基于C#的多功能電能表校準(zhǔn)軟件設(shè)計(jì)

邵兵昌 張恩壽

摘 要：多功能電能表在配電系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，其計(jì)量的準(zhǔn)確度對(duì)企業(yè)管理和考核至關(guān)重要，因此在設(shè)計(jì)多功能電能表時(shí)需要對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)，滿足一定應(yīng)用等級(jí)。常規(guī)的多功能電能表校準(zhǔn)方法是以電能脈沖校準(zhǔn)為主，現(xiàn)提出一種基于C#和功率校表法的多功能電能表校準(zhǔn)軟件設(shè)計(jì)思路，采用串口進(jìn)行通信，波特率可配置，同時(shí)可校準(zhǔn)多臺(tái)多功能電能表，最多可同時(shí)支持18塊多功能電能表，通過(guò)校準(zhǔn)后多功能電能表精度可達(dá)0.2級(jí)。

關(guān)鍵詞：C#;多功能電能表;校準(zhǔn);串口;波特率

0 引言

電能作為應(yīng)用最廣泛的能源之一，其計(jì)量和統(tǒng)計(jì)的終端設(shè)備為電能表，電能表計(jì)量的準(zhǔn)確性對(duì)企業(yè)生產(chǎn)管理及用能考核有較大影響，并且隨著碳達(dá)峰和碳中和概念的提出，合理用電、精確監(jiān)控用電和挖掘節(jié)能點(diǎn)成為未來(lái)企業(yè)一個(gè)重要工作環(huán)節(jié)。本文針對(duì)多功能電能表的計(jì)量校準(zhǔn)軟件，提出基于C#平臺(tái)，結(jié)合功率校表方法，設(shè)計(jì)一款適用于多臺(tái)多功能電能表的校準(zhǔn)軟件，硬件上采用RS485通信，波特率1 200～38 400 bps可選，同時(shí)最多可校準(zhǔn)18塊多功能電能表，通過(guò)基準(zhǔn)源輸出標(biāo)準(zhǔn)的電源參數(shù)和多功能電能表的示值進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算增益校正寄存器、相位校正寄存器和偏差校正寄存器的值，通過(guò)串口寫(xiě)入計(jì)算后的值完成校準(zhǔn)，經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)后多功能電能表與基準(zhǔn)源誤差較小。

1 多功能電能表硬件電路

多功能電能表硬件上采用ARM處理器作為主控制器，采用電量計(jì)量芯片處理計(jì)算電參數(shù)。主控制器型號(hào)為GD32F303RCT6，該處理器具有32位高性能精簡(jiǎn)指令集CPU，處理能力高達(dá)150 MIPS，自帶單周期的DSP指令，GD32F303RCT6片上Flash為256 kb，RAM為48 kb，具有豐富的外設(shè)資源，多達(dá)3個(gè)USART+2個(gè)UART，3路SPI，1路SDIO，1路CAN總線，16通道ADC。電量計(jì)量芯片型號(hào)為RN8302B，該芯片帶有7路ADC通道，實(shí)現(xiàn)三相電壓、電流及零線電流的采集。除了常規(guī)的電能脈沖校表法外，RN8302B芯片還支持功率校表法。

ARM處理器主要負(fù)責(zé)讀取、顯示、存儲(chǔ)參數(shù)以及通信，計(jì)量芯片負(fù)責(zé)電量參數(shù)的計(jì)算，處理器與計(jì)量芯片采用SPI協(xié)議進(jìn)行通信，通信速率可達(dá)3.5 Mbps。多功能電能表硬件電路如圖1和圖2所示，電壓通道采用電阻分壓方式，電流通道采用互感器方式，電流通道和電壓通道均采用差分輸入，以提高抗干擾能力。

RN8302B芯片提供多種電參數(shù)，包括全波、基波有功電能和無(wú)功電能及視在電能，全波、基波有功功率和無(wú)功功率及視在功率，全波、基波和諧波電流/電壓有效值等，處理器只需按照SPI協(xié)議讀取計(jì)量芯片參數(shù)的地址，即可獲得電量參數(shù)。另外，RN8302B芯片支持各種配置，包括增益、接線方式、閾值、校正等，同時(shí)RN8302B芯片還提供多種狀態(tài)寄存器，用于指示RN8302B芯片的工作運(yùn)行狀態(tài)。

