基于新型电子式电流互感器的多功能电能表的设计

第32卷第16期 2008年8月25日 电力系统自动化 AummmionofElectricPowerSystems V01．32NO．16 Aug．25，2008 基于新型电子式电流互感器的多功能电能表的设计 吴 涛，周有庆，龚 伟，曹志辉，张雪美 (湖南大学电气与信息工程学院，湖南省长沙市410082) 摘要：电能表用电流互感器的性能直接影响到电能表计量的准确度。针对目前电能表用电磁式电 流互感器易饱和、测量范围较小等问题，提出了一种基于印制电路板(PCB)型电子式电流互感器的 多功能电能表的#设计#。首先对PCB型空心线圈的结构及原理进行了分析，设计了空心线圈与 计量芯片间的接口电路，并通过试验数据表明互感器具有良好的性能，然后详细阐述了以三相高精 度计量芯片ADE7758和高性能、低功耗H8单片机为核心的电能表的硬件设计，在此基础上简要 说明了电能表的软件设计思路。所设计的电能表计量准确度高，功耗低，具有很强的实用性。 关键词：电子式电流互感器；多功能电能表；ADE7758；H8单片机 中图分类号：TM933；TM764 0 引言 随着电子技术的发展和用户对用电管理水平要 求的不断提高，多功能电能表得到了迅速的发展，成 为电能计量产品系列中不可缺少的重要组成部 分[1。2]。目前，多功能电能表普遍采用小型电磁式电 流互感器进行电流信号转换。而电磁式电流互感器 带铁芯、易饱和、测量范围较小，且易受外界电磁干 扰。近年来，基于空心线圈的电子式电流互感器的 研制在电力系统中得到了重视。它具有体积小、造 价低；无铁芯，不存在磁饱和和铁磁振荡问题；动态 响应范围大，频率响应宽；抗电磁干扰性能强等优 点，是未来电流互感器发展的方向[3。5]。 本文主要论述了印制电路板(PCB)型空心线圈 结合电能计量芯片ADE7758在电能计量中的应 用，并介绍了多功能电能表的硬件框架与软件设计。 1 电流互感器的设计 1．1 PCB型空心线圈结构 为解决现有电磁式电流互感器所存在的测量范 围小、抗干扰能力低等问题，电能表采用拥有专利技 术的一种结构简单、准确度高、抗干扰能力强的 PCB型空心线圈。图1为2层PCB的空心线圈结 构示意图，一次线圈(10)是用较宽的铜线布置于 PCB的2层或用一定厚度和宽度的铜材镶嵌在 PCB上，紧绕2个不相邻的平面螺旋线圈构成一匝 收稿日期：2008—05—09；修回日期：2008—06—25。 实用新型专利(200620052659．2)；发明专利(200610032482． 4)。 一56一 回路；二次线圈由4个螺旋线圈串接而成，顶层与底 层同位置的螺旋线圈通过过孔串接。 图1 PCB型空心线圈结构示意图 Fig．1StructuresketchofthePCBairCOlecoil 该PCB型空心线圈没有铁磁材料，不会因被测 电流大而饱和，具有很好的准确度，且频带宽；采用 多个均匀分布的螺旋线圈串接组成，外界干扰磁场 在相邻线圈所产生的感应电动势大小相等、方向相 反，最终串接相互抵消，起到了对外界干扰磁场无响 应的作用；采用PCB制作，可显著降低成本，制作工 艺精细，便于批量生产。 当一次线圈中通过被测交流电流i(￡)时，2层 中所有螺旋线圈产生的感应电动势方向都相同，串 接相互叠加，通过二次线圈输出端(9)输出一个与被 测电流相对应的电压信号P(￡)，用公式表示为： P(f)一一M氅堕 (1) d￡ 式中：M为互感系数，与二次线圈的有效面积、匝数 等有关。 为了增大空心线圈的互感系数，可以将二次线 圈制成多层PCB或多块2层PCB串接，增大二次 线圈的匝数。同时，为了提高抗干扰性能，可在 PCB上加覆铜层。 万方数据 ·研制与开发· 吴 涛，等基于新型电子式电流互感器的多功能电能表的设计 1．2电流信号通道 由式(1)可知，空心线圈的二次输出电压与被测 电流的导数成正比，故在电路中需要加上一个积分 环节，使输出量与被测量成正比，因为所用的电能计 量芯片ADE7758内含有数字积分器，不需额外再 加积分电路。 电能表用电流互感器的一次电流测量范围规格 为：1A(2)，1．5A(6)，2．5A(10)等，这样的电流经 PCB型空心线圈输出后是微弱的信号(一般为几毫 伏)，而ADE7758的最小满量程输入电压信号为 ±31-3mV，因此需外加信号放大电路。图2描述 了电流信号通道，方框内为ADE7758内部的电流 信号通道。 仪表放 电流增益 +电流有效 、 校正 l值计算j多怔p删黼 瘩，益可编。