高精度三相电能采集板设计

宋雨蒙

(上海五零盛同信息技术有限公司，上海 200331)

0 引言

电能是现代工业以及生活的主要能源。电网电能质量的好坏越来越受到关注[1]。因此，提高计量精度、减少误差、提高用户的用电安全等，是目前亟需解决的难题。传统的感应式电表难以满足未来电力市场的发展要求。因此，电子式电表获得了巨大的发展[2]。文献[3]～文献[4]结合 ZigBee 和通用分组无线服务技术(general packet radio service,GPRS)这两种通信方法，对电能进行远程监控。文献[5]采用了RS-485与 WiFi 设计电能测控系统，其可在多种工作模式之间切换。该系统能实现的功能有：电能计量、实时电流感应顺(currect transformer,CT)开路检测、谐波测量等。其不足之处是计量功能与其他功能并没有相互独立，无法保证电能表的计量功能不受其他功能更新的影响。

因此，本文设计了一款高精度三相电能采集板，可以扩展应用于市场上的照明监控终端。其计量功能与其他功能相互独立，可以确保电能表的计量功能不受其他功能更新的影响，且测量精度更高。

1 总体设计方案

照明监控系统如果缺乏电能采集模块，将无法对电能进行计量。目前，市场上的电能计量产品质量参差不齐，精度不高，稳定性差。所以，亟需研发一款稳定性强、精度高且能独立于其他功能的电能采集模块。

三相电能采集板作为照明监控终端的一个功能模块，完成进线总回路(即所有负载回路)A/B/C三相的有功电能、无功电能计量，以及功率因数、频率、有功功率、无功功率、电流、电压采样的功能[6]。

本电能采集板以STM32F0系列芯片为核心。交流采样电路由电压互感器、电流互感器构成。主芯片采集三相电压、电流、功率因数、有功功率、无功功率、有功电能、无功电能等电能数据[7]。软件程序进行电能值累加计算，并通过I2C接口存储到片外EEPROM。

电能采集板系统如图1所示。

图1 电能采集板系统示意图

2 系统硬件设计

系统硬件电路主要包括电压电流采样电路[8]、晶振电路、串行外设接口(serial peripheral interface,SPI)通信接口电路、基准电压电路、电源电路。

①采样电路。采样电路采用电压互感器对交流电压前端进行采样，实现了采样数字电路与输入电压零线的完全隔离。因此，可以节省采样前端和CPU的光耦隔离电路、采样芯片的电源隔离电路，有效降低成本。交采电压接口加防浪涌器件保护。电源输入第一级用自恢复保险丝进行保护，第二级压敏电阻钳位。印制电路板布局将强电与弱电隔离，干扰源与信号线分开，避免环形走线，采用电磁兼容性设计。

②晶振电路。电能采集芯片系统时钟为8.192 MHz。因此，系统使用8.192 MHz晶振。

③SPI通信接口电路。电能采集芯片支持SPI与CPU之间通信，最高速率3.5 MHz。SPI含有4根线，分别是片选信号CS、时钟信号SCLK、数据输入DIN、数据输出DOUT。

④基准电压电路。计量芯片内置1.25(1±1%)基准电压，设计时在芯片的REF引脚上加两个电容。一个为1～10 μF电容，另外一个为0.1 μF电容。

⑤电源电路。模拟电源与数字电源间接10 Ω电阻以减少数字噪声，并在靠近AVDD和DVDD引脚处各接一个 0.1 μF去耦电容。

3 系统软件设计

3.1 总体程序设计

本系统的CPU为STM32F0，编程环境为Keil5。

系统主程序流程是：①初始化系统(系统时钟更新、定时器初始化、USART串口通信初始化、IIC初始化、程序运行指示灯初始化、地址更新函数)；②电能采集芯片端口初始化(SPI初始化、端口初始化)；③电能采集芯片初始化(芯片参数初始化、EEPROM初始化、从EEPROM读取累计电能值、从EEPROM读取电压电流校准参数、芯片寄存器配置)；④每隔1 s，通过SPI读取电能芯片上的电能信息，电能芯片设置为读后清零型，所以MCU需要将电能进行累加计算，存入EEPROM；⑤当主机板下发指令，按协议回复主机板的命令。协议会对指令进行帧头、标志符、地址、长度、命令、循环冗余校验(cyclic randundancy eheck，CRC)等进行判断。命令种类包括软件版本信息、电能数据、EEPROM测试、电压电流校准等。

3.2 电能采集设计

根据计量芯片的功能，电能采集板对采样数据进行本地累加计算，并写入EEPROM保存，再将累计值上报到主板机，优化了系统的功能。

电能采集芯片对采集的信号进行处理，计算电压电流间的相角、功率、频率、电压相序、谐波等电能信息，存储在对应的寄存器中[9]。MCU通过SPI实现与电能芯片的通信。为了避免因SPI传输受干扰而出现抖动，设计RC滤波电路。主芯片STM32把每秒从电能芯片读取的三相电能和上次存入EEPROM中的三相电能值进行累加运算后，通过IIC接口写入片外EEPROM。下一秒主芯片通过IIC接口读取上次的电能累加值。然后，循环以上的流程。

