基于stm32的三相智能电能表计量的研究

李宏　王晓泳

摘 要：本文着重描述三相电能表原理说明。本课题研制的电能表主要采用高性能低功耗微处理器STM32 F103VC6和高精度电能测量芯片ATT7022E为数据采集核心。通过双边比电流互感器对电流信号采样，并经微控制器对电网功率实时检测和处理来实现功率分段计量，通过对计量原理的充分分析和研究，设计出计量硬件电路和软件流程。

关键词：三相电能表；高性能低功耗微处理器STM32 F103VC6；高精度电能测量芯片ATT7022E

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.23.109

0 引言

随着电力和电子行业的蓬勃发展，电力公司对电能表要求越来越高，电能表作为用户和电力公司的交易平台，作用至关重要。对电能表一般要求是既要保证计量精度，同时又必须能长时间稳定可靠运行。随着我国经济发展，作为计量终端的电能表受到了越来越多的关注，为了满足各方面的需求，电能表软件设计朝着多费率、精确计量、智能化和网络化、大数据物联网方向发展。

1 三相感应式电表原理

三相有功电能表用来测量三相交流电路中电源输出（或负载消耗）的电能。由于测量电路接线方式不同，三相有功电能表又分三相三线制和三相四线制两种。

（1）三相三线有功电能表（三相三线两元件电能表）三相三线有功电能表适用于对三相三线对称或不对称负载作有功电能的计量，可将这种电能表看成是两只单相电能表的组合，其原理结构如图所示。它具有两组电流、电压线圈（即两组驱动元件），两个同轴转动的铝盘，两只制动磁铁，一套计度器。铁芯采用分离形式。电压元仵为半封闭插片结构，性能较稳定，减小了摩擦力矩，有利于提高电能表的灵敏度，三相三线直人式电能表的读数直接反映了三相负载所消耗的电能。

有的三相三线有功电能表（如DT2型三相有功电能表），将两组元件共同作用在一个铝盘上，其特点是减小了电能表的体积，但两组元件间的涡流和磁通相互干扰，比两个铝盘的电能表产生的误差大。三相三线有功电能表的工作原理与单相有功电能表的工作原理基本上相同，三相有功电能表由电流、电压元件产生一移进磁场，同时与制动力矩相互作用，使铝盘在磁场中获得的转速正比于负载的有功功率，从而达到计量电能的目的。

（2）三相四线有功电能表（三相四线三元件电能表）三相四线有功电能表的工作原理与单相有功电能表的工作原理基本上相同，适用于对三相四线对称或不对称负载作有功电能的计量。三相四线有功电能表可以看作是三只单相电能表的组合，它具有三组电压、电流元件，两个同轴转动的铝盘上、下排列，上面一只铝盘装有一套驱动元件（即电压、电流线圈），下面一只铝盘装有两组驱动元件，一套计度器。铁芯采用分离形式，电压元件为半封闭插片结构，三相四线有功电能表工作时，由三组电流、电压元件产生一移动磁场，作用在铝盘上的总转矩为三组元件产生的转矩之和，使铝盘在磁场中获得的转速正比于负载的有功功率，从而达到计量电能的目的（图1）。

软件是系统的灵魂，软件与硬件设计占同样重要的地位，当系统硬件设计完成后，剩余的工作都是靠软件来完成的。软件的执行效率和稳定性决定了系统的执行效率和稳定性。电能表软件系统是整个系统的控制、指挥中心。因此优化软件结构和控制算法是软件系统的关键，需要仔细、并反复的论证。

2 三相智能电能表计量系统设计

2.1 系统程序特点

实时性：程序设计时的首要要求就是实时性，能够在对象运行的世界间隔内对系统进行控制计算和处理。在实时性高的系统中，一般使用汇编语言设计程序，而且对多个处理任务实施重点嵌套或者多重中断。

针对性：每个控制程序是根据一个具体系统要求而设计。

通用性：控制系统在具有针对性同时，还应该具有能使用不同操作系统要求的通用性，这样在控制系统设计中就可以吧具有一定功能的子程序或者重大服务程序进行排列组合，时期能够组成一个能够完成特定功能的应用程序，节省开发时间。

可靠性：程序实现系统的功能是程序时间的基本要求，系统的可靠性则是关键，只有系统的可靠性高才能保证系统的正常运行。

2.2 开发环境简介

常见的开发环境是KEIL 和IAR。

KEIL。Keil是美国Keil Software公司出品的单片机开发系统易学易用。Keil公司由两家私人公司联合运营，分别是德国慕尼黑的Keil Elektronik GmbH和美国德克萨斯的Keil Software Inc。Keil公司制造和销售种类广泛的开发工具，包括ANSI C编译器、宏汇编程序、调试器、连接器、库管理器、固件和实时操作系统核心（real-time kernel）。有超过10万名微控制器开发人员在使用这种得到业界认可的解决方案。其Keil C51编译器自1988年引入市场以来成为事实上的行业标准，并支持超过500种8051变种。

Keil 的网站虽然没有中文版本，但是Keil 软件却被中国80%的硬件工程师使用，但凡与电子相关的专业，都会开始从单片机和计算机编程开始学习，而学习单片机自然会用到Keil 软件。国内由米尔科技、提供Keil 的销售和技术支持服务，他们是ARM公司合作伙伴，也是国内领先的嵌入式解决方案提供商。

Keil公司2005年由ARM公司收购而后ARM Keil推出基于uVision界面，用于调试ARM7，ARM9，Cortex-M内核的MDK-ARM开发工具，用于为控制领域的开发。

