式電流互感器的多功能電能表的設計

1、硏制與開發(fā)吳 濤等 基于新型電子式電汲互感器的多功能電能表的設計第32卷第16期2008年8月25日電力系統(tǒng)自動化 automation of 臼ectric power systemsvol. 32 no. 16aug. 25. 2008#硏制與開發(fā)吳 濤等 基于新型電子式電汲互感器的多功能電能表的設計#硏制與開發(fā)吳 濤等 基于新型電子式電汲互感器的多功能電能表的設計基于新型電子式電流互感器的多功能電能表的設計吳 濤，周有慶，龔 偉，曹志輝，張雪美（湖南大學電氣與信息工程學院.翔南省長沙市410082）摘要：電能表用電流互感器的性能宜接影響到電能表計量的準確度。針對目前電能表用電磁式電 沆互

2、感器易飽和、測量范09較小爭問題，提出了 一種基于印制電珞板（pcb）型電子式電流互感器的 多功能電能表的設計方案.首先對pcb型空心踐圈的結構及原理進行了分析設計了空心線噸與 計畳芯片間的揍口電路并通過試驗數(shù)據(jù)表明互25具有良好的性能然后詳細闡述了以三相高精 度計量芯片ade7758和高性能.低坊耗h8單片機為核心的電能表的咬件設計在此基礎上簡要 說明了電能表的軟件設計思路.所設計的電能表計童準確度高功耗低具有狠良的實用性。關鍵詞：電子式電流互感器$多功能電能表；ade7758； h8單片機中圖分類號：tm933； tm764#硏制與開發(fā)吳 濤等 基于新型電子式電汲互感器的多功能電能表的設計

3、#硏制與開發(fā)吳 濤等 基于新型電子式電汲互感器的多功能電能表的設計0引言隨著電子技術的發(fā)展和用戶對用電管理水平要 求的不斷提高多功能電能表得到了迅速的發(fā)展成 為電能計倉產(chǎn)品系列中不可缺少的重要組成部 分目前，多功能電能表普遍采用小型電磁式電 流互愿器講行電流信號轉換而電磁式電流互感器 帶鐵芯、易飽和、測怎范圍較小且易受外界電磁干 擾。近年來基于空心線圈的電子式電流互感器的 研制在電力系統(tǒng)中他到了重視。它具有體積小、造 價低；無鐵芯不存在磁飽和和鐵磁振蕩問題，動態(tài) 響應范圍大，頻率咱應寬；抗電磁干擾性能強等優(yōu) 點趕未來電流互感器發(fā)展的方向本文主要論述了印制電路板（pcb）型空心線圈 結合電能計董

4、芯片ade7758在電能計址中的應 用，并介紹了多功能電能表的硬件框架與軟件設計。1電流互感器的設計1.1 pcb型空心線圈結構為解決現(xiàn)冇電磁式電流互感器所存在的測址范 bb小、抗干擾能力低等問題電能表采用擁有專利技 術的一種結構簡單準確度髙抗干擾能力強的 pcb型空心線圈。圖1為2層pcb的空心線圈結 構示意圖一次線圈（10）是用較寬的銅線布置于 pcb的2層或用一定厚度和寬度的銅材鑲嵌在 pcb上，緊繞2個不相鄰的平面螺旋線圈構成一匝« 0 期:2008-05-09| <08 jmi 2008-06-25.實用併盤專利(200620052659. 2卄發(fā)明專利(200610

5、032482.4).回路$二次線圈由4個螺旋線圈串接而成頂層與底 層同位置的螺旋線圈通過過孔串接。ffi 1 pcb型空心茲b!結構示意圖 fig. 1 structure sketch of the pcb air core col!該pcb型空心線腰沒有鐵磁材料不會因被測 電流大而飽和具有很好的準確度，且頻帶寬；采用 多個均勻分布的螺旋線圈串接組成外界干擾鐵場 在相鄰線圈所產(chǎn)生的感應電動勢大小相等方向相 反最終串接相互抵消起到了對外界干擾磁場無響 應的作用；采用pcb制作可顯著降低成本制作工 藝精細，便于批量生產(chǎn).當一次線圈中通過被測交流電流“/）時.2層 中所冇螺旋線圈產(chǎn)生的感應電動勢方

