電力計(jì)量裝置現(xiàn)場監(jiān)測儀的設(shè)計(jì)

　　1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　1.1 技術(shù)要求

　　配備精密鉗形電流互感器，在不斷電、不改變計(jì)量回路的情況下，檢測計(jì)量裝置、電能表及互感器的誤差。顯示瞬時(shí)檢測狀態(tài)下的一次電流、二次電流、電壓、互感比。具有光電采樣和手動采樣、脈沖輸入3種測量方式。精度等級達(dá)到0.2級。具有低頻脈沖信號輸出，方便送檢。不需另接電源。同時(shí)，為了兼顧城市和農(nóng)村電網(wǎng)中的應(yīng)用，在滿足功能外設(shè)計(jì)還要考慮到室外操作環(huán)境、方便攜帶及大范圍的電壓變化等因素以適應(yīng)現(xiàn)場監(jiān)測的要求。

　　1.2 系統(tǒng)總體組成

　　如圖1所示，系統(tǒng)以ARM控制器S3C44B0X為核心，采用2片電能計(jì)量芯片ADE7753同時(shí)對一次、二次回路的電壓電流輸入進(jìn)行測量，配合電能表的脈沖輸入，可同時(shí)計(jì)算出計(jì)量裝置綜合誤差、電能表誤差以及互感器誤差。由ARM嵌入式控制器驅(qū)動65萬色彩色液晶顯示模塊及4×4矩陣鍵盤實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互界面。微型熱敏打印機(jī)可打印輸出的誤差參數(shù)及日期。為了適應(yīng)寬電壓應(yīng)用的要求，采用AC/DC開關(guān)電源及DC/DC電源模塊為系統(tǒng)供電。

　　1.3 工作原理

　　首先應(yīng)將精密鉗型互感器分別夾在被測負(fù)載的一次、二次電流回路。根據(jù)被測電能表的不同及測量環(huán)境條件的限制，可選取自動方式和手動方式進(jìn)行檢測。在自動方式下，如被測電能表為電子式，可直接將其脈沖輸出連接至檢測儀。如電能表為機(jī)械式則可通過光電采樣器扣在電表上，將光電對準(zhǔn)電度表轉(zhuǎn)盤，調(diào)至正常采樣，這時(shí)輸入檢測儀的是光電采樣器的脈沖。然后，從鍵盤輸入校驗(yàn)圈數(shù)，被測表千瓦時(shí)盤轉(zhuǎn)數(shù)，被測互感器變化等預(yù)置參數(shù)后，就可實(shí)施自動計(jì)量檢測。

　　手動方式下脈沖是由人手動按下面板上的“手動”鍵或附件手動開關(guān)輸入的。連接好線后預(yù)置參數(shù)，由于手動及視覺誤差，圈數(shù)應(yīng)適當(dāng)多些。當(dāng)轉(zhuǎn)盤色標(biāo)轉(zhuǎn)至正前方時(shí)，速按一下手動開關(guān)，即開始檢測;當(dāng)被檢測表轉(zhuǎn)夠設(shè)置的圈數(shù)，再按一下手動開關(guān)，即可顯示該裝置誤差。

　　1.4 綜合誤差、電能表誤差及互感器誤差的計(jì)算

　　綜合誤差是指計(jì)量裝置實(shí)際計(jì)量的電能與裝置讀數(shù)之間的誤差。裝置讀數(shù)是電表讀數(shù)與計(jì)量裝置給定互感器變比的乘積。因此，綜合誤差中包含了電表誤差及互感器誤差的影響。也就是說，如果互感器或電表被人為調(diào)整就會導(dǎo)致綜合計(jì)量的誤差出現(xiàn)，就有可能是盜電。而當(dāng)出現(xiàn)綜合誤差時(shí)，還需再確定電表誤差及互感器誤差，并采取有針對性的治理措施。設(shè)一次回路電壓為U，電流為I1，而在設(shè)定圈數(shù)對應(yīng)時(shí)間T內(nèi)的ADE7753的高頻脈沖輸出CF1正比于實(shí)際電能，即有實(shí)際計(jì)量電能：

　　Ez1=UIlT=k×CF1 (1)

　　該綜合計(jì)量裝置的互感器變比為Hs;設(shè)定圈數(shù)為N;表常數(shù)為B(這三個參數(shù)應(yīng)在測量進(jìn)行前由操作人員預(yù)先輸入)，則有被測裝置讀數(shù)應(yīng)為：

　　Es=HsN/B (2)

　　因此，綜合誤差Ce可由Ez與Es算出：

　　Ce=(Es-Ez1)/Ez×100% (3)