IAR。IAR Systems是全球领先的嵌入式系统开发工具和服务的供应商。公司成立于1983年，提供的产品和服务涉及到嵌入式系统的设计、开发和测试的每一个阶段，包括：带有C/C++编译器和调试器的集成开发环境（IDE）、实时操作系统和中间件、开发套件、硬件仿真器以及状态机建模工具。endprint

IAR 公司总部在北欧的瑞典，在美国、日本、英国、德国、比利时、巴西和中国设有分公司。它最著名的产品是C编译器-IAR Embedded Workbench， 支持众多知名半导体公司的微处理器。许多全球著名的公司都在使用IAR SYSTEMS提供的开发工具，用以开发他们的前沿产品，从消费电子、工业控制、汽车应用、医疗、航空航天到手机应用系统。虽然在Li等人的协议中，作者声称他们的协议可以抵抗多种攻击。但经过研究分析，本文发现Li等人的协议存在安全缺陷，且不能抵抗文中所述的一些攻击，如内部攻击、智能卡模仿攻击、窃听攻击、伪造攻击、用户的匿名性攻击以及密码猜测攻击。这些分析的细节描述如下：

（1）软件框架设计。电能表系统的程序中主程序是最重要部分，它决定了整个程序实现的功能、步骤等，因此主程序的好好决定了整个程序的质量。

10毫秒任务也叫心跳脉冲，主要是用来做电参数采集、比如电压、电流、功率采集，三相表异常事件检测也在这里检查，同时它是基准，下面的100毫秒，和秒任务都是根据它的动作来产生的。调整时钟时候，需要对系统心跳进行修正。

100毫秒任务主要用来执行显示和处理一下临时性任务，比如密钥下装之类任务。

秒级任务，主要是用来做结算日冻结，检查一下系统错误是主动上报状态，还有负荷记录和系统负荷曲线处理。

分级任务主要处理事冻结任务，比如日冻结、整点冻结等，但最主要任务还是处理时区、时段的切换。但是它是根据RTC实时判断的，它的产生仅是系统当当前分发生了改变，因此可能与10毫秒产生分钟数不同步，因此这里同步一次。

天任务目的就一个，在0时重新恢复系统的时区时段表，使系统的复费率计量正确。

通信和计量脉冲采集是实时处理的。

10毫秒产生脉冲供100MS和1秒信号工作。

分钟信号是比对RTC不同而产生，同步时钟，并且完成国网规定的时区时段的切换，从而完成复费率计量任务。

（2）计量部分程序设计。电量计量有两种方式，一种是利用ATT7022E的CF输出脚来捕获这些变化，如果发生变化则产生1种类型的脉冲，也就是脉冲采集法。另一种方式是直接读ATT7022E的能量寄存器累计脉冲数。

ATT7022E一共提供4种脉冲输出，分别是有功脉冲、无功脉冲、视在脉冲、和基波脉冲，通过捕获这些脉冲就可以完成对有功电量和无功电量的计量。

（3）原理。每1度电能对应这一定的脉冲常数，比如5-60A 220V1级标准三相表的脉冲常数是400，也就是说每1度电能有400个脉冲。国网规定的计量最小额度是0.01度，因此我们常用百分之一的脉冲常数作为脉冲计量基准。也就是每4个脉冲产生0.01度电能。

（4）脉冲采集。每当ATT7022捕获到瞬时功率的变化，会产生一个脉冲输出，根据功率不同，脉冲产生的快慢不同，但不管频率怎么变化，都会产生一个90MS的高脉冲和产生一个不低于90MS的低脉冲。这样通过捕获这些脉冲变化就可以得到当前电量的变化。4个高频脉冲输出CF1/CF2/CF3/CF4， 分别对应全波有功电能、全波无功电能、全波视在电能和基波有功电能。

（5）程序设计。这部分程序设计比较简单，其实就是捕获CF1到CF4引脚上波形变化来确定是否产生了电能计数，如果电能计数足以产生0.01度电量。

由于90MS的高低脉冲远远大于10毫秒的心跳脉冲，我们可以利用心跳脉冲来进行检测，只有发现了这种变化，就认为对于电能产生了1个脉冲，当脉冲累加到足够产生0.01度脉冲数时，则产生了0.01度的电能量。

因此这部分程序设计主要分为两部分，脉冲检测部分和脉冲计量部分。

3 总结

随着MCU和单片机功能增强，现在很多依靠模拟代码才能实现功能已经经由硬件实现，比如国网的7816-4 ESAM 模块，其实就是一个特殊的9600波特率串口，现在就有很多单片机提供硬件级支持，比如常见的CorText M族MCU 和国产复旦微FM330X 系列。这些特殊设备的定型化，标准化都为操作系统的普及打下了条件。可以预见未来的发展是：

（1）支持的设备越来越多。

（2）使用越来越简单，甚至是不需要裁剪，仅需要编译器设置一下，ARM的RTX 可以看做是一个代表，但是资料少，入门困难。

（3）提供文件系统支持，支持GUI模式给用户提供多种交互方式。

（4）WIFF、载波、蓝牙驱动支持。

参考文献：

[1]杨吉祥等编著.电子测量技术基础[M].南京：东南大学出版社，2004：1-90.

[2]胡嗣云.实时时钟电路MC146818A与单片机的接口及编程[J]. 国外电子元器件，（6），2000.34-42.

[3]陈灯川.PC看门狗的原理与实现[J].南京航空航天大学信息科学与技术学院，2006，19（04）：94-97.

作者简介：李宏（1963-），女，本科，技师。endprint