ji渡 高通滤积分器I．有功和无 程差分转换器 波器 +功计算 放大器 图2 电流信号通道示意图 Fig．2Sketchofcurrentsignalpath 空心线圈通过取样电阻取得电压信号，再经低 通滤波器差分式接人放大器，放大后的信号输入电 能计量芯片。信号在计量芯片内部经过差分放大、 A／D转换之后，对电流增益误差进行校正。由。于 A／D自身的原因或外界温度的影响，积分器的输入 可能会存在直流偏移量，在A／D输出与积分器之间 接人高通滤波器，可以消除直流偏置的影响。接着， 对信号进行数字积分，将结果送人波形寄存器并进 行电流有效值、有功、无功计算等后续操作。 1．3空心线圈接口电路设计 放大微弱信号要求放大器有超低噪声特性，因 此放大器选用高性能仪表放大器AD8221，其最大 输入电压噪声密度为8nV／J雨(1kHz)，共模抑制 比高达120dB(增益为100时)。在该应用中，由于 放大器输入、输出都是双极性信号，当放大器采用单 电源供电时，需要在输入输出加偏置电路，这样将增 加放大器的功耗，影响放大器的性能，故采用双极性 电源供电。接口电路如图3所示，R11和R12为取 样电阻，R13，C13，R14，C12，C11构成低通滤波器， 放大倍数通过改变RG的电阻值来改变。 1．4互感器性能试验 采用一次2匝的6块串接的PCB型空心线圈 接低通滤波、差分放大和积分电路进行试验。主要 分析电流互感器一次输入电流和积分输出信号的线 性关系。信号源产生一个50Hz工频的正弦电流， 作为互感器一次输入，积分输出电压由惠普公司数 字万用表测得。 AGND 图3空心线圈接口电路 Fig．3Interfacecircuitoftheaircorecoil 对表1中数据进行线性拟合，结果如图4所示。 表1 PCB型电流互感器试验数据 Table1 TestdataOfPCBcurrenttransducer 输入电流／A积分输出电压／V输入电流／A积分输出电压／V 0．1 0．00333 2 0．0722 0．2 0．00742 3 0．1080 O．3 0．01070 4 0．1430 O．4 0．01430 5 0．1780 0．5 0．01820 6 0．2150 0．6 0．02170 7 0．2520 0．7 0．02470 8 0．2860 0．8 0．02780 9 O．32lO 0．9 0．03270 10 0．3590 1．0 0．03640 主 器 丑 萎 磷 一次电丽x／A y--O035823x+000005427 图4试验数据拟合曲线 Fig．4Fittingcarveofthetestdata ● 输入、输出试验数据点的线性拟合度为 0．99997，说明该互感器有很好的线性度。拟合截 距能表示出信号中叠加的固有噪声成分∞]，．理想值 为0(即输人为0时，输出同样为0)，线性拟合截距 为0．00005427(约为一次电流0．1A时积分输出 信号的1．63％)，说明即使在小输入电流下，积分输 出电压也没有叠加明显的噪声干扰，即该互感器具 有抗干扰能力。 万方数据 电 力 最 统 自 动 让 ～ 试验中采用的是模拟积分器，如采用ADE7758 内置的数字积分器，互感器的温度稳定性、抗干扰性 以及测量精度都将提高。因而PCB型电子式电流 互感器适用于电能表的电流测量。 2 电能表硬件设计 结合DL／T614—2007对多功能电能表的 描述吲，在设计过程中，可以将三相四线多功能电能 表的硬件电路分成3部分：计量电路、微控制器 (MCU)及其外围电路、电源电路。图5为整个电能 表的硬件设计框图。 ABC 三相 电压 ABC 三相 电流 有功、 无功、 电量脉 冲 H薹Ⅲ—州笥 一一斗窭 ‰—亘巫皿』‰趣呼圈珊 登罩壳口圃f|12c{；k=：矧超低功耗倒墨謇黛雕蔺麓博篓 485A485B LED指示Jff 图S电能表硬件框图 Fig．5Hardwareblockdiagramofthewatt-hourmeter 2．1 计量电路 计量电路主要针对计量芯片ADE7758的电路 设计。ADE7758是一种高精度三相电能计量芯片， 能计量各相的有功、无功、视在电量和电压、电流有 效值等数据，并可通过SPI串行总线和中断引脚与 MCU进行通信；能输出有功脉冲、无功(或视在功) 脉冲，可用于校表；还能以数字方式校正系统误差。 ADE7758有3路电压、3路电流信号输入通 道，外网的大电压、大电流需经过信号转换才能接入 计量芯片，电流转换通过电子式电流互感器来实现。 