一種新型無(wú)線電能計(jì)量表的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

付曉，沈永名，孫良凱，李健

(1.廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，廣西 南寧 530004;2.國(guó)電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京210061;3.浙江嘉興電力局，浙江 嘉興 314033)

1 引言

由于傳統(tǒng)能源的逐漸枯竭以及環(huán)境保護(hù)的需求，建設(shè)更加安全、可靠、優(yōu)質(zhì)、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的電力系統(tǒng)已變得越來(lái)越，智能電網(wǎng)由此誕生。它允許可再生能源接入電網(wǎng)，支持互動(dòng)式用戶管理以及對(duì)電網(wǎng)的智能化管理。智能電表是高級(jí)量測(cè)體系(AMI)和智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集的基本設(shè)備，承擔(dān)著原始電參量采集、計(jì)量和傳輸?shù)娜蝿?wù)，是實(shí)現(xiàn)信息集成、分析優(yōu)化和信息顯示的基礎(chǔ)。智能電表技術(shù)的發(fā)展，一方面可以通過(guò)先進(jìn)的計(jì)量手段為用戶提供用電建議，另一方面也為用戶端的控制提供了靈活接口。

從智能電表的組成來(lái)說(shuō)，主要包括通信、電源及電源管理、計(jì)量、存儲(chǔ)等功能模塊。本文提出的電表結(jié)合了電能計(jì)量芯片、微控制器與無(wú)線數(shù)傳模塊等器件的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表、雙向計(jì)量、交互式等功能。作為直接接在輸電線路上的電表，它具有抗干擾能力強(qiáng)，測(cè)量精度高，防竊電能力強(qiáng)，性價(jià)比高等優(yōu)勢(shì)。

2 系統(tǒng)框架

2.1 系統(tǒng)基本組成

這套電能計(jì)量表分為兩個(gè)部分:一是前端采集器，直接接在輸電線路上，用于采集三相的電壓和電流等電參數(shù)并通過(guò)射頻把數(shù)據(jù)傳送給集中器;二是位于配電房的集中器，接收前端采集器發(fā)送的數(shù)據(jù)。然后集中器通過(guò)RS232收發(fā)器把數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳給上位機(jī)。上位機(jī)的主要職責(zé)就是接收與儲(chǔ)存各種電力數(shù)據(jù)，匯總并統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，制作報(bào)表，下發(fā)控制命令。

圖1 無(wú)線電能表原理圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 電源電路設(shè)計(jì)

3.1.1 前端采集器的供電

由于采集器直接固定在輸電線路上，所以能量補(bǔ)充問(wèn)題是關(guān)鍵問(wèn)題之一。感應(yīng)取電的方法具有轉(zhuǎn)換效率高，應(yīng)用便捷的優(yōu)點(diǎn)。目前，感應(yīng)取電的研究方向有兩種，一種是無(wú)蓄電池儲(chǔ)能的，如果用電裝置可以接受較大范圍電壓的波動(dòng)，則可以無(wú)需蓄電池穩(wěn)壓;第二種是有蓄電池儲(chǔ)能的，這種方式更適合需要穩(wěn)定電壓供給的用電裝置，比如芯片，所以這里我們采用兩塊蓄電池交替工作的模式來(lái)給前端采集器供電。

由于采集器直接固定于輸電線路上，故感應(yīng)取電后，經(jīng)過(guò)整流和濾波給蓄電池充電從而給PCB板提供穩(wěn)定的直流電壓源。采用兩塊蓄電池交替供電的方式，當(dāng)蓄電池BT1此時(shí)作為工作蓄電池供電給電路板時(shí)，蓄電池BT2作為熱備用正在充電，由輸電線路感應(yīng)充電。等待工作蓄電池電壓降至5.5V時(shí)，繼電器動(dòng)作，切換線路，把滿電的電池切換為工作電源。作為6V的電壓源，蓄電池的輸出經(jīng)過(guò)低壓差電壓調(diào)整器AMS1117-3.3和TPS7350Q的處理，分別輸出3.3V和5V的直流電壓。

3.1.2 集中器的供電

集中器安置于配電房?jī)?nèi)，故取電比較便捷，使用低壓差電壓調(diào)整器AMS1117-3.3把5V電壓轉(zhuǎn)換成3.3V電源Vcc并加以濾波，以便供電給 C8051F021、EEPROM、JTAG 接口、時(shí)鐘芯片 SD2405ALPI、RS485收發(fā)器SP3072E;使用5V電源直接供電給歐姆龍繼電器 G6H-2、門(mén)電路 SN74HC04、無(wú)線數(shù)傳模塊 FC-211AP。

3.2 電能計(jì)量模塊設(shè)計(jì)

