單相電能消耗計量裝置設(shè)計

單相電能消耗計量裝置設(shè)計

姜吉順,鄭連鋒,羅昊,邊敦新

(山東理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，山東 淄博255049)

摘要：利用同步采樣技術(shù)，以STM32單片機(jī)作為主控制芯片，設(shè)計了單相電能消耗計量裝置.實現(xiàn)了對市電電壓有效值、電流有效值、電網(wǎng)頻率、有功功率、功率因數(shù)、電能消耗值和用電時間等電能質(zhì)量參數(shù)的精確測量.給出了系統(tǒng)的測量原理、軟件流程圖、測試結(jié)果分析.該裝置具有過壓、過流保護(hù)功能，測量精度高，抗干擾能力強(qiáng).

關(guān)鍵詞：同步采樣；電壓；電流；電能計量

中圖分類號：TP23 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

收稿日期：2014-10-16

作者簡介：李云雷,男,yunleili@163.com

文章編號：1672-6197(2015)05-0053-04

Designofthemeteringdeviceforsinglephaseelectricenergyconsumption

JIANGJi-shun,ZHENGLian-feng,LUOHao,BIANDun-xin

(SchoolofElectricalandElectronicEngineering,ShandongUniversityofTechnology,Zibo255049,China)

Abstract:By adopting STM32 as the main-control chip,we design single-phase electric energy consumption metering device. By using the synchronous sampling technology, we realize the effective value of voltage and current, power frequency, active power, power factor, power consumption value and the period of using electricity and other power quality parameters for accurate measurement. The measurement principle, the system software flow chart, and the test results analysis are given in this paper. The device use LCD with over-voltage, over-current protection function and high measuring precision, strong anti-interference ability.

Keywords:synchronoussampling;voltage;current;electricenergyconsumptionmetering

目前電子式電能消耗計量裝置按照核心計量芯片工作原理可分為兩種：一種采用DSP技術(shù)、以數(shù)字乘法器為核心的數(shù)字式計量芯片，它運(yùn)用了高精度快速A/D轉(zhuǎn)換器、可編程增益控制等最新技術(shù)，即SystemonChip技術(shù)設(shè)計開發(fā)平臺，國際先進(jìn)水平的深亞微米高性能電能計量芯片上系統(tǒng)設(shè)計平臺將DSP內(nèi)核、可編程增益控制電路、高精度高速A/D轉(zhuǎn)換器、電壓基準(zhǔn)電路以及其他相關(guān)外設(shè)集成到一片芯片上，使系統(tǒng)許多方面的性能得以提高；另一種是以模擬乘法器為核心的模擬計量芯片。這兩種芯片的基本工作原理有根本的不同，在計量精度、線性度、穩(wěn)定性、抗干擾性、溫度漂移和時間漂移等方面，數(shù)字式芯片遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于模擬式芯片。在多種方案論證之后，本文提出了基于同步采樣技術(shù)實現(xiàn)電壓、電流、有功功率、視在功率、頻率、功率因數(shù)、電能、CO2排放的精確測量，并增加了過壓過流保護(hù)功能，其與現(xiàn)有的集成專用電能計量裝置相比具有更高的測量精度和抗干擾能力.

1測量原理

1.1　系統(tǒng)原理

單相電能消耗計量裝置以32位單片機(jī)STM32F103ZE為核心設(shè)計實現(xiàn)，系統(tǒng)原理框圖如圖1所示，該單片機(jī)使用ARM最新的Cortex-M3內(nèi)核，片上集成512K的Flash存儲器，64K的SRAM存儲器，系統(tǒng)工作頻率72MHz，具有多個定時計數(shù)器和多種中斷源控制等.其中STM32單片機(jī)芯片具有兩個12位μs級的A/D逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，具有16通道，各通道的轉(zhuǎn)換可以單次、連續(xù)、或間斷模式切換，轉(zhuǎn)換結(jié)果以左對齊或右對齊方式存儲在16位數(shù)據(jù)寄存器中.可編程控制啟動采樣和通道切換，兩個12位μs級的A/D轉(zhuǎn)換器可以實現(xiàn)電壓電流同步采樣，A/D測量范圍是0到3.6V，A/D轉(zhuǎn)換器多種轉(zhuǎn)換模式供選擇，支持DMA數(shù)據(jù)傳輸.采用定時器定時觸發(fā)控制模式，實現(xiàn)對電壓U(k)電流I(k)兩路信號進(jìn)行同步采樣.

