嵌入式三相多功能电表

宫 鹏 宫 玥 徐淑华

(青岛大学自动化工程学院1，山东 青岛 266071;青岛有线电视网络中心2，山东 青岛 266000)

0 引言

目前，国内电力系统已实行厂网分离，对多功能关口计量表具有较大的需求，它主要用于对大宗用户、变电站和电厂的供用电进行计量。多功能关口计量表能够给客户提供电流、电压、有功功率、无功功率、频率、有功电量、无功电量、有功电度脉冲和无功电度脉冲等关键数据，还能对线路的工作情况进行监测并且具有数据远传功能。现在专用的能量采集芯片主要应用于单相电表中，偶有厂家采用三块单相电能计量芯片设计三相电能表。目前虽已有一些三相电能计量采集处理芯片面世，但在实际产品中的应用还不多。该电能表利用单相有效值转换芯片AD637和TLC2543模数转换器采样后，再利用单片机计算出电流、电压、电能量等数据。实践证明，该电能表可满足计量精度要求［1－3］。

1 系统组成

整个系统由交流采样测量模块、电源模块、主控模块、通信模块和显示模块几部分组成。交流采样和测量电路由电压互感器、电流互感器、测量模块和过零比较器组成，用于实现对电压、电流、频率、功率因数、有功功率和无功功率等数据的采集和处理。主控电路采用LPC2138U，用于完成对数据采集、计算、存储、显示系统和通信系统的控制。LPC2138基于ARM7内核，具有I/O资源丰富、中断服务控制灵活、运行高速稳定和高频性能优良的特点。系统总体框图如图1所示。

图1 系统总体框图Fig.1 Block diagram of the system

2 硬件系统

2.1 主控模块LPC2138

LPC2138是支持实时仿真和跟踪的16/32位ARM7TDMI-STM CPU，并带有64 kB RAM和512 kB的高速Flash存储器。128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最高时钟速率下运行。ARM7体系为32位构架，它在处理数据时相对于8位单片机效率显著提高，在处理大量长整型数据的乘除运算时，这种优势更为明显。同时，LPC2138的SPI、SSP总线控制器可以使控制器更方便地与外部扩展设备进行连接。LPC2138主控制器直接采用了广州周立功公司的EasyARM开发板，缩短了开发时间并有效保证了电路部分的稳定性。系统晶振采用11.0592 MHz的外部晶振，通过内置的锁相环(phase-locked loop，PLL)倍频电路，可以将主频升高到44.2368 MHz，以满足快速数据处理的要求［1］。

2.2 采样电路设计

系统采用电压、电流互感器分别对电压、电流进行采样。互感器能够实现初级电路与采样电路的电气隔离。由于电压互感器耐压值高达1000 V、电流互感器最大电流可以达10 A，因而提高了系统的安全系数，有利于独立处理后级电路。三相电经隔离采样后，将交流信号送入AD637，输出有效值送TLC2543进行A/D转换，得到电压和电流有效值;同时，交流信号通过过零比较器产生TTL方波信号，控制定时器计时，以测量频率和功率因数［4］。

2.2.1 电流采样电路

电流采样电路由电流互感器从市电获得电流信号，然后通过有效值转换得到电流的有效值。在输出端加入保护电路，用于采样输出保护，其中电容C1用于补偿。电流采样电路原理图如图2所示。

图2 电流采样电路Fig.2 Current sampling circuit

2.2.2 电压采样电路

电压采样时采用有源电压互感器TVS1908-1，其设计电路与电流采样基本相同，电路原理图如图3所示。

图3 电压采样电路Fig.3 Voltage sampling circuit

2.2.3 A/D 转换电路

三相电能表需要分别检测6路电压、电流信号并进行A/D转化，且精度要求最低为2%。因此，需要使用多通道、高精度、高速转换芯片。TLC2543是一种12位A/D转换芯片，具有11路转换通道，转换时间仅为10 μs，最高可输出16位数据，转换误差为±1 LSB。为测量电压电流的大小，采用AD637芯片将交流电进行真有效值转换，得到直流有效值，然后送TLC2543进行转换。

2.2.4 基准电压源电路

由于A/D转换准确度依赖于参考电压VRef的精确度和稳定性，故在A/D转换芯片外围应设置专用的稳压供电电路。温度系数、电压稳定性及抗噪声性能是基准源的重要指标，其性能的好坏将直接影响到A/D转换的精度和稳定性。TL431是一个有良好的热稳定性三端可调分流基准源。该器件的典型动态阻抗为0.2 Ω。TL431典型输出电压为2.5 V时，其电压输出范围为2.47 ～2.52 V，温度系数为 30 ×10－6/℃，且具有极低的输出噪声。TL431构成的基准电压源电路原理图如图4所示。

图4 基准电压源电路Fig.4 Circuit of reference voltage resource

2.3 测量电路

2.3.1 频率测量

由于正弦交流电不便于频率的比较和测量，故在采样环节次级设置过零比较器，以产生方波脉冲信号，便于数字逻辑电路的信号处理。

方波脉冲信号接入LPC2138的I/O端口，作为频率测量的门控信号。在脉冲的高电平期间，微处理器根据软件内部延时设定延时时间t，并记录延时个数，换算得到信号的半周期时间，进而求得电源频率。