　　互感器誤差由實(shí)際互感比(測量得到的一次、二次電流之比I1/I2)與預(yù)置互感比Hs得出。

　　He=(HS-I1/I2)/(I1/I2)×100% (4)

　　電表誤差由設(shè)定圈數(shù)對應(yīng)的電能N/B及二次回路ADE7753輸出的CF2對應(yīng)的電能Ez2得出：

　　Be=(Ez2—N/B)/Ez2×100% (5)

　　2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

　　2.1 人機(jī)交互界面

　　人機(jī)交互界面由操作鍵盤和65 k真彩色液晶顯示模塊組成，由ARM控制。鍵盤用于參數(shù)輸入及控制。

　　需要輸入的參數(shù)有校驗(yàn)圈數(shù)N、表脈沖常數(shù)或千瓦時(shí)盤轉(zhuǎn)數(shù)B和被測計(jì)量裝置給定互感比H等?？刂奇I包括啟動、復(fù)位、手/自動模式、打印以及翻頁、選擇等。采取4×4矩陣鍵盤完成0～9數(shù)字及控制鍵。

　　彩色LCD顯示模塊主要完成開機(jī)動畫、測量結(jié)果列表及曲線顯示、電子說明書、幻燈圖片顯示等。TFT液晶顯示模塊選用4.3英寸寬屏TFT LCD，分辨率為480×272。系統(tǒng)配置32 MB字庫及96 MB存儲空間，可以滿足圖片、動畫及文本顯示的需求。

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　　2.2 檢測電路

　　2.2.1 電壓、電流信號采樣電路

　　相電壓為175～240 V，但這樣大的電壓不能直接送給ADE7753進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。通過2個2 MΩ和1個6.2 kΩ的固定電阻及1個2 kΩ電位器分壓，得到400 mV左右的電壓采樣信號。而來自互感器的信號是電流形式的，需要經(jīng)過200 Ω的電位器轉(zhuǎn)換為電壓形式的信號送人ADE7753的電流測量通道。為了將來自電力線的信號與ADE7753進(jìn)行適當(dāng)?shù)母綦x，在電壓電流采樣信號之間選用OP07運(yùn)放組成電壓跟隨器電路。

　　2.2.2 脈沖信號調(diào)理電路

　　來自光電采樣器或電子式電能表的脈沖需要進(jìn)行信號整形轉(zhuǎn)換隔離后，再送給ARM的外部中斷輸入。采用NPN三極管進(jìn)行開關(guān)量的變換即可。

　　2.2.3 基于ADE7753的電能參數(shù)測量

　　ADE7753是ADI一款最新的功能先進(jìn)數(shù)字電度表芯片，這是一種帶串行接口和脈沖輸出的高精度有功和視在能量計(jì)量的集成電路。它集成了二階∑-△ADCs、1個數(shù)字積分器(在CHl上)、1個參考電壓源，1個溫度傳感器，能對電壓、電流有效值(RMS)計(jì)算，有功、無功和視在能量的測量。實(shí)際上ADE7753是1個電能計(jì)量片上系統(tǒng)(SOC)的芯片。

　　ADE7753電路將采樣的電流和電壓模擬信號數(shù)字化，電流通道中高通濾波器(HPF)濾掉了輸人信號中的直流成分，通過數(shù)字積分器還原成電流信號。電壓信號送入電壓通道，經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換和相位校正后與調(diào)理過的電流信號相乘即可得到視在功率。電壓和電流的有效值相乘獲得有功功率。有功功率信號通過數(shù)/頻轉(zhuǎn)換由CF腳輸出，同時(shí)與電壓信號、電流信號、視在功率信號一起送入ADE7753的寄存器，與串行接口經(jīng)DOUT腳輸出并連接到ARM的I/O口。ARM通過兩個片選信號選擇實(shí)現(xiàn)對一次、二次回路的ADE7753測量數(shù)據(jù)查詢與采集。值得注意的是，ADE7753的電流通道輸出數(shù)據(jù)較電壓通道更穩(wěn)定。這點(diǎn)可以從圖2中ADE7753的測量流程可看出，其電流通道中多了HPF環(huán)節(jié)和數(shù)字積分器環(huán)節(jié)。因此，在對一次回路測量時(shí)將電壓信號加在第1個ADE7753的電壓通道，而將二次回路的電壓信號加在第2個ADE7753的電流通道。實(shí)際上，由于一次、二次回路的電壓都是相電壓220 V，這樣取第2個7753電流通道的輸出值作為相電壓的測量值會更加精確。可看出，選用2片ADE7753實(shí)施單相電力計(jì)量裝置的監(jiān)測，不僅可以同時(shí)測出一次、二次回路各項(xiàng)參數(shù)，且可獲得更高的精度。這對提高儀表整體的精度等級是很有意義的。