6、向都相同，串 接相互疊加,通過二次線圈輸出端（9）輸岀一個與被 測電流相對應的電壓佶號e（r）用公式表示為*式中為互感系數(shù)，與二次線圈的有效面積、匝數(shù) 等有關為了增大空心線圈的互感系數(shù)，可以將二次線 圈制成多層pcb或多塊2層pcb串接增大二次 線圈的匝數(shù)。同時，為了提島抗干擾性能可在 pcb±加覆銅層.1.2電流信號通道由式（1）可知空心線圈的二次輸岀電壓與被測 電流的導數(shù)成正比披在電路中需要加上一個積分 環(huán)節(jié)使輸出蜀與被側量成正比，因為所用的電能計 最芯片ade7758內(nèi)含有數(shù)字積分器，不需額外再 加積分電路。電能表用電流互感器的一次電流測蛍范囤規(guī)格 為j a（2）l5 a（62

7、5 a（10）等這樣的電流經(jīng) pcb型空心線圈輸出后是微弱的信號（一般為幾毫 伏），而ade7758的最小滿星程輸入電壓信號為 土31.3 mv,因此需外加信號放大電路.圖2描述 了電流信號通道方框內(nèi)為ade7758內(nèi)部的電流 信號通道。0b2電流信號通it示意圖fig. 2 sketch of current signal path空心線圈通過取樣電阻取得電壓信號再經(jīng)低 通濾波器差分式接人放大器放大后的信號輸入電 能計量芯片。信號在計雖芯片內(nèi)部經(jīng)過差分放大、 a/d轉換之后，對電流增益誤差進行校正。由于 a/d自身的原因或外界溫度的影響積分器的輸入 可能會存在宜流偏移董在a/d輸岀與積分器之

8、間 接入奇通濾波器可以消除直流偏置的影響。接著. 對信號進行數(shù)字積分，將結果送入波形寄存器并進 行電流有效值.有功無功計算等后續(xù)操作。1.3空心線圈接口電路設計放大微弱信號要求放大器有超低噪聲特性因 此放大器選用髙性能儀表放大器ad8221.其最大 輸入電壓噪聲密度為8 nv/hl（l khz）,共模抑制 比高達120 db（增益為100時）.在該應用中由于 放大器輸入、輸岀都是雙極性信號，當放大器采用單 電源供電時需要在輸入輸岀加偏迓電路這樣將增 加放大器的功耗，影響放大器的性能，故采用雙極性 電源供電。接口電路如圖3所示，r11和r12為取 樣電阻r13,c13,r14tc12tcll構成

9、低通濾波器， 放大倍數(shù)通過改變rg的電阻值來改變.14互感器性能試驗采用一次2匝的6塊串接的pcb型空心線圈 接低通濾波、差分放大和積分電路進行試驗.主要 分析電流互感器一次輸入電流和積分輸岀信號的線 性關系信號源產(chǎn)生一個50 hz工頻的正弦電流 作為互感器一次輸入，積分輸出電壓由惠普公司數(shù) 字萬用表測得對表1中數(shù)據(jù)進行線性擬合，結果如圖4所示.« 1 pcb型電流互處潺試驗數(shù)據(jù) table 1 test data of pcb current transducer輸人電流/a枳分輸出電壓/w輸人電流/a枳分綸岀電壓/v0.10.003 3320.072 20.20.007 4230

10、.108 00.30.010 7040.143 00.40.014 3050.178 00.50.018 2060.215 00.60.021 7070.252 00.70. 024 7080.286 00.80. 027 8090.321 00.90. 032 70100.359 0ho0. 036 40s 4試驗數(shù)據(jù)擬合曲線 fig. 4 fitting curve of the test data綸入、輸岀試驗數(shù)據(jù)點的線性擬合度為 0. 999 97.說明該互感器有很好的線性度擬合戴 距能表示出伯號中疊加的固何噪聲成分理想值 為0（即輸入為0時輸出同樣為0）線性擬合截距 為0. 000