圖1　單相電能消耗計量裝置原理框圖

1.2　測量原理

基于熱效應(yīng)原理的數(shù)值計算，即真有效值的數(shù)值計算方法，適用于正弦或非正弦波形信號，且每個周期采樣點越多計量越精確.設(shè)在一個周期T內(nèi)等間隔對u(t)、i(t)作N(N為正整數(shù))次同步采樣, 則第k次采樣值u(k),i(k)分別為

k=0,1,2,…，N-1

(1)

k=0,1,2,…N-1

(2)

設(shè)計中選擇時域分析算法中的積分算法,每個交流周期取采樣點N=200，電壓、電流的有效值采用矩形積分算法，其計算公式的離散表達(dá)式如下.

電壓有效值

(3)

電流有效值

(4)

有功功率

(5)

視在功率

P=U·I

(6)

測量交流電周期

(7)

計算功率因數(shù)

cosφ=cos(M·2π/T)

(8)

電能消耗

(9)

CO2排放

1000·P·t(g/w)

(10)

利用(1)式和(2)式得到離散同步采樣點，經(jīng)過標(biāo)度轉(zhuǎn)換，依據(jù)公式(3)到公式(10)可以分別求出電壓有效值、電流有效值、有功功率、視在功率、周期、功率因數(shù)、電能及其CO2的排放量等參數(shù)[1].

2硬件設(shè)計

2.1　電壓電流取樣電路

利用高精度電壓互感器取樣交流電壓，如圖2所示.初級線圈回路串聯(lián)220kΩ電阻形成大約1mA小電流，電壓互感器的初級和次級匝數(shù)的變比是1∶1，次級線圈串聯(lián)1kΩ的取樣電阻，把交流信號采用射極跟隨器接入系統(tǒng)的輸入端，提高了系統(tǒng)的輸入阻抗，消除了負(fù)載效應(yīng)，從而確保了電壓互感器的測量精度[2].同理可推，使用高精度電流互感器取樣交流電流信號，匝數(shù)的變比是1∶1 000，其接線圖如圖2所示，圖中RL、L1、CL分別為電容性、電感性和電阻性負(fù)載.圖中V1和V2分別是取樣后的交流電壓和交流電流信號，連接到STM32F103ZE單片機(jī)的AD1和AD2輸入端，實現(xiàn)同步采樣.

圖2　單相電壓、電流取樣電路圖

2.2　周期和相位測量電路

利用LM339AJ比較器與基準(zhǔn)電壓比較，把V1交流電壓信號轉(zhuǎn)換為方波信號V3，捕捉V3方波信號的周期T0計算得出交流信號的周期T.同理把V2交流信號轉(zhuǎn)換為方波信號V4，把信號V3和V4兩方波信號異或操作，得到信號V5，測量信號V5的脈寬M(μs)可以計算單相交流負(fù)載的相位角，φ=M·2p/T，計算求出功率因數(shù)cosφ=cos(M·2p/T).測量電路如圖3所示.

圖3　周期、相位測量電路圖

2.3　報警和過載保護(hù)電路

利用快速同步采樣，測量交流電壓和電流有效值，當(dāng)出現(xiàn)過壓和過流時，利用STM32F103ZE單片機(jī)的PB0引腳控制繼電器K1斷開負(fù)載，實現(xiàn)過載保護(hù)，利用PB1引腳控制蜂鳴器報警；PB2引腳控制發(fā)光二級管報警.測量系統(tǒng)中需要穩(wěn)定的電平提升VREF，在圖2和圖3中需要基準(zhǔn)電平VREF，電平提升電路采用TL431轉(zhuǎn)換實現(xiàn)，如圖4所示.

