HPLC电力线载波通信模块功耗测试仪设计

余敏琪， 朱银昕， 谭海波， 郭光， 刘治国

(1.国网湖南省电力有限公司，湖南长沙410004；2.智能电气量测与应用技术湖南省重点实验室，湖南长沙410004)

0 引言

随着国家能源战略发展,电力线载波通信技术(PLC)在智能电网建设中起着越来越重要作用[1-2]。智能电网要求用电信息采集系统应具有远程抄表 (AMR)、负载控制、变压器监控、电能质量远程测量、安全监视、分时费率 (TOU)、动态计费及其它各种增值服务功能等,同时国网公司针对用电信息采集系统建设提出了 “电力用户全面覆盖”“用电信息全面采集”“支持全面电费控制”的建设目标,然而以往的窄带载波很难符合以上要求。HPLC电力线载波技术的出现,提高了电力线数据传输速率,为国家电网重点推进的智能电网建设项目和四表合一工程提供助力[3]。

至今为止国家电网和南方电网已累计招标智能电表超过5亿台。因载波模块数量关系,其功耗对电网能源消耗是很大的,对载波模块功耗的的控制显得尤为重要。HPLC模块功耗从作为用电信息采集系统检验技术规范中的重要指标,其动态及静态功耗在相关规范中有详尽说明[4]。

HPLC模块功耗测试有两个特点[5-7]:①动态功耗变化快。以某厂家模块为例,对于窄带PLC模块,数据传输速率低,相同数据发送时间较长。以调制方式为BPSK的模块为例,发送长度为16 Byte的应用层报文,需要138 ms。对于HPLC模块,数据传输速率高,相同数据发送时间较短,发送长度为16 Byte的应用层报文,需要2.97 ms。因此要求测量HPLC模块的功耗测量仪器的动态响应非常高。②交流功耗精度高。PLC载波模块交流部分电力损耗较低,约几十毫瓦,要求功耗测量仪交流测试部分非常精准。

目前普通仪表很难满足以上两个特点,本文针对以上两个HPLC模块功耗测试特点,设计一款功耗测试设备。

1 功耗测试仪工作原理

HPLC模块功耗测试仪采用模块化设计,主要包括MCU模块、电源负载模块、直流功耗测试单元、交流功耗模块、显示模块和网络通信模块[8]。其中直流功耗测试单元和交流功耗测试单元设计为两组,分别测试电能表模块和集中器模块,两个待测设备同时连接到一个电源负载模块上,可以通过组网抄表测试待测设备的动态功耗。如图1所示,MCU模块将直流功耗单元和交流功耗的采集数据进行计算,并将测试结果传递到显示模块,也可以通过网络通信模块将数据上传到PC端的上位机软件。HPLC模块功耗由两部分组成:12 V直流功耗和220 V交流功耗,其中直流功耗起主要作用,交流功耗一般很小,主要是模块的过零电路功耗。

图1 系统接线图

1.1 电源负载模块设计

电力线负载能够影响HPLC模块功耗。在电源接入功耗测试仪后,首先要将电源作一定处理,在模块交流电接入前,需将电源作标准化处理,然后接入用来稳定网络的线路阻抗,既能避免外部载波干扰系统,也能供应给系统测试所需的稳定电力线负载,如图2所示。

电源经变压、整流、滤波后,为整个测试仪提供12 V,5 V,3.3 V电压。直流电源设计参数为:输出精度优于1%,不同负载下 (输出电流0～0.5 A)电压稳定度≤1%。