11、054 27（約為一次電流01 a時積分輸出 佶號的1.63%）說明即使在小輸入電流下，積分輸 出電壓也沒有疊加明顯的噪聲干擾即該互感器具 有抗干擾能力。59斫制與開發(fā) 吳濤等基于犧叔電子式電流互感器的多功能電穗表的設計試驗中采用的足模擬積分器如采用ade7758 內(nèi)呂的數(shù)字積分器互感器的溫度穩(wěn)定性、抗干擾性 以及測赴精度都將提高。因而pcb型電子式電流 互感器適用于電能表的電流測址。2電能表硬件設計結合dl/t 614-2007標準對多功能電能表的 描述，在設計過程中，可以將三相四線多功能電能 表的硬件電路分成3部分：計就電路、微控制器 （mcu）及其外田電路電源電路。圖5為整個電能 表的硬

12、件設計框圖.abc 三相 電壓1euhuafthpcb 艮空 心線36 v 電池3v 電汕i樂池欠壓i趙低功耗單片機hd64f38327hs t rs*85 & n球dabc聶 i 功功 w無電沖l2c =0罩亮 點lcd 'm*r<« ；紅外f*a 燈外 ffttf紅外 發(fā)送4«5a 4$5bled 描示燈圈5電能表硬件框圖fig. 5 hardware block diagram of the watt-hoar meter2.1計電路計雖電路主要鏟對計駅芯片ade7758的電路 設計。ade7758是一種高精度三相電能計墩芯片, 能計董各相的有功

13、無功、視在電董和電壓、電流有 效值等數(shù)據(jù)并可通過spi申行總線和中斷引腳與 mcu進行通信;能輸出有功脈沖、無功（或視在功） 脈沖，可用于校表;還能以數(shù)字方式校正系統(tǒng)誤差。ade7758有3路電壓、3路電流信號輸入通 道外網(wǎng)的大電壓、大電流需經(jīng)過信號轉換才能接入 計蚩芯片電流轉換通過電子式電流互感器來實現(xiàn)。 電壓轉換采用大電阻分壓實現(xiàn).但這使得外網(wǎng)沒 有與計量芯片電氣隔離為了避免外網(wǎng)通過計然電 路對mcu電路產(chǎn)生干擾電能計畐電路與mcu 電路在pcb上需較長的隔離間距同時電路間的數(shù) 據(jù)傳輸通過高速光輯實現(xiàn).2.2 mcu及其外圍電路mcu選用瑞薩公司的超低功耗h8/300l產(chǎn) 品系列中的hd6

14、4f38327h型單片機該單片機 內(nèi)置60 kb的閃存;有7種低功耗模式;2個sci串 行通信口 可分別用于與譏星芯片.rs-485通信；至 于紅外通信可采用通用i/o 口軟件模擬實現(xiàn)異步 通信內(nèi)置32段lcd騎動器因mcu外國芯片 多，需使用較多i/o端口所以在片外使用帶fc總 線的lcd駆動器（如pcf8576ct.人機交互：包括按鍵丄cd顯示和指示燈。按 鍵有3個功能鍵和1個編程鍵編程犍只能在開蓋 后才能按到，防止普通用戶對電能表進行編程。 lcd主要負責電能有效值等一系列參數(shù)及異常事 件記錄的顯示。指示燈指示異常報警計量芯片的 脈沖輸出也接有2個指示燈用于指示有功電懾和 無功電量（或視

15、在電金）。通信接口 ：rs485接口電路與mcu端口采用 光電隔離方式連接。紅外接收采用紅外接收元件. 接收元件將接收到的調(diào)制光信號解調(diào)為二進制脈沖 借號送入mcu軟件模擬的串行接收端口.紅外 發(fā)送由mcu的2個端口實現(xiàn)一個端口產(chǎn)生 38 khz載波信號，另一個端口模擬串行發(fā)送口，串 行發(fā)送口發(fā)送的數(shù)據(jù)對載波進行調(diào)制，驅動紅外發(fā) 射管發(fā)送數(shù)據(jù)。外圍存儲器：電能表要存儲系統(tǒng)參數(shù)、異常書件 檢測結果、計扯所得當舸數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)以及條份 數(shù)據(jù)等所有這些數(shù)據(jù)量達20 kb左右，為留有足 夠的存儲裕塑在mcu片外擴展一片64 kb帶 fc總線的eeprom.實時時鐘：系統(tǒng)計量需量、時段投切以及事件檢 測

