高精度智能電能計量系統(tǒng)的設(shè)計

胡德清

摘要：電能發(fā)電生產(chǎn)，并且由供電部門對其進行配送，最終為企業(yè)和用戶提供電能?？梢婋娔芫褪请娏ζ髽I(yè)所經(jīng)營的一種商品，但是如何對電能實行經(jīng)計算，關(guān)系著很多技術(shù)以及經(jīng)濟問題。其中采取營業(yè)性的計費方式是合理公正的計費保證，其關(guān)系著電業(yè)部門和用戶間的經(jīng)濟利益。[1]對此提升電能的正確劑量，對于發(fā)送、生產(chǎn)、供電和使用等各個對象都是十分關(guān)鍵的。

關(guān)鍵詞：高精度 智能電能計量 計量系統(tǒng) 設(shè)計

中圖分類號：TM933.4 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）09-0183-01

準(zhǔn)確性提升電能計量有著十分重要的意義，使用各種方法減少電能計量裝置出現(xiàn)的誤差是當(dāng)前急需要解決的一個問題。電能的計量綜合誤差中有著電能表和電壓互感器的誤差、電壓互感器和電壓互感器二次回路壓降等的誤差。自重電能表誤差能夠克服高精度原件中的缺陷，電壓互感器誤差減少方法是匝數(shù)補償。[2]電壓互感器二次回路壓降引起的誤差長時間內(nèi)不能被關(guān)注，同時不能實現(xiàn)有效控制。實際上，電壓互感二次回路壓降造成的誤差較大。為此要想提升電能計量準(zhǔn)確度，減少電能計量誤差造成的經(jīng)濟損失，采取的處理方式為減少電壓互感器二次回路壓降。

1 高精度智能化電能計量系統(tǒng)

該項目的關(guān)鍵是實現(xiàn)對高精度電能計量系統(tǒng)的設(shè)計，并應(yīng)用在變電站中。在系統(tǒng)中使用模塊設(shè)計法。設(shè)計采集計量裝置和綜合通信裝置。模塊化設(shè)計比較簡便，同時滿足了智能電網(wǎng)智能儀表的要求。如果其中的某個裝置發(fā)生了故障，則不需要對其系統(tǒng)進行更換，降低系統(tǒng)使用和升級的成本。采集裝置要安裝在變電站內(nèi)的計量回路中，其中控制室的通信裝置可以實現(xiàn)串行口進而將其擴充成更多的采集裝置，接受上傳的數(shù)據(jù)。

綜合裝置能夠保證提供和用戶相交互的界面，接受用戶操作指令。主要的作用是對實時數(shù)據(jù)進行顯示，保存和管理歷史數(shù)據(jù)、記錄故障和時間、傳輸變電站的網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)。

2 設(shè)計和裝置相應(yīng)的采集計量系統(tǒng)

在對采集計量裝置進行設(shè)計中需要對下列問題進行考慮，采集計量裝置的對象是電網(wǎng)信號，因此要實行信號輸入和信號調(diào)理。設(shè)計要求電網(wǎng)內(nèi)電壓、電流信號每周進行256點周期采樣，這一需要可以滿足模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣速率。并且還能夠采集三相電壓和電流信號燈，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器可以實現(xiàn)多通道的同步采樣。實行多路數(shù)的采集、處理以及綜合通信裝置、傳輸數(shù)據(jù)等。