图2 线路阻抗稳定网络

1.2 直流功耗测试单元设计

直流平均功耗测量的一般方法是选取一个时间段,通过适当的采样率来等间隔采样n组瞬时电压ui和电流ii的值[9],公式 (1)计算平均功耗P。

瞬时功耗是电压采集数值和电流采集数值乘积。电压采样:HPLC模块电源电压为12 V,ADC采样芯片的测量限度为3.3 V,超过AD采样电压限度,电压采样采用电阻分压的方式,分别使用47 K和10 K的高精度电阻,使AD采样电压约为2.1 V,满足ADC芯片采样要求。电流采样:根据相关技术标准推算,HPLC模块静态电流小于100 mA,动态电流小于500 mA,电流采样设计要达到500 mA,精度为1 mA。如图3所示,电流采样是将高精度低阻值的采样电阻串到12 V电源上,使用精密差分运放,先将采样电阻两端电压进行比较,然后进行放大,输出一个合适的电压信号到单片机 AD。运放使用 TI公司的电流采样芯片INA282,此芯片可以将采样电阻两端的电压差放大50倍。具有以下特点:宽共模范围为-14 V～80 V,偏移电压±20μV,共模抑制比 140 dB,±1.4%增益误差 (最大值),0.000 5%/℃增益漂移 (最大值)。

图3 电流采样部分原理图

1.3 交流功耗测试单元设计

一般HPLC模块的交流功耗主要是过零电路功耗,计算方法与公式 (1)相同,通过电压采样和电流采样计算交流功耗。交流电压和电流采样单元使用非隔离方案,与MCU模块之间使用传输数据需要光耦隔离。

交流功耗采集使用上海东软载波微电子有限公司的电能计量芯片ESEM16,ESEM16内部集成高精度电能计量模块的MCU,其中包括用于电流和电压采样的两个24位ADC,参考电压源和有功能量计量专用DSP核各一个。可以计量有功电能,测量电压、电流有效值,计算平均有功功率。温度25℃条件下,1 000︰1动态范围内,有功电能计量误差小于0.1%；500︰1动态范围内,电压和电流有效值测量误差小于1%。ESEM16模拟前端包括两个可编程增益放大器,一侧的电流放大,增益可实现1、2、4、8、16、32倍,电压采样的增益可实现1、2、4、8倍。PGA后为两个24位AD采样,芯片内部包含1.3 V的精密参考电压源,实现高精度的电压采样。交流采样电路如图4所示。

图4 交流功耗测试原理图

电压采样采用高精度电阻分压的方式,ESEM16电压采样要求输入信号为 100μV到500 mV,根据220 V的有效值计算,设计输入信号为100 mV,根据电阻分压可计算得R89＝1 kΩ,R78＝R79＝R80＝R81＝510 kΩ。 电流采样采用在电力线上串上高精度低阻值电阻方式,ESEM16要求电流采样输入信号为5μV到25 mV。则Pmin/220×R95＞5μV,Pmax/220×R95＜25 mV。 模块的交流功耗主要在过零电路处,功耗很小,考虑不同厂家模块交流功耗波动,交流功耗范围设为1～300 mW。根据上述计算,采样电阻包括1.1R＜R95＜18.3R,这里选取采样电阻10R进行功耗测试。

1.4 MCU模块设计

MCU模块是功耗测试仪核心模块。MCU选择为ST公司的STM32F207ZE芯片,此芯片具有高速的运行主频和应用接口,ADC模块具有12 bit测量精度和30 MHz的采样率,能够满足HPLC动态功耗测试要求。

1.5 显示模块和网络通信模块设计

显示模块采用触摸显示屏,可以通过界面和系统交互,进行静态功耗和动态功耗测试。网络通信模块可以与上位机软件交互,支持远程控制,能够将测试数据上传给PC端上位机,便于将功耗测试仪集成于其他测试系统中。

2 功耗测试仪软件实现

功耗测试仪软件包括两个部分:MCU程序和交流采集芯片ESEM16程序,两者之间数据通过串口交互,串口连线使用光耦隔离。图5显示测试软件设计框图。

图5 系统主程序流程

测试仪软件在采样开始前,首先对系统初始化,然后系统会从显示屏或上位机软件中获取测试指令,判断是否为静态功耗。如果是静态功耗,将直接进入数据采集和分析处理流程；如果是动态功耗测试,则进入组网流程。组网过程与实际现场台区应用类似,首先是MCU模块模拟虚拟电能表和虚拟集中器,把集中器模块参数区初始化,然后下载表档案,重启集中器模块。此后,系统会循环查询组网状态,待组网完成,进入动态功耗测试流程。