电压转换采用大电阻分压实现哺]。但这使得外网没 有与计量芯片电气隔离，为了避免外网通过计量电 路对MCU电路产生干扰，电能计量电路与MCU 电路在PCB上需较长的隔离间距，同时电路间的数 据传输通过高速光耦实现。 一58— 2．2 MCU及其外围电路 MCU选用瑞萨公司的超低功耗H8／300L产 品系列中的HD64F38327H型单片机[9]，该单片机 内置60KB的闪存；有7种低功耗模式；2个SCI串 行通信口，可分别用于与计量芯片、RS-485通信；至 于红外通信，可采用通用I／O口软件模拟实现异步 通信；内置32段LCD驱动器，因MCU外围芯片 多，需使用较多I／0端口，所以在片外使用带12C总 线的LCD驱动器(如PCF8576CT)。 人机交互：包括按键、LCD显示和指示灯。按 键有3个功能键和1个编程键，编程键只能在开盖 后才能按到，防止普通用户对电能表进行编程。 LCD主要负责电能、有效值等一系列参数及异常事 件的显示。指示灯指示异常报警，计量芯片的 脉冲输出也接有2个指示灯，用于指示有功电量和 无功电量(或视在电量)。 通信接口：RS-485接口电路与MCU端口采用 光电隔离方式连接。红外接收采用红外接收元件， 接收元件将接收到的调制光信号解调为二进制脉冲 信号，送人MCU软件模拟的串行接收端口。红外 发送由MCU的2个端口实现，一个端口产生 38kHz载波信号，另一个端口模拟串行发送口，串 行发送口发送的数据对载波进行调制，驱动红外发 射管发送数据。 ．外围存储器：电能表要存储系统参数、异常事件 检测结果、计量所得当前数据和历史数据以及备份 数据等，所有这些数据量达20KB左右，为留有足 够的存储裕量，在MCU片外扩展一片64KB带 12C总线的EEPROM。 实时时钟：系统计量需量、时段投切以及事件检 测等都涉及到时间的记录，因此选用精确的硬件时 钟(如R8025)来完成对时间的准确记录。另外，考 虑到外界温度对硬件时钟的影响，使用温度传感器 (如TCN75)实现时钟的温度补偿。 系统掉电检测：系统采用ADM706实现对系统 掉电的检测，系统掉电触发外部中断，将MCU切换 到停龟工作模式，这时系统采用3．6V电池供电， MCU进入休眠模式，系统休眠时可以采用按键或 红外唤醒。唤醒后LCD显示，并可红外抄表。 开盖检测：对开盖进行检测记录，可以实现对电 能表的监控，防止普通用户对电能表进行编程或私 自接线。 电池欠压：系统停电时，电池对电能表供电，若 电池电压低，又没有得到及时更换，会导致电能表停 电，后果严重。所以在电池电压低时报警，提示有关 部门及时更换。 万方数据 ·研制与开发· 吴 涛，等 基于新型电子式电流互感器的多功能电能表的设计 2．3 电源电路 三相电压经降压、整流、滤波、稳压后，分成3路 独立的电源：一路供给RS-485通信；一路供给计量 芯片等电路；由于MCU及外围电路在系统掉电后 仍需工作，因此由V明供电。硬件时钟作为整个系 统的时基，它的供电单独加一节3V电池作后备电 源。电子式互感器的放大电路需在双极性电源下工 作，正极性电源由+5V供给，而负极性电源由 +5V经电压变换电路产生。 3 电能表软件设计 3．1主程序设计 图6为电能表主程序流程，整个程序是通过查 询方式执行的，通过查询事件发生的条件判断电能 表事件是否发生来执行相应的操作，这种执行方式 只要保证CPU的执行速度足够快，是能够保证事 件响应的时效性的。 图6主程序流程 Fig．6Flowchartofthemainprogram 电量的采集在定时中断中完成。系统采用每隔 40ms中断一次，完成对计量芯片的采样，并对采样 值进行修正，得到当前运行的瞬时值。 电量的积累是对采样的瞬时值进行累加的过 程，当对应类型(尖峰平谷)电量累计到 0．01kW·h，电量小数事件发生，并进行相应处理。 最大需量计算方式采用滑差式，其需量周期T 和滑差时间t可选，最小滑差时间可设为1rain，最 小需量周期可设为5rain。当一个滑差时间到时， 将此滑差时间内累计的电量存储，然后对最近的 T／t个滑窗的累计电量求平均值，得到当前需量，再 将当前需量与存储的最大需量进行比较，较大者保 存至最大需量存储单元。每小时将进行60／t次最 大需量计算。 时段费率投切是根据当前日期找到对应的时段 表，再从时段表中找到当前时间对应的费率，并将其 设置为当前运行费率u0|。 3．2通信程序设计 通信程序参照文献[11]设计。为主一从结 构的半双工通信方式，手持单元或其他数据终端为 主站，电能表为从站。