3.3 独立性设计-电能计量

电能计量优化设计依据：通过空间换寿命，充分利用EEPROM的全部空间，通过对所有地址轮流写电能值，延长了EEPROM的写次数[10]，是固定地址写参数寿命的253倍。利用该片外EEPROM，实现电能板对电能的累加功能，可以与其他功能模块独立开。

全局变量P表示页码。其中，page0、page1、page2存储其他参数，page3～page255用于循环储存电能累计值。所以，页码的取值范围是3≤flagN≤255。当标志为5 A时，此页的上一页存放了最新的电能累计值，其默认值是00。它用于断电重新上电后寻找上次电能累计值的存储位置。

将电能板上的EEPROM共分为256页，每页有32个字节，空间一共是8 KB。每页内的32个字节的地址，分别表示为0x20×P，0x20×P+0x01，…，0x20×P+0x1E，0x20×P+0x1F。每页的首地址0x20×P存放标志flag。0x20×P+0x01到0x20×P+0x18共24个字节存放A、B、C三相有功和无功电能累计值。每页的地址0x20×P+0x19处存放下一次电能累计值该写的地址处页码P。电能累计值写EEPROM流程如图2所示。

图2 电能累计值写EEPROM流程

3.4 稳定性设计-参数校验

电能采集系统最重要的是稳定、可靠，要免于经常性维护。因此，进行了参数校验设计。

将校准参数存在EEPROM的3个区域，同时计算并存入校验值[11]。当系统每隔一段时间读取参数时，需要判断三个区域值的校验值是否一致。若有一个与其他两个不一致，说明这个区域存储的参数已经不可靠，那么将让其余两个一致区域的参数值覆盖出错区域的参数值，然后读出正确参数值。这样可以保证参数稳定，实现软件硬件化。

执行写EEPROM的操作时，进行写后反读参数校验：写参数之后，延时，再读出参数，比较读出的值与写入值是否一致。若一致，结束；若不一致，则重复3次，仍不成功，则标志出错。

本文加上以上两种参数校验，并且通过软件对通信接口进行定期重置，可以大大提高系统的稳定性和可靠性。

3.5 准确性设计-功率法校表

与传统的脉冲校表法相比，功率法校表更简单、快捷[12]。校表系统只需一台高精度电流电压源。

功率法校表流程如下所示。

①计算额定输入时标准的U、I寄存器值，计算F=1.0 L和F=0.5 L时的标准有功功率值，并根据电表常数计算芯片的HFConst。

②搭好校表环境并设置参数，如配置好芯片的模数转换器(analog to digital converter,ADC)增益、HFConst、阈值寄存器等。

③标准源额定输出，读出A相实际电压、电流有效值，计算与理论值的误差，再根据此误差计算出A相电压、电流通道增益寄存器的值，填入并比对校正结果，完成A相U、I通道增益校正。

④标准源电流空载，读空载有效值、功率值，根据空载值计算相应的OFFSET值并填入相应的OFFSET寄存器，完成A相OFFSET校正。

⑤采用相同的方法，完成其他相的增益、OFFSET校正。

⑥校表结束。

通过以上校准流程，对电能芯片的电压电流校准寄存器写校准参数，就可以使测量误差精确到0.3%以下。

4 试验结果与分析

4.1 稳定性试验

试验设备：三相电能采集板，主机板，高精度电压电流源，笔记本安装有串口调试助手软件，RS-485串口调试工具。

试验过程：设置高精度电压电流源输出电压220 V、电流2 A，将设备上电，打开串口调试软件。

用串口调试助手软件发出以下错误协议帧：帧头错误、标识错误、地址错误、命令错误、CRC错误，电能采集板均不会回复。

通过以上协议测试，电能采集板可以稳定工作，并与其他功能模块稳定通信。

4.2 准确性试验

设置高精度电压电流源输出220 V、2 A，将电能板软件校准前后的数据通过RS-485串口上报主机板。

通过测试可以看出，校准后电能采集板采集电能数据误差不超过0.3%，精度相对校准前有显著提高。

为测试电能采集板的性能，还进行了包括复位功能测试、设备参数存储测试、温升试验、高低温准确度与湿热试验、快速脉冲试验、冲击耐压试验等试验。以上试验均成功通过。

4.3 计量与存储测试

试验要求：电能累计值每秒钟进行一次累加与EEPROM存储。当发生系统复位、掉电重启或定期参数CRC异常时，从EEPROM中重新读取更新电能累计值。重新读取的累计值与上一次存储的累计值应保持一致。

重复4.1节中的试验过程：通过RS-485串口观察电能数据中的当前累计电能，对电能采集板进行手动系统复位操作或掉电重启；同时，对高精度电压电流源断电，待电能采集板重新启动后，再通过串口调试助手观察当前累计电能。将本次读取到的电能累计值与复位前的电能累计值进行对比，试验结果符合上述试验要求。

5 结论

本文提供了一种简单三相电能采集板的设计方法。采用该方法设计的电能表稳定性好、准确性高。本文采用了三相电能计量芯片结合意法半导体STM32，通过硬件电路设计、软件程序设计，最终实现了对电压、电流、功率、功率因数等电能数据的采集、存储与上报。加上软件校准以后，经过长时间的试验测试，系统可以稳定工作、正常通信，并且所有的电能数据误差都在0.3%以下，满足设计要求。