (k＞1)；Gi和Gu為電流和電壓通道PGA增益；Vref為ADC參考電壓,Vref＝1.3 V。交流采集完成后通過監聽串口直流,將測試數據發送到MCU模塊。

2.2 數據分析及處理

在靜態功耗測試中,系統程序對每個采樣序列中的各個數據進行濾波處理,清除數據中存在的誤差,以保證采樣數據的真實性及可用性[10]。軟件程序采用的是限幅平均濾波算法,這種算法能夠有效克服因偶然因素引起的脈沖干擾[11-15],對電網中大量的隨機噪聲起到明顯的消除作用。

HPLC模塊動態發送時間很短,測試儀測試數據會包含動態功耗數據和靜態功耗數據,對采集數據的濾波處理與靜態功耗不同。如圖6動態功耗測試數據,模塊發送時的功耗遠大于靜態功耗,在處理動態功耗測試數據時,設置一個閾值Pthreshold,當大于此閾值時,認為是動態功耗,小于此閾值時為靜態功耗。在獲取多組動態功耗數據后,再對數據進行濾波處理,減少電網中大量的隨機噪聲對動態功耗測試結果的影響。

因功耗測試儀使用元器件精度問題,測試數據會有偏移,功耗測試儀需要加入功耗補償校準機制,本方案功耗補償校準是在測試結果中加入固定損耗值ΔP。

圖6 動態功耗測試數據

2.3 數據顯示及遠程控制

顯示模塊通過串口與MCU模塊通信,可以將顯示屏操作轉化為串口指令操控功耗測試儀測試。同樣MCU模塊將測試結果發送給顯示模塊,顯示模塊顯示測試結果。

網絡通信模塊實現功耗測試儀的遠程控制,通過TCP/IP協議與PC端上位機通信,遠程通信應用層協議為定制協議,協議中有對數據的CRC校驗,增加數據傳輸過程中的安全性和穩定性。

3 測量結果比較及分析

為了確認功耗測試儀的精確性及實用性,使用不同的測試方式對電能表HPLC模塊進行靜態功耗和動態功耗的測量比較。為了排除個體差異,本測試選取十個電能表模塊進行測試,測試結果見表1。

表1 測試結果對比

從測試結果數據可以看出,在不同的測量方式下,靜態功耗測試結果基本一致,但在測試量動態功耗時,表現出了一定的差異性。動態功耗測試儀與某省網計量中心測試結果較為一致,某功率計測試結果與其他兩種方式差異較大,這主要是某功率計的動態響應慢,測量速率跟不上HPLC模塊發送時的功耗變化。

4 結語

本文提出了一種HPLC功耗測試儀的設計方法,主要由MCU模塊、電源負載模塊、直流功耗測試單元、交流功耗模塊、顯示模塊和網絡通信模塊組成。該測試儀利用高采樣率的ADC芯片和高精度的交流功耗計量芯片,使直流功耗測量響應快,交流功耗測量精準。通過測量結果證明本方案設計的功耗測試儀在動態功耗上更為精準,此外,本設計方案成本更低,攜便性和可集成性更好。

由于本測試儀在攜便型、低成本及可集成性的技術優勢,特別是該測試儀的高動態響應,并可以高精度測量交流功耗,為HPLC模塊功耗的精確測量提供了一種新的方法,可以廣泛運用到各類HPLC模塊的功耗測量中。