　　2.3 時(shí)鐘電路

　　為了開機(jī)后實(shí)時(shí)顯示日期及時(shí)鐘，并在打印輸出結(jié)果時(shí)給出時(shí)間信息，采用時(shí)鐘芯片DS1302設(shè)計(jì)日歷電路。而為了掉電后仍能保持時(shí)鐘，配備3.6 V鋰電池。同時(shí)，時(shí)鐘可用于對ADE7753輸出高頻脈沖CF進(jìn)行電能計(jì)量。

　　2.4 微型打印機(jī)與電源

　　選用煒煌微型熱敏打印機(jī)，其內(nèi)置字庫，與ARM處理器的通信接口為并行接口。要注意的是，打印機(jī)對電源的功率及紋波有一定要求，因此選用了DC/DC隔離模塊為其供5 V電源。整機(jī)電源考慮到寬電壓變化范圍及方便攜帶的要求，沒有選擇變壓器線性穩(wěn)壓電源，而是選擇了AC/DC開關(guān)電源。

　　3 控制器設(shè)計(jì)

　　3.1 控制器選擇

　　監(jiān)測儀選用一款成熟的ARM7內(nèi)核處理器S3C44B0X實(shí)現(xiàn)。作為嵌入式控制器，S3C44B0X的任務(wù)是完成人機(jī)界面的控制，實(shí)現(xiàn)矩陣鍵盤輸入檢測，開機(jī)動畫顯示、功能菜單、數(shù)據(jù)及曲線顯示、電子說明書以及圖片幻燈展示等豐富的交互功能。這些復(fù)雜的鍵盤操作要與對應(yīng)顯示畫面配合完成，若選擇單片機(jī)作為控制器，程序編寫復(fù)雜，調(diào)試難度也增加。而選擇ARM通過操作系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)移植，可簡化這部分工作，且界面操作也更流暢。

　　3.2 基于S3C44B0X的μC/GUI嵌入式系統(tǒng)軟件移植

　　選用μC操作系統(tǒng)進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。μC/GUI是一種嵌入式應(yīng)用中的圖形支持系統(tǒng)。它為任何使用LCD圖形顯示的應(yīng)用提供高效的獨(dú)立于處理器和LCD控制器的圖形用戶接口，適用單任務(wù)或是多任務(wù)系統(tǒng)環(huán)境，并適用于任意LCD控制器和CPU下任何尺寸的真實(shí)顯示或虛擬顯示。μC/GUI的設(shè)計(jì)架構(gòu)是模塊化的，由不同的模塊中的不同層組成，由一個LCD驅(qū)動層來包含所有對LCD的具體圖形操作，μC/GUI可以在任何的CPU上運(yùn)行，因?yàn)樗?00%的標(biāo)準(zhǔn)C代碼編寫的。μC/GUI作為源代碼開放的圖形系統(tǒng)，則可提供包括豐富的二維繪圖庫、多字體及可擴(kuò)充字符集、Unicode、位圖顯示、多級RGB(Red，Green，Blue)及灰度調(diào)整、動畫優(yōu)化顯示、具有Windows風(fēng)格的對話框和預(yù)定義控件(按鈕、編輯框、列表框、進(jìn)度條、單選多選框、滑動條等)。而且對鍵盤、鼠標(biāo)、觸摸屏等輸入設(shè)備和雙LCD輸出的支持，目前在具有圖形界面的嵌入式測控系統(tǒng)中得到廣泛地應(yīng)用。

　　4 結(jié) 語

　　綜上所述，系統(tǒng)基于2片電能計(jì)量芯片ADE7753，特別是利用ADE7753電流通道精度高、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)對電壓進(jìn)行采樣，實(shí)現(xiàn)了對計(jì)量裝置的一次及二次回路的同時(shí)在線測量，可以提高儀表的整體精度。通過對綜合誤差、電表誤差及互感器誤差等關(guān)鍵計(jì)量參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，可使電力管理部門及時(shí)校對計(jì)量裝置的誤差，防止竊電現(xiàn)象發(fā)生。并且基于ARM處理器，通過μC/GUI嵌入式操作系統(tǒng)的移植，使得人機(jī)界面操作部分的實(shí)現(xiàn)更容易，功能更強(qiáng)大，操作也更加人性化。