每个电能表均有各自的地址 编码。通信链路的建立与解除均由主站发出的信息 帧来控制。每帧由图7所示的8个部分组成，每部 分又由若干字节组成。 68HA0A1A2A3A4A568HC L Dpd氏CS16H 帧 帧 数 起 地 起 控 据 数 校 结 始 址 始 制 域 据 验 束 符 域 符 码 长 域 码 符 度 图7信息帧格式 Fig．7Formatofinformationframe 信息帧的接收放在中断程序中执行，对地址匹 配及字节校验、帧校验正确的信息帧经处理后存入 接收缓存中。主程序中的通信处理程序再根据接收 缓存中信息帧的控制码和数据域执行相应的操作。 4 结语 本文所设计的三相多功能电能表采用拥有专利 技术的PCB型空心线圈作为电流信号输入转换器， 可以弥补电磁式电流互感器易饱和、测量范围窄等 不足。另外，电能表参照DL／T614—2007标准设 计，可以实现多费率计量、最大需量计算、红外及 RS-485通信等多种功能。对电能表用PCB型电子 式电流互感器做了测试，结果表明该电流互感器适 用于电能表的计量。本文提出的设计方案可应用于 实际开发的多功能电能表产品中，具有计量准确度 高、实用性强、推广应用前景好的特点。 参考文献 [1]李芙英，臧金奎．纪昆．基于DSP的光电式高低压电能表．电力 系统自动化，2002，26(z)：75-77． LIFuying，ZANGJinkui，JIKun．Designofoptoelectronic multi—functionalwatt—hourmeterusingDSP．Automationof ElectricPowerSystems，2002。26(Z)：75-77． [230VIDIUP，GABRIELC．DSP’sbasedenergymeter／／ ProceedingsofIEEEthe26thInternationalSpringSeminaron 万方数据 2008，32(16) 它 力 系 统 自 动 让 ElectronicsTechnology，May8-11，2003，StaraLesna。Slovak： 235—238． [3]周有庆，刘琨．吴桂清，等．基于Rogowski线圈电子式电流互感 器的研究．电气应用，2006，25(6)：106—110． ZHOUYouqing，LIUKun，WUGuiqing。eta1．Researchof electroniccurrenttransducerbasedin Rogowskicoils． ElectrotechnicalApplication，2006，25(6)：106—110． [4]徐雁，张艳，朱明钧，等．基于空心线圈的HVI)C谐波电流测量 及性能分析．电力系统自动化，2005，29(22)；87—90． XUYan，ZHANGYan．gHUMingiun，eta1．Aircorecoil basedharmoniccurrentmeasurementinHVDcandits performanceanalysis．AutomationofElectricPowerSystems， 2005，29(22)：87—90． [5]钱政，卢俊娥，李童杰．电子式电流互感器低压侧电路的多功能 化实现．电力系统自动化，2006．30(20)：6B一71． QIANZheng．LUJun’e，LITongjie．Muhifunctional realizationoflow—voltagecircuitoftheelectroniccurrent transformer．AutomationofElectricPowerSystems．2006， 30(20)：68—71． [6]张少锋，石山，任成燕，等．高准确度微电流传感器的研制．传感 器技术，2004，23(12)：55—58． ZHANGShaofeng，SHIShan．RENChengyan．eta1． Developmentofhighaccuracymicroamperecurrentsensor． JournalofTransducerTechnology，2004，23(12)l55—58． [7]DL／T614--2007多功能电能表．北京：中国电力出版社，2008． [83h正良，尹项根，涂光瑜．高压电能表的研制．电力系统自动化， 2006，30(19)：89-92． BUZhengliang，YINXianggen，TUGuangyu．Developmentof HVwatt—hourmeter．