2.1 計量裝置的硬件設(shè)計

該項目內(nèi)的高精度只能電能計量系統(tǒng)內(nèi)所采集的劑量裝置功能框圖如下圖2所示，為了對上述要求進行滿足，采用德州儀器（TI）公司的16位高速6通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器-ADS8365和54x系列芯片，借助DSP的優(yōu)秀數(shù)據(jù)處理能力，實現(xiàn)對其中的三相電壓和電流信號進行采集和處理，并且通過VC5409多通道緩沖串口以及電光轉(zhuǎn)換模塊HFBR1414完成綜合通信裝置數(shù)據(jù)傳輸。DSP內(nèi)集成RAM容量有限，因此對SRAM實行擴展中，可以很好的擴展DSP數(shù)據(jù)空間。為了啟動DSP，要外擴FLASH下實現(xiàn)對程序代碼存儲，方便DSP在通電后能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)部程序的自主運行。最大程度的減小非同步采樣的誤差，同時提供硬件鎖相對采樣脈沖信號。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC為采集計量核心，其性能對整個系統(tǒng)性能和精度具有決定性的影響。本文的設(shè)計系統(tǒng)采樣指標(biāo)為：

系統(tǒng)計量精度要在0.5級之上，并且其理論分辨率至少要比精度要求高出一個數(shù)量級，同時對其他因素實行綜合考慮，要選取16模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

在奈奎斯特采樣的定理可知，采樣頻率大于被采樣頻率2倍，采樣結(jié)果可以體現(xiàn)原信號特征。實際應(yīng)用中，采樣頻率為原始信號5～10倍。對濾波的計量要求進行考慮，要被測量2～21次，這樣采樣頻率至少是50×21×5=5.25KHz，并且要對模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換留出一定的時間，頻率不能過高，因此設(shè)定的采樣頻率是12.8KHz。采樣觸發(fā)是在模數(shù)轉(zhuǎn)換器針對輸入時鐘信號實行分頻后得到采樣觸發(fā)信號，這種信號被確定后，采樣頻率也被確定，工作時間比較容易更改，并且還存在同步誤差。

2.2 采集計量的裝置軟件

采集計量裝置內(nèi)使用的主要是采集量化后三相電壓、三相電流處理，得出參數(shù)值，經(jīng)過MCBSPSS的接口電光實行轉(zhuǎn)換，將原始數(shù)據(jù)和計算的結(jié)果輸送至綜合裝置內(nèi)，總體流程從下圖1。

主程序先要針對DSP中引腳功能和中斷實行初始化，設(shè)置DSP運行頻率、復(fù)用初始地址和相應(yīng)引腳是GPIO。中斷采樣后選取有效信號通道， PLL輸入，完成采集周期，實施數(shù)據(jù)計算，最后在DSP的MCBSPSS光電變換后，傳送其到綜合通信裝置內(nèi)。

采集計量裝置并測量，先要通過HCF4051選取同步信號，將其作為鎖相環(huán)輸入信號。判斷通道內(nèi)信號的有效性方法是：若通道采集值長期比較小或該值為0，代表了同步信號出現(xiàn)了故障，無法被當(dāng)做鎖相環(huán)輸入，選擇下一通道，直至找出更合適通道，VC5409通用I0數(shù)量少，切換于VC5409內(nèi)McBSP引腳復(fù)用I0口，在CPLD中的6進制計數(shù)器下對HCF4051實行控制HCF4051的ABC端，進而對相應(yīng)的通道進行選擇。

數(shù)據(jù)完成了對子程序數(shù)據(jù)的采集會。ADS8365片選信號ADCS在VC5409地址引腳和IO空間選通信號IS產(chǎn)生于CPLD。CPLD內(nèi)的SPSIG引腳和HOLD[A、B、C]相互連接，對6路的信號同步采樣進行控制。

3 電能計量和電力參數(shù)測量方法

4 結(jié)語

文章對高精度智能電能計量系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計和構(gòu)造進行了詳細的闡述，并且對相應(yīng)的用電量計算方法進行了提出，在實際的應(yīng)用中只需要將相應(yīng)的數(shù)字輸送進去就能夠獲得相應(yīng)用電量的精確化計量。

參考文獻

[1]李灝.高精度智能電能計量系統(tǒng)設(shè)計[D].華北電力大學(xué)，2011.10～26.

[2]李楠.智能高精度三相電能計量系統(tǒng)的設(shè)計[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用，2015，09：86-88+116.