2.1 数据采集

数据采集主要包括直流电压电流采集和交流电压电流采集。MUC模块可以直接采集直流电压电流,采集到的二进制数据可以通过电路分压公式算成电流和电压,从而可以计算出直流瞬时功耗。启动一轮采样,每个通道按照采样序列各采集10次,每个序列采集480Cycles,这样完成一轮采样需要(2×10×480)/30 000 000＝320μs, 在程序中延时1 000μs用来完成采样,在完成一轮采样之后进行计算,整个计算耗时约3μs。

交流采集是由ESEM16完成,可以通过读取有功功率寄存器 (EM_PA)值换算得到,EM_PA为一个32位有符号数,以二进制补码形式表示,负数代表实际的电能方向为负向。计算公式:

式中,DATA为读取的相应的有功功率寄存器值的十进制数值；R为锰铜分流器的阻值,Ω；k为电压通道的分压比 (k＞1)；Gi和Gu为电流和电压通道PGA增益；Vref为ADC参考电压,Vref＝1.3 V。交流采集完成后通过监听串口直流,将测试数据发送到MCU模块。

2.2 数据分析及处理

在静态功耗测试中,系统程序对每个采样序列中的各个数据进行滤波处理,清除数据中存在的误差,以保证采样数据的真实性及可用性[10]。软件程序采用的是限幅平均滤波算法,这种算法能够有效克服因偶然因素引起的脉冲干扰[11-15],对电网中大量的随机噪声起到明显的消除作用。

HPLC模块动态发送时间很短,测试仪测试数据会包含动态功耗数据和静态功耗数据,对采集数据的滤波处理与静态功耗不同。如图6动态功耗测试数据,模块发送时的功耗远大于静态功耗,在处理动态功耗测试数据时,设置一个阈值Pthreshold,当大于此阈值时,认为是动态功耗,小于此阈值时为静态功耗。在获取多组动态功耗数据后,再对数据进行滤波处理,减少电网中大量的随机噪声对动态功耗测试结果的影响。

因功耗测试仪使用元器件精度问题,测试数据会有偏移,功耗测试仪需要加入功耗补偿校准机制,本方案功耗补偿校准是在测试结果中加入固定损耗值ΔP。

图6 动态功耗测试数据

2.3 数据显示及远程控制

显示模块通过串口与MCU模块通信,可以将显示屏操作转化为串口指令操控功耗测试仪测试。同样MCU模块将测试结果发送给显示模块,显示模块显示测试结果。

网络通信模块实现功耗测试仪的远程控制,通过TCP/IP协议与PC端上位机通信,远程通信应用层协议为定制协议,协议中有对数据的CRC校验,增加数据传输过程中的安全性和稳定性。

3 测量结果比较及分析

为了确认功耗测试仪的精确性及实用性,使用不同的测试方式对电能表HPLC模块进行静态功耗和动态功耗的测量比较。为了排除个体差异,本测试选取十个电能表模块进行测试,测试结果见表1。

表1 测试结果对比

从测试结果数据可以看出,在不同的测量方式下,静态功耗测试结果基本一致,但在测试量动态功耗时,表现出了一定的差异性。动态功耗测试仪与某省网计量中心测试结果较为一致,某功率计测试结果与其他两种方式差异较大,这主要是某功率计的动态响应慢,测量速率跟不上HPLC模块发送时的功耗变化。

4 结语

本文提出了一种HPLC功耗测试仪的设计方法,主要由MCU模块、电源负载模块、直流功耗测试单元、交流功耗模块、显示模块和网络通信模块组成。该测试仪利用高采样率的ADC芯片和高精度的交流功耗计量芯片,使直流功耗测量响应快,交流功耗测量精准。通过测量结果证明本方案设计的功耗测试仪在动态功耗上更为精准,此外,本设计方案成本更低,携便性和可集成性更好。

由于本测试仪在携便型、低成本及可集成性的技术优势,特别是该测试仪的高动态响应,并可以高精度测量交流功耗,为HPLC模块功耗的精确测量提供了一种新的方法,可以广泛运用到各类HPLC模块的功耗测量中。