三相電電能計(jì)量與狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳享成，高基豪，劉成

（鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南鄭州，450000）

0 引言

三相供電系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性強(qiáng)、容量大等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為工廠、樓宇等場(chǎng)所的主要供電方式。三相供電系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和電能計(jì)量一直是人們比較關(guān)心的問題，隨著物聯(lián)技術(shù)和集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展，各種形式的遠(yuǎn)程電能計(jì)量設(shè)計(jì)方案層出不窮，如基于電力載波的遠(yuǎn)抄表技術(shù)等。本文在完成現(xiàn)有方案調(diào)研的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種基于Air724UG 模組的遠(yuǎn)程三相電電能計(jì)量與狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案相比，本方案擯棄專用電能計(jì)量芯片，引入瞬時(shí)功率理論后，在線計(jì)量實(shí)時(shí)功率，再以積分形式計(jì)算出電能。在現(xiàn)成采樣電路基礎(chǔ)上，通過構(gòu)造電壓信號(hào)計(jì)算得到相電壓有效值，最后本文通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了方案的有效性。

1 原理與設(shè)計(jì)

為了兼容三相供配電系統(tǒng)中三相三線制和三相四線制接線方法，本文首先將電壓互感器一次側(cè)接成星形，同時(shí)在二次側(cè)構(gòu)造有源人工中性點(diǎn)，使其滿足三線制和四線制接線需要。電流互感器一次側(cè)接電流主回路，二次側(cè)中線接至上述人工中性點(diǎn)，使其與電壓參考點(diǎn)相同。需要注意的是，為了提高系統(tǒng)抗干擾性，本文在互感器二次側(cè)接入高精度、低溫飄電阻，構(gòu)成星型負(fù)載網(wǎng)絡(luò)，使其負(fù)載電流達(dá)到互感器標(biāo)定的額定電流?？紤]到采集電路的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，本文選用內(nèi)置12 位高精度ADC 的STM32F407 系列微處理器，并將其配置成三重ADC 采樣模式。

完成電網(wǎng)側(cè)電壓、電流采樣后，本文引入瞬時(shí)功率理論完成對(duì)有功功率、無功功率、復(fù)功率的計(jì)算，并保存至對(duì)應(yīng)的數(shù)組里。最后以串口通信的形式將計(jì)量到的電能傳遞給Air724UG 模組，4G 模組將數(shù)據(jù)解析成json 格式，并上傳到服務(wù)器供用戶訪問。

系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

2 電能計(jì)量理論分析

設(shè)三相電壓、電流時(shí)域表達(dá)式分別如式(1)、(2)所示，U、I分別表示電壓、電流的幅值。

在三相靜止坐標(biāo)系中，瞬時(shí)有功功率、瞬時(shí)無功功率可表述為下式：

因?yàn)橛泄β蕄為實(shí)際計(jì)量部分，因此本文忽略無功功率部分，只對(duì)p進(jìn)行時(shí)域積分得到電能W。

3 相電壓幅值計(jì)算原理

式中v為單相電壓值，qv和相電壓v相差90°，考慮到相電壓諧波、擾動(dòng)等因素，本文采用經(jīng)典的SOGI 獲得qv信號(hào)，再通過均值濾波，即可得到最終的相電壓有效值。

4 硬件電路設(shè)計(jì)部分

4.1 電壓采樣部分

電壓采樣部分采用三個(gè)專用電流型電壓互感器PT，為兼容三相供配電系統(tǒng)中三線制和四線制的連接方法，本文在一次側(cè)進(jìn)線端口構(gòu)造出星型純阻性負(fù)載，并將星型中點(diǎn)連接至外接端子，三線制接法可不連接此中點(diǎn)，四線制接法則需要將中點(diǎn)連接到N 線上，電路如圖2 所示。

圖2 三相電壓采樣電路圖

圖2 中，VCC 為測(cè)量系統(tǒng)的電源正極，為提高測(cè)量準(zhǔn)確性，本文同樣在二次側(cè)接入星型純阻性網(wǎng)絡(luò)，電阻值為330k，同時(shí)，利用VCC 構(gòu)造人工中性點(diǎn)VN，并將其與星型網(wǎng)絡(luò)N 點(diǎn)接至VN，以防止中點(diǎn)飄移。

4.2 電流采樣電路

電流采樣電路同樣采用專用電流互感器CT，需要注意的是CT 一次側(cè)至少需要纏繞一匝線圈，二次側(cè)需要接電阻性負(fù)載，以保證一次側(cè)電流和轉(zhuǎn)換得到的二次側(cè)電壓同相位，二次側(cè)電流采樣電路如圖3 所示。

圖3 三相電流采樣電路

對(duì)于三相系統(tǒng)來說，需要將二次側(cè)連接成星型網(wǎng)絡(luò)。同理，星型網(wǎng)絡(luò)的中點(diǎn)連接至上述電壓采樣電路的人工中性點(diǎn)VN。