AutomationofElectricPowerSystems． 2006，30(19)：89—92． [9]冈村雅一，渡边照一，平山和代．瑞萨H8一SLP单片机原理和应 用．北京：清华大学出版社．2005． [10]王翠青．电子式多功能电能表功能板的设计与实现[D]．沈阳： 东北大学．2005． [11]DL／T645—1997多功能电能表通信规约．北京：中国电力出版 社，1999． 吴 涛(1984一)，男，通信作者，硕士，主要研究方向：电 力系统微机保护及变电站自动化。E-mail：wtop一2002@ 163．com 周有庆(1944一)，男，教授，博士生导师，主要研究方向： 电力系统微机保护及变电站自动化。 龚 伟(1984一)，男，硕士，主要研究方向：电力系统微 机保护及变电站自动化。 DesignofMulti--functionWatt--hourMeterBasedoBtheNewElectronicCurrentTransformer ． wUTao，ZHOUYouqing，GONGWeiCAOZhihui，ZHANGXuemei (HunanUniversity，Changsha410082，China) Abstract：Theperformanceofthecurrenttransformerusedforwatt—hourmeterdirectlyaffectsthemeter’smeasurement accuracy．Inviewoftheissuesexistinginthepresentelectromagneticcurrenttransformersuchaseasytosaturation，smaller measurementrange，etc，adesignplanofmulti—functionwatt—hourmeterbasedonPCBelectroniccurrenttransformeris proposed．First。thestructureandprincipleofaPCBaircorecoilsensingunitareanalyzed，theinterfacecircuitbetweentheair corecoilsensingunitandthemeasurementICisdesigned。andthetestdatashowthatthetransformerhasagoodperformance． Then，themeter’shardwareiselaboratedwhichusesthethree-phasehigh—precisionmeasurementICADE7758andhigh- performance，lowpower-lossH8microcontrollerasthecore．Basedonthis．themainideaofmeter’ssoftwareisbriefly described．Themeterwithhighmeasurementaccuracyandlowpower-losshasgoodprospectsforpracticalapplication． ThisworkisguaranteedbyPracticalNewTypePatentandInventionPatent(No．200620052659．2．200610032482．4)． Keywords：electroniccurrenttransformer；multi—functionwatt—hourmeter；ADE7758：H8microcontroller oooo∞∞∞∞∞∞ooo。。。。。_。畸。。。。毒毛oo。。。。。o。。ooo‘，∞∞*∞∞o。。oooo。o。Hc崎旧_c心KKKKKKKK畸畸_c峭-c一。。∞oo．。々oooooo (上接第10页continuedfrompage10) APowerSystemTi．me-domainSimulationPlatformBasedonNet-formChainandDoubleLayerAlgorithm WANGChengshanl，WANGDanl，GUOJinchuanl，ZENGYuanl，ZHANGPei2 (1．KeyLaboratoryofPowerSystemSimulationandControlofMinistryofEducation，TianjinUniversity。 