智能電網(wǎng)電能計(jì)量模塊設(shè)計(jì)

劉 政，郭利進(jìn)

(天津工業(yè)大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，天津300387)

1 電能計(jì)量核心技術(shù)研究

1.1 電能計(jì)量原理

電能計(jì)量是對(duì)電能有功功率的計(jì)量，是電壓和電流乘積的結(jié)果[1]。計(jì)量芯片中將采樣電壓、采樣電流經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)后做乘法運(yùn)算，然后將運(yùn)算結(jié)果通過濾波器濾波得到有功功率瞬時(shí)值，再經(jīng)過數(shù)字頻率轉(zhuǎn)化器輸出脈沖信號(hào)，供主控芯片計(jì)量。電能計(jì)量是智能電能表的核心，而電能計(jì)量的核心是乘法器。乘法器的類型有數(shù)字和模擬兩種，方案中選用的AD7755內(nèi)部的乘法器是數(shù)字乘法器，這樣可以增加系統(tǒng)抗干擾能力。電能測(cè)量原理的通道結(jié)構(gòu)框圖及輸出數(shù)字頻率轉(zhuǎn)化如圖1所示。

電壓和電流通道是由16位的二階∑-△模/數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)化的通道，其速率高達(dá)900 kHz。電流通道帶有PGA接口，簡(jiǎn)化了電流通道傳感器的接口;并帶有高頻濾波器，可有效濾除直流信號(hào)的干擾，進(jìn)一步減少了有功功率輸出上的誤差[2]。而電壓通道相對(duì)簡(jiǎn)單，經(jīng)ADC后可直接與處理信號(hào)后的電流信號(hào)相乘，結(jié)果再經(jīng)低通濾波器進(jìn)入數(shù)字頻率轉(zhuǎn)化輸出。

圖1 AD7755內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖及信號(hào)流向

通道中的電壓信號(hào)和電流信號(hào)經(jīng)計(jì)量芯片內(nèi)部乘法器作乘積運(yùn)算之后得到的是瞬時(shí)功率信號(hào)的值，而電能計(jì)量需要的是有功功率，因此就必須對(duì)瞬時(shí)功率進(jìn)行轉(zhuǎn)化得到有功功率的直流分量，電路中對(duì)瞬時(shí)功率信號(hào)進(jìn)行低通濾波來獲取有功功率平均值，獲取信號(hào)前后變化如圖2所示。獲取有功功率分量的設(shè)計(jì)方案對(duì)于不同功率因素的非正弦電壓/電流波形同樣適用，信號(hào)處理都是數(shù)字電路，具有很好的穩(wěn)定性[3]。

圖2 瞬時(shí)功率與瞬時(shí)有功功率

1.2 電流通道和電壓通道

電流通道采用電壓完全差動(dòng)輸入，通道中的PGA使得接口范圍擴(kuò)大，其最大差動(dòng)峰值可達(dá)470 mV。PGA的增益匹配如表1所示。

表1 通道1的增益選擇

圖3給出了電流通道的外接注意事項(xiàng)，要求最大差動(dòng)電壓為470 mV，共模電壓峰值為100 mV，其 V1P接正輸入端，V1N接負(fù)輸入端。

圖3 通道1的最大信號(hào)電平(G=1)

同電流通道一樣，電壓通道的最大差動(dòng)電壓峰值為660 mV，圖4示給出了其外接要求示意圖。

圖4 通道2的最大信號(hào)電平

加在電壓和電流通道上的差動(dòng)電壓信號(hào)必須以一個(gè)共模端作為參考點(diǎn)，如圖4中的AGND。電壓通道中共模電壓為0 V時(shí)，測(cè)試效果達(dá)到最好。

1.3 功率因數(shù)的考慮

AD7755計(jì)量芯片對(duì)不同功率因素的非正弦信號(hào)同樣適用[4]。當(dāng)功率因素為0.5時(shí)，瞬時(shí)功率中的有功功率分量為：

含有諧波分量時(shí)，采用傅里葉變換公式來表達(dá)各電壓、電流的諧波分量之和：

式中，V(t)為瞬時(shí)電壓，V0為電壓平均值，Vh為 h次電壓諧波有效值，αh為h次電壓諧波的相位角。

式中，i(t)為瞬時(shí)電流，I0為電流的直流分量，Ih為 h次電流諧波有效值，βh為h次電流諧波的相位角。

瞬時(shí)有功功率計(jì)算：

有功電能計(jì)算：

h次諧波視在功率：

h次諧波無功功率：

電壓有效值計(jì)算：

電流有效值為：

有功功率為：

其中,φh=βh-αh。 功率因數(shù)為：

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 電壓電流采樣模塊

該系統(tǒng)中電壓采樣選用電阻分壓的接法，電流采樣選取錳銅片采樣方式[5]。

2.1.1電壓采樣

電壓通道采用電阻分壓方式獲得采樣電壓。選用5只200 kΩ，精度為1%的貼片電阻作為分壓電阻。電壓通道的最大輸入差分電壓為0.66 V。通過計(jì)算，取樣電阻為1 kΩ。這種電阻分壓網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)在于體積和重量都大大減小，方便設(shè)計(jì)和使用；分壓網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性也大大提高，保證了該系統(tǒng)的測(cè)量精度。其結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

