電力計量裝置現(xiàn)場監(jiān)測儀的設(shè)計

　　1 系統(tǒng)總體設(shè)計

　　1.1 技術(shù)要求

　　配備精密鉗形電流互感器，在不斷電、不改變計量回路的情況下，檢測計量裝置、電能表及互感器的誤差。顯示瞬時檢測狀態(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，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片電能計量芯片ADE7753同時對一次、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，可同時計算出計量裝置綜合誤差、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，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算

　　綜合誤差是指計量裝置實(shí)際計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，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)際計量電能：

　　Ez1=UIlT=k×CF1 (1)

　　該綜合計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)或千瓦時盤轉(zhuǎn)數(shù)B和被測計量裝置給定互感比H等。控制鍵包括啟動、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)計算，有功、無功和視在能量的測量。實(shí)際上ADE7753是1個電能計量片上系統(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)施單相電力計量裝置的監(jiān)測，不僅可以同時測出一次、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 時鐘電路

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

　　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

　　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。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)了對計量裝置的一次及二次回路的同時在線測量，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)鍵計量參數(shù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，可使電力管理部門及時校對計量裝置的誤差，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。