采用Cirrus Logic公司的雙向集成功率測(cè)量芯片CS5463。它可用于研制開(kāi)發(fā)單相兩線或三線電表。CS5463控制電路如圖2所示。

圖2 CS5463外圖接線

CS5463的特性如下:測(cè)量精度高，可達(dá)±0.1%;片內(nèi)功能多:這里我們采集的參數(shù)包括:瞬時(shí)電壓、瞬時(shí)電流和有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)、頻率。另外芯片功耗低，小于12 mW。

我們采用使用手冊(cè)推薦的晶振頻率4.096MHz作為時(shí)鐘脈沖。+5V電源通過(guò)VA+和VD+引腳給芯片提供電源。CS5463可以使用EEPROM進(jìn)入“自引導(dǎo)”模式，這個(gè)模式下使得CS5463能獨(dú)自工作，并在系統(tǒng)上電后自動(dòng)初始化。也就是說(shuō)，CS5463可從一個(gè)外部EEPROM中下載啟動(dòng)指令和寄存器數(shù)據(jù)。使用該模式，CS5463在工作時(shí)不需要外加微控制器，因此，當(dāng)電表用于大量住宅電能計(jì)量時(shí)，可降低電表的成本。因?yàn)檫@里不采用“自引導(dǎo)”模式，故將MODE引腳接地。

PFMON引腳是起電源監(jiān)視的作用，當(dāng)模擬電源下降到一個(gè)極限值時(shí)，狀態(tài)寄存器被置位表明處于低電壓狀態(tài)。SDI、SDO、SCLK引腳是CS5463與MCU連接的SPI接口，數(shù)據(jù)傳輸速度總體來(lái)說(shuō)比IIC總線快，可以達(dá)到幾兆每秒。而引腳7則是從器件使能信號(hào)，由主器件MCU控制，低電平有效。

CS5463的校準(zhǔn)及實(shí)現(xiàn):該芯片的電流、電壓通道要求輸入最大±250mV的交流差分信號(hào)，既芯片輸入的極限有效值約等于AC 176 mV RMS。

校準(zhǔn)過(guò)程如下(指單相)

零點(diǎn)校正:

(1)分別短路電流和電壓輸入端的IIN+、IIN-、VIN+、VIN-并使之連接到模擬地。

(2)分別發(fā)送電流、電壓偏移(零點(diǎn))校準(zhǔn)命令，CS5463內(nèi)部自動(dòng)把偏移值保存到各自的偏移寄存器，此時(shí)電流、電壓寄存器的值為0。

(3)保存電流、電壓偏移寄存器值到采樣器的EEROM存儲(chǔ)器(供下次復(fù)位后重新恢復(fù))。

滿度校正:

(1)由于芯片輸入的極限有效值約等于AC176mVRMS，一般把滿度值衰減為極限值的60%，這樣才有一定的采樣余量。例:本系統(tǒng)分別把35kV的電壓和100A電流衰減到150mVRMS。

(2)電流和電壓輸入端的 IIN+、IIN-、VIN+、VIN-分別接入150mVRMS校準(zhǔn)信號(hào)(實(shí)際上電流輸入10mA信號(hào)，通過(guò)15Ω的取樣電阻得到150mVRMS校準(zhǔn)信號(hào))。

(3)分別發(fā)送電流、電壓增益(滿度)校準(zhǔn)命令，CS5463內(nèi)部自動(dòng)把增益值保存到各自的增益寄存器，此時(shí)電流、電壓寄存器的值為0.6。

(4)保存電流、電壓增益寄存器值到采樣器的EEROM存儲(chǔ)器(供下次復(fù)位后重新恢復(fù))。

3.3 無(wú)線數(shù)傳模塊

采用的FC211AP模塊是新一代多通道高速率嵌入式微功率無(wú)線數(shù)傳模塊，其主要特點(diǎn)如下:

(1)低功耗:發(fā)射功率 20mW，休眠電流低于15uA，接收模式下消耗電流低于27mA，發(fā)射模式下消耗電流低于38mA;

(2)工作在無(wú)線計(jì)量頻段，符合國(guó)家無(wú)委標(biāo)準(zhǔn)，免申請(qǐng)頻點(diǎn);

(3)可靠性高、穩(wěn)定性強(qiáng):基于GFSK的調(diào)制方式，高抗干擾能力和低誤碼率，提高數(shù)據(jù)抗干擾能力;

(4)傳輸距離遠(yuǎn):視距情況下，可靠傳輸600m。實(shí)際使用中的視距約50m，所以可靠性是可以得到保證的。

實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)正確傳輸必須具備以下幾個(gè)條件:

(1)接收器與用戶的系統(tǒng)連接時(shí)，必須保持串行接口特征一致，即:奇偶校驗(yàn)情況、波特率、停止位、數(shù)據(jù)位;

(2)信道選擇相同;

(3)空中傳輸速率相同。這里我們選擇默認(rèn)值9600bps，與數(shù)據(jù)傳輸串口速率相同。

圖3 無(wú)線數(shù)傳模塊示意圖

圖3為無(wú)線模塊的傳輸示意圖，前端采集側(cè)從MCU出來(lái)的信號(hào)是TTL電平，由于RS485接口采用平衡驅(qū)動(dòng)器和差分接收器的組合，抗共模干擾能力強(qiáng)，同時(shí)傳輸距離長(zhǎng)，可靠性高，所以這里把數(shù)據(jù)用RS485收發(fā)器轉(zhuǎn)換后送入無(wú)線模塊。通過(guò)射頻發(fā)射至集中器側(cè)的電臺(tái)，再通過(guò)RS485轉(zhuǎn)接口把信號(hào)送至MCU。這里RS485轉(zhuǎn)換器選用Sipex公司的+3.3V低功耗半雙工的SP3072E。SP3072E的D I口和RO口接單片機(jī)P0.0(TXD)腳和P0.1(RXD)腳。單片機(jī)P3.3管腳控制SP3072E的使能。SP3072E的A口接到FC211AP的A/TX引腳，B口接到B/RX引腳。

3.4 顯示界面的設(shè)計(jì)

顯示儀表位于配電房，與集中器側(cè)的MCU通過(guò)插頭連接，這里采用 YAOYUTECHNOLOGY的YM240128a-5型液晶屏來(lái)顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。正常運(yùn)行時(shí)讓屏幕顯示第一頁(yè)數(shù)據(jù):總有功電量、總無(wú)功電量、峰時(shí)段電量、平時(shí)段電量、谷時(shí)段電量、總有功功率、總無(wú)功功率、頻率、功率因數(shù)。點(diǎn)擊按鈕進(jìn)入第二頁(yè)，第二頁(yè)顯示A、B、C三相各自的電壓、電流大小，溫度、頻率、功率因數(shù)。在通訊故障時(shí)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)用灰色顯示。根據(jù)實(shí)際需要，正常運(yùn)行時(shí)只顯示第一頁(yè)的內(nèi)容。

3.5 防竊電設(shè)計(jì)

制成的PCB電路板放在一個(gè)金屬腔體內(nèi)，而腔體與輸電線路直接串聯(lián)，輸電線路的高壓可以有效防止竊電。

4 軟件設(shè)計(jì)方案

圖4為前端采集器和集中器的軟件流程圖。

圖4 集中器和采集器器軟件流程圖

4.1 采集器的程序?qū)崿F(xiàn)

采集器的程序主要由初始化和中斷處理組成。初始化程序完成MCU、CS5463以及MCU外設(shè)的設(shè)置。中斷程序主要有串口通訊中斷和CS5463采樣定時(shí)中斷組成。串口通訊中斷接收集中器發(fā)來(lái)的電參數(shù)查詢命令，并給以適當(dāng)?shù)幕貞?yīng)。CS5463電能芯片對(duì)電參數(shù)的采樣引起了MCU每秒的定時(shí)中斷，該采樣通過(guò)SPI接口完成。而有功、無(wú)功電能分別由CS5463的E1、E3兩個(gè)引腳發(fā)出的脈沖進(jìn)行累計(jì)。

4.2 集中器的程序?qū)崿F(xiàn)

集中器的程序主要也由初始化和中斷處理組成。除了同樣要對(duì)MCU及外設(shè)進(jìn)行初始化外，增加了液晶顯示輸出和上位機(jī)的查詢請(qǐng)求應(yīng)答。集中器的中斷處理程序有:定時(shí)查詢采集器的電參數(shù)、定時(shí)刷新顯示數(shù)據(jù)、按鍵掃描及處理、相應(yīng)上位機(jī)的查詢命令等。集中器分別讀取A、B、C三相的采集器數(shù)據(jù)，把采集結(jié)果進(jìn)行合并，得到該線路的總電參數(shù)。

4.3 交互的實(shí)現(xiàn)

當(dāng)用戶在一定時(shí)間內(nèi)的用電量超過(guò)一個(gè)極限值，MCU下發(fā)命令控制斷路器從而實(shí)現(xiàn)拉閘限電。

5 結(jié)論

本文從硬件和軟件兩個(gè)方面闡述了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程。系統(tǒng)通過(guò)采用CS5463芯片作為微功率無(wú)線收發(fā)模塊.實(shí)現(xiàn)了對(duì)高壓輸電線路用電信息的高效、快速和可靠采集。

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