2 校準(zhǔn)平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

硬件電路設(shè)計(jì)完成后，需要開(kāi)發(fā)對(duì)應(yīng)的程序，驅(qū)動(dòng)計(jì)量芯片、液晶顯示屏工作及存儲(chǔ)、通信。當(dāng)下位程序開(kāi)發(fā)完成后，多功能電能表基本可以工作，但其顯示的數(shù)值與實(shí)際的真實(shí)值存在一些誤差，需要開(kāi)發(fā)上位程序?qū)ζ溥M(jìn)行校準(zhǔn)。本文采用C#作為上位程序開(kāi)發(fā)平臺(tái)，利用多功能電能表的通信接口讀取儀表的示值，計(jì)算各校正寄存器的值，通過(guò)通信接口下發(fā)到儀表，寫(xiě)入對(duì)應(yīng)的寄存器，完成校準(zhǔn)。

2.1? ? 功率校表

RN8302B芯片支持功率校準(zhǔn)模式，利用標(biāo)準(zhǔn)源輸出三相電壓和電流，計(jì)算有效值的理論值與儀表的示值進(jìn)行對(duì)比，假設(shè)電壓額定輸入U(xiǎn)n時(shí)，芯片電壓通道輸入端電壓有效值為Vu，理論計(jì)算值為U理論，經(jīng)MCU轉(zhuǎn)換LCD顯示值為U示值，標(biāo)準(zhǔn)的電壓有效值寄存器值為U標(biāo)準(zhǔn)，則U標(biāo)準(zhǔn)選擇應(yīng)滿足下列條件：

0.8

K=U標(biāo)準(zhǔn)/U示值（K應(yīng)為整數(shù)且便于MCU轉(zhuǎn)換）（2）

條件（1）保證U通道增益校正在一個(gè)合理范圍，條件（2）中K的選取應(yīng)方便MCU將有效值寄存器值轉(zhuǎn)換成LCD顯示值。電流通道與電壓相似，計(jì)算增益寄存器的值、相位和偏差寄存器的值，寫(xiě)入計(jì)算值即可。

功率校表法流程圖如圖3所示。

2.2? ? 軟件設(shè)計(jì)

在C#開(kāi)發(fā)平臺(tái)中，根據(jù)功能選擇控件，搭建軟件顯示界面，需要的控件有按鈕、字符顯示、串口、時(shí)鐘、日歷、下拉列表框等。搭建的顯示界面如圖4所示。

選擇串口下拉列表，選擇對(duì)應(yīng)的串口號(hào)，選擇波特率下拉列表，選擇合適的波特率，輸入標(biāo)準(zhǔn)源輸出的電壓與電流參數(shù)，點(diǎn)擊“讀取”按鈕，讀取各儀表的顯示值，軟件對(duì)應(yīng)地計(jì)算相應(yīng)儀表的校正寄存器值，最后點(diǎn)擊“發(fā)送”，將校正寄存器值通過(guò)串口下發(fā)到各儀表并寫(xiě)入寄存器內(nèi)，完成校準(zhǔn)。從圖4可以看出，通過(guò)校準(zhǔn)后，4塊儀表顯示值與標(biāo)準(zhǔn)源輸入誤差很小。

3 結(jié)語(yǔ)

在基于ARM處理器和計(jì)量芯片，利用功率校表技術(shù)，結(jié)合C#軟件開(kāi)發(fā)的校表平臺(tái)校正后，多功能電能表的精度大幅提高，為各類儀表行業(yè)校準(zhǔn)提供了一種新的思路和實(shí)現(xiàn)方式。

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收稿日期：2021-05-07

作者簡(jiǎn)介：邵兵昌（1984—），男，云南文山人，工程師，研究方向：電能質(zhì)量綜合治理。