2.1.2電流采樣

錳銅片在主回路中的應(yīng)用如圖6所示。電流采樣電路中用500 μΩ錳銅片作為采樣器。當(dāng)電流為20 A時(shí)，A、B兩點(diǎn)的電壓為 10 mV，電壓通過 R10、R11以差動(dòng)電壓的形式加至ADE7755的V1P、V2P，差動(dòng)電壓遠(yuǎn)小于集成電路所能承受的最大差動(dòng)輸入電壓。其電路連接如圖7所示。

圖5 電壓采樣結(jié)構(gòu)圖

圖6 錳銅片在主回路中的應(yīng)用圖

圖7 電流采樣連接圖

2.2 ADE7755外圍電路

計(jì)量芯片AD7755的外圍電路相對(duì)比較簡(jiǎn)單,關(guān)鍵在于匹配電壓通道和電壓通道的參數(shù)。該計(jì)量芯片的電壓通道和電流通道都采用完全差動(dòng)信號(hào)輸入，電流通道的正常工作最大信號(hào)電平為±470 mV,而電壓通道的正常工作最大信號(hào)電平為±660 mV,共模信號(hào)輸入都不高于100 mV。它們4個(gè)引腳相對(duì)于AGND的最大信號(hào)電平為±1 V，并且內(nèi)部都含有 ESD保護(hù)電路，可承受±6 V的過電壓。其外部接線圖如圖8所示。圖中的INT2、INT3是錳銅分流器分出的電流信號(hào)，E4是光耦芯片，把計(jì)量電路與MCU進(jìn)行隔離，防止信號(hào)干擾。

該芯片供電電壓為5 V±5%，綜合考慮到系統(tǒng)功能和抗干擾性能設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)中在模塊電源的市電電壓上并聯(lián)壓敏電阻和串聯(lián)熱敏電阻，再采用阻容分壓作為電源，然后通過穩(wěn)壓電路輸出給計(jì)量芯片供電。

該計(jì)量芯片的電流通道中,電流采樣通常有錳銅分流和電流互感器外加電阻、電容兩種方式。為了方便,本設(shè)計(jì)中選用錳銅分流器取樣，可以實(shí)現(xiàn)相電流有效抗直流。而電壓通道的電壓采樣通常采用電阻分壓或者電壓互感器。但是電壓互感器規(guī)模較大且成本較高，本設(shè)計(jì)中考慮到設(shè)計(jì)功耗、成本問題，采用電阻分壓的方法實(shí)現(xiàn)電壓采樣。AD7755計(jì)量芯片的外部時(shí)鐘晶振為3.579 545 MHz。

3 實(shí)驗(yàn)情況及結(jié)論

為驗(yàn)證該系統(tǒng)的性能，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試，用臺(tái)式電腦作為測(cè)量對(duì)象。該實(shí)驗(yàn)設(shè)備由穩(wěn)壓電源、電壓表、電流表和功率因素表等組成[6]。其結(jié)構(gòu)圖如圖9所示。

圖9中，穩(wěn)壓電源確保電源電壓為220 V，電流、電壓表及功率因數(shù)表則用來測(cè)量臺(tái)式電腦的實(shí)際功率,根據(jù)測(cè)量就可得出電風(fēng)扇在某時(shí)間段內(nèi)消耗的電能。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果的比較，可得出該系統(tǒng)的精確度[7]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

圖8 ADE7755外圍電路

圖9 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)構(gòu)圖

表2 電壓、電流、功率因素的數(shù)據(jù)表

從表2中可以看出誤差均小于1%。另考慮到電壓、電流表和功率表自身的功耗，其誤差在合理范圍之內(nèi)，由此可以推斷該計(jì)量系統(tǒng)的精度是比較高的。

[1]莊磊,付真斌.智能電能表電磁兼容檢測(cè)技術(shù)研究[J].安全與電磁兼容,2013(4):41-43.

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[4]ADE7755芯片中文資料[EB/0L].(2008-03-25)[2014-02-27].http://www.elecfans.com.

[5]陳向群.電能計(jì)量[M].北京：中國(guó)電力出版社,2010.

[6]張麗麗.多用戶復(fù)費(fèi)率電表及其遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].泰安:山東科技大學(xué),2002.

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