4.3 電源電路

考慮到工控單元供電形式多為DC24V，因此，本文采用開關(guān)型電源芯片LM2756 構(gòu)成第一級(jí)DC-DC 電路，首先將DC24V 轉(zhuǎn)換成DC5V，末級(jí)采用線性LDO 芯片AMS1117 將DC5V 轉(zhuǎn)換成DC3.3V，供微處理器電路使用。設(shè)計(jì)電路如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)供電電路

4.4 Air724 模組電路

Air724UG 是合宙通信推出的超小封裝 LTE Cat.1 bis 模塊，基于紫光展銳先進(jìn)的UIS8910 平臺(tái)，Air724UG 支持多種操作平臺(tái)，工業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)接口豐富，支持LCD、Camera、SPI、鍵盤等多種外設(shè)，內(nèi)置豐富的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，集成多個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口。隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，Air724UG 已經(jīng)廣泛應(yīng)用在路由器、車載、安防以及工業(yè)級(jí) PDA 等。為減小硬件體積，本文采用USB 調(diào)試模式，關(guān)鍵電路如圖5 所示。

圖5 Air724UG模組主電路

5 實(shí)驗(yàn)部分

5.1 測(cè)試條件與儀器

本文采用的標(biāo)準(zhǔn)源為WTT360 三相多功能電能表檢定裝置，準(zhǔn)確度等級(jí)為0.05 級(jí)，該裝置滿足JJG597-2005《交流電能表檢定裝置檢定規(guī)程》、JJG596-2012《電子式交流電能表檢定規(guī)程》等多項(xiàng)規(guī)程，滿足電子式電能表的檢定、校驗(yàn)和功能試驗(yàn)。其電壓輸出形式為3*（0～380），電流輸出形式為3*（0～100A），電壓電流相位可在0～2π 范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)。

5.2 測(cè)量?jī)?nèi)容及分析

本文設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)功率源的相電壓為220V，相電流不超過10A，分別取cos=0.8 和cos=0.5 兩種不同功率因數(shù)對(duì)本裝置進(jìn)行測(cè)量，為體現(xiàn)計(jì)量過程，本文只給出有功功率的測(cè)量結(jié)果，在定步長(zhǎng)離散系統(tǒng)中，對(duì)有功功率p積分即可得到電能W，測(cè)試結(jié)果如表1 和表2 所示。

表1 cos=0.8時(shí)的測(cè)試數(shù)據(jù)

表2 cos=0.5時(shí)的測(cè)試數(shù)據(jù)

通過不同功率因數(shù)下有功功率和標(biāo)準(zhǔn)源有功功率的對(duì)比可知，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案測(cè)量結(jié)果的相對(duì)誤差較小，可有效采集三相供電系統(tǒng)的有功功率。本方案硬件電路設(shè)計(jì)合理，實(shí)用性強(qiáng)，在此基礎(chǔ)上，若增加16 位ADC轉(zhuǎn)換芯片，系統(tǒng)采樣精度將進(jìn)一步提升。

此外，本文以a 相為例，給出電網(wǎng)相電壓有效值監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過公式(4)得到的相電壓有效值如圖6所示，橫軸為時(shí)間t/s，縱軸為電壓U/V?？梢姡到y(tǒng)能快速跟蹤電壓幅值，且無超調(diào)量。同理，借助于三相電壓采樣電路，可快速得到其它兩相相電壓有效值，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電網(wǎng)電壓不平衡、缺相等特殊情況。

圖6 a 相電壓有效值測(cè)量圖

6 結(jié)論

本文充分考慮電網(wǎng)電能計(jì)量和狀態(tài)監(jiān)測(cè)的實(shí)際需要，設(shè)計(jì)了三相電電能計(jì)量和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其中，硬件部分采用標(biāo)準(zhǔn)的電壓互感器、電流互感器、微處理器等，無需專用電能計(jì)量芯片。為提高測(cè)量系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，本文構(gòu)造出人工中性點(diǎn)VN，將其與互感器二次側(cè)星型中點(diǎn)連接，可有效防止中點(diǎn)漂移。本文通過采樣電路獲取三相系統(tǒng)的電壓、電流瞬時(shí)值，再根據(jù)瞬時(shí)功率定義即可計(jì)算出實(shí)時(shí)功率，考慮到計(jì)量需要，只上傳有功功率。電網(wǎng)相電壓有效值一直是電網(wǎng)監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容，本文無需專用的有效值轉(zhuǎn)換芯片，只需通過SOGI 得到與相電壓相差90°的電壓信號(hào)qv，利用有效值計(jì)算公式即得到相電壓有效值。最后，本文通過標(biāo)準(zhǔn)功率源WT-T360 對(duì)樣機(jī)進(jìn)行功率測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)表明本系統(tǒng)計(jì)量的有功功率相對(duì)誤差較小。此外，系統(tǒng)微處理器將計(jì)量數(shù)據(jù)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過串口形式打包發(fā)送給4G 模組Air724UG，即可將數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，綜上所述，本文所提出的方案硬件成本低，計(jì)量值準(zhǔn)確，功能完善，具有一定的推廣價(jià)值。