工频电网频率在50 Hz附近小幅波动，用被测信号计数测量正脉冲脉宽，加倍后得到一个周期的脉宽，再用“求周期倒数”的办法求频率。通过该方法得到的频率精度相对较高。测量结果取决于设定修正的软件延时，精度为。结合LPC2138运行高速的特点，误差可被控制在较理想的范围内。

2.3.2 功率因数测量

功率因数的λ定义为在单相电路中电压与电流参数的相位差θ的余弦值，即λ=cosθ。求取原理基于其定义，即对电压、电流过零时间间隔计时，经运算得到功率因数λ。

本设计利用采样信号，经过零比较器所产生的方波脉冲上升沿和下降沿，分别与交流电正弦波信号的正负过零点对应，将产生的两个方波脉冲传送至微处理器的两个I/O端口。利用在频率测量中的软件延时，设置计数启停条件为两个输入方波脉冲上升沿或下降沿，得到满足该条件的计数时间t，由式(1)求得λ值，即:

式中:T为电源周期;t为计数时间。

2.3.3 电压、电流的测量

在交流电路中，有效值参数是表征电路在一个周期内完成产生、传输和消耗功率的能力，它具有较高的参照价值。有效值参数被定义为单位周期内电参量的均方根值，即:

式中:e为电参量的瞬时值;E为对应的有效值参量。

将交流电压电流信号送至有效值转换芯片AD637，得到直流有效值，再送入A/D转换器。由于AD637稳定性好，具有较高的转换精度，且不受外围电路影响，编程实现起来简单，因此测量电压电路的有效值具有较高的准确度。电压、电流有效值测量电路如图5所示。

图5 测量电路Fig.5 Measuring circuit

2.3.4 电压和电流相序检测电路

相序检测电路主要由一片CD4013双D触发器构成，经降压、整流后的三相低电压脉冲信号输入到本级电路。A、B端的信号经电阻限流后，作为触发器的时钟信号，C端信号作用于两个触发器的复位端。发光二极管作为指示灯，若相序顺序正确，则发光二极管亮;否则发光二极管不亮，并将输出送继电器驱动电路，以控制主电路的输出与否，实现负载保护功能。相序检测电路原理如图6所示。

图6 相序检测电路Fig.6 Phase sequence detection circuit

2.4 电压保护电路的设计

电压保护电路由自动量程选择电路和电压钳位电路组成。当采样电压超过设定值时，运放的输出电压由低电平转变为高电平，继电器的常开触点闭合，电阻R15和R17并联到电压互感器的ADJ和OUT管脚上，从而改变互感器的输出电压。额定电压比例公式为:

同时，向单片机发送量程改变信号。系统按新的比例系数进行电压测量。采样端口的Q4和其基极两端的分压电阻一起组成电压钳位电路，当电压超过4.5 V时，将电压钳位在4.5 V。电流保护电路和电压保护电路类似，也是由自动量程选择电路和电压钳位电路组成的［6－8］。

3 系统软件设计

系统程序完成系统初始化，并实现各三相参数的测量与计算、掉电保护、存储管理、键盘程控、LCD液晶显示、密码保护和RS-485通信等功能。

3.1 主程序流程

主程序流程如图7所示。

图7 主程序系统流程图Fig.7 Flowchart of the main program

主程序主要起到导向和决策的作用，实现对系统各部分的初始化以及对数据采集、计算、存储、显示系统和通信系统的控制，并通过调用相应的子程序，对交流采样测量模块、电源模块、主控模块、掉电存储模块、通信模块和显示模块子程序进行管理和调度。

3.2 中断服务子流程

中断服务子程序采用周期定时触发查询事件处理的事件。设定时器时间为1 ms，每隔1 ms产生中断，由中断程序检测事件是否发生。在中断程序中，主要处理实时检测的三相电的电压、电流、频率和功率因数的显示和计算。

4 结束语

本文对三相电能表进行了精度测量，测试结果表明:该系统精度较高，电压、电流、功率因数和频率测量精确度较高，误差在±0.5%，精度在1S级之内，采样电路的过载能力可承受10 A的电流冲击，达到了设计要求。三相电能表集测量、保护和通信于一体，实现了对三相交流电各种参数，如有功、无功电能，有功和无功功率，以及电压、电流和功率因数的测量。与传统的设计方法相比，其不仅大大简化了外围电路、降低了成本，而且提高了设备的精度和可靠性，能够方便地与上位机进行数据交换。

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［3］崔彦彬，孙岩.一种多用户智能型电能表的设计［J］.机械设计与制造，2008(6):9 －10.

［4］王勇，张浩，彭道刚，等.ARM平台在多功能数据采集系统中的设计与实现［J］.自动化仪表，2010，31(1):13－16.

［5］廉小亲，白莉萍，金亮.电子式三相多功能电表设计［J］.仪器仪表学报，2005，26(8):287 －289.

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