圖4報警、過載保護(hù)等電路圖

3軟件分析

計量裝置軟件程序共包括主程序初始化、同步采樣程序、電壓電流計算程序、周期和相位檢測程序、電能損耗計量程序、中斷處理程序、定時器處理程序、液晶顯示控制程序、系統(tǒng)自檢與軟件抗干擾處理等程序模塊[3].

裝置每次上電時都要進(jìn)行初始化，初始化程序包括對STM32F103ZE單片機(jī)定時器、中斷等工作方式的設(shè)定，串行液晶驅(qū)動芯片控制字初始化.在子程序模塊中，同步采樣程序利用定時器每100μs采樣一組數(shù)據(jù)，采樣一個周期T，電壓電流計算程序，周期和相位檢測程序，電能損耗計量程序，利用公式(1)到(10)分別計算電壓有效值、電流有效值、有功功率、頻率、功率因數(shù)、電能消耗CO2排放量.若負(fù)載過壓或過流，則通過繼電器控制斷開用電負(fù)載進(jìn)行系統(tǒng)保護(hù)[4].系統(tǒng)自檢與軟件抗干擾處理程序用來完成數(shù)據(jù)校驗與系統(tǒng)自診斷[5].控制系統(tǒng)的工作過程主程序流程圖如圖5所示，其它子程序模塊流程圖略.

圖5　主程序流程圖

4測試結(jié)果

該計量裝置在山東理工大學(xué)實驗室進(jìn)行了誤差測試和運(yùn)行試驗，利用美國德州儀器公司生產(chǎn)的0.05級標(biāo)準(zhǔn)的電子式電能綜合計量儀器作為標(biāo)準(zhǔn)表，對該裝置進(jìn)行了測試.針對不同負(fù)荷的情況下進(jìn)行分別測試，負(fù)載為多個60W白熾燈泡和電容、電感混合組成.限于篇幅列出負(fù)載為四個60W白熾燈泡時的實測數(shù)據(jù)如表1所示.

表1　負(fù)載為四個60 W白熾燈泡時運(yùn)行參數(shù)測試(運(yùn)行時間t=60 s)

表注：1kWh電能產(chǎn)生的CO2排放量為1 000g

測試結(jié)果表明，該計量裝置測量交流電壓有效值、電流有效值、頻率、功率因數(shù)達(dá)到0.1級，有功功率、電能、CO2排放量等測試指標(biāo)達(dá)到0.5級.并且具有過壓和過流聲光報警指示和過載自動保護(hù)功能.在實驗調(diào)試過程中得知，減小計量裝置測量誤差方法，第一是提高傳感器的精度，調(diào)節(jié)取樣信號的匹配電阻調(diào)整到精確值；第二是取樣匹配電阻阻值要求隨溫度變化阻值變化較??；第三是在信號處理過程中使用梯形積分提高運(yùn)算精度，第四采用先進(jìn)的數(shù)字濾波技術(shù)，消除高頻干擾信號的影響.該單相電能消耗計量裝置具有較高的測量精度，獲得山東省電子設(shè)計競賽一等獎.

5結(jié)束語

本文介紹了以STM32F103ZE單片機(jī)為控制核心的電能計量裝置，利用同步采樣技術(shù)，實現(xiàn)對市電電壓有效值、電流有效值、電網(wǎng)頻率、有功功率、功率因數(shù)、電能消耗和用電時間等電能質(zhì)量參數(shù)進(jìn)行精確測量.測試結(jié)果證明該裝置設(shè)計方案合理，有效值測量精度達(dá)到0.1級，且具有過壓過流自動保護(hù)功能.該便攜式計量裝置具有廣闊的應(yīng)用前景.

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(編輯：劉寶江)