Tianjin300072，China；2．ElectricalPowerResearchInstituteofUSA，PaloAlto94303，USA) Abstract：Anewunionstructurefortime-domainsimulationofpowersystemjSpresented．whichisrealizedviadoublelayeral— gorithmwithbuild—innet-formchain．Theinnerlayerisdesignedforimplicitmethodwhereastheouteroneisdesignedforex— plicitmethod．Theexplicitmethodcanbeusedasapredictorforimplicitmethodorasanindependentalgorithm．Net-form chainisalogicalstructuredevelopedfromorthogonallisttechnologyforsparsestorage．Theinterfacebetweendynamicdevices andtheircontrolscanbeflexiblydesigned，soastheinterfacebetweendynamicdevicesandnetwork．TheblockingJacobianma— trixcanbeassembledexpediently．Therealizationschemeforsimulationsoftwaredesignusingthenewalgorithmisgiven． ThisworkissupportedbyNationalNaturalScienceFoundationofChina(No．50595412。50625722)andtheKeyGrant ProjectofChineseMinistryofEducation(No．306004)． Keywords：powersystemsimulation；net-formchain；doublelayerstructure 一60一 万方数据 基于新型电子式电流互感器的多功能电能表的设计 作者： 吴涛， 周有庆， 龚伟， 曹志辉， 张雪美， WU Tao， ZHOU Youqing， GONG Wei， CAO Zhihui， ZHANG Xuemei 作者单位： 湖南大学电气与信息工程学院,湖南省长沙市,410082 刊名： 电力系统自动化 英文刊名： AUTOMATION OF ELECTRIC POWER SYSTEMS 年，卷(期)： 2008，32(16) 引用次数： 2次 参考文献(11条) 1.李芙英.臧金奎.纪昆 基于DSP的光电式高低压电能表[期刊]-电力系统自动化 2002(02) 2.OVIDIU P.GABRIEL C DSP's based energy meter 2003 3.周有庆.刘琨.吴桂清.彭红海 基于Rogowski线圈电子式电流互感器的研究[期刊论文]-电气应用 2006(06) 4.徐雁.张艳.朱明钧.王建生.叶妙元.肖霞 基于空心线圈的HVDC谐波电流测量及性能分析[期刊论文]-电力系统自 动化 2005(22) 5.钱政.卢俊娥.李童杰 电子式电流互感器低压侧电路的多功能化实现[期刊论文]-电力系统自动化 2006(20) 6.张少锋.石山.任成燕.陈小林.成永红 高准确度微电流传感器的研制[期刊论文]-传感器技术 2004(12) 7.DL/T 614-2007.多功能电能表 2008 8.卜正良.尹项根.涂光瑜 高压电能表的研制[期刊论文]-电力系统自动化 2006(19) 9.冈村雅一.渡边照一.平山和代 瑞萨H8-SLP单片机原理和应用 2005 10.王翠青 电子式多功能电能表功能板的设计与实现[学位论文] 2005 11.DL/T 645-1997.多功能电能表通信规约 1999 相似文献(0条) 引证文献(2条) 1.王艳.袁慧梅 有功电能计量IP核的设计[期刊论文]-电子技术应用 2009(4) 2.赵志敏.林湘宁 电子式电压互感器传感器设计[期刊论文]-电力自动化设备 2009(8) 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_dlxtzdh200816013.aspx 下载时间：2009年12月29日