16、等都涉及到時間的記錄因此選用精確的硬件時 鐘（如r8025）來完成對時間的準確記錄。另外考 慮到外界溫度對硬件時鐘的影響使用溫度傳想器 （如tcn75）實現(xiàn)時鐘的溫度補償系統(tǒng)掉電檢測：系統(tǒng)采用adm706實現(xiàn)對系統(tǒng) 掉電的檢測系統(tǒng)掉電觸發(fā)外部中斷將mcu切換 到停電工作模式這時系統(tǒng)采用3.6 v電池供電. mcu進入休眠模式，系統(tǒng)休眠時可以采用按鍵或 紅外喚醒.喚醒后lcd顯示并可紅外抄表。開蓋檢測：對開蓋進行檢測記錄，可以實現(xiàn)對電 能表的監(jiān)控防止普通用戶對電能表進行編程或私 自接線電池欠壓：系統(tǒng)停電時電池對電能表供電若 電池電壓低又沒有得到及時更換會導致電能表停 電后果嚴重.所以在電池電壓低

17、時報警，提示有關 部門及時更換2.3電源電路三相電壓經(jīng)降壓、整流濾波、穩(wěn)壓后分成3路 獨立的電源:一路供給r&485通信$路供給計量 芯片等電路；由于mcu及外圍電路在系統(tǒng)掉電后 仍需工作因此由vbb供電。硬件時鐘作為整t系 統(tǒng)的時基它的供電單獨加一節(jié)3 v電池作后備電 源。電子式互感器的放大電路需在雙極性電源下工 作正極性電源由+ 5 v供給而負極性電源由 +5 v經(jīng)電壓變換電路產(chǎn)生。3電能表軟件設計3.1主程序設計圖6為電能表主程序流程整個程序是通過查 詢方式執(zhí)行的，通遼査詢事件發(fā)生的條件判斷電能 表事件是否發(fā)生來執(zhí)行相應的操作這種執(zhí)行方式 只要保證cpu的執(zhí)行速度足夠快是能夠保證

18、事 件響應的時效性的.和滑差時間f可選最小滑差時間可設為1 min最 小需皇周期可設為5 min.當一個滑差時間到時， 將此滑差時間內(nèi)累計的電就存儲然后對攝近的 t個滑窗的累計電量求平均值得到當前需就再 將當前需斌與存儲的嚴大需量進行比較，較大者保 存至最大需就存儲單元毎小時將進行60次最 大需童計算.時段費率投切是根據(jù)當前h期找到對應的時段 表再從時段表中找到當前時間對應的費率并將其 設置為當前運行費率門。】.3.2通信程序設計通信程序參照文獻11設計.協(xié)議為主-從結 構的半雙工通信方式，手持單元或其他數(shù)據(jù)終端為 主站電能表為從站.每個電能表均有各自的地址 編碼。通佰鏤路的建立與解除均由主站

19、發(fā)出的信息 幀來控制。每禎由圖7所示的8個部分組成，每部 分又由若干字節(jié)組成62斫制與開發(fā) 吳濤等基于犧叔電子式電流互感器的多功能電穗表的設計68ha0|al|a2|a3|a4a568hcldatacsi6ha jtm 起符» m rftm結 束 符圖7信息績格式fig. 7 format of information frame»6主程序流程fig. 6 flo* chart of the main program信息幀的接收放在中斷程序中執(zhí)行對地址匹 配及字節(jié)校驗、幀校驗正確的信息幀經(jīng)處理后存入 接收緩存中.主程序中的通信處理程序再根據(jù)接收 緩存中信息幀的控制碼和數(shù)據(jù)域

20、執(zhí)行相應的操作。4結語本文所設計的三相多功能電能衷采用擁有專利 技術的pcb型空心線圈作為電流信號輸入轉換器. 可以彌補電磁式電流互感器易飽和、測址范圍窄等 不足.另外電能表參照dl/t 614-2007標準設 計可以實現(xiàn)多費率計雖、最大需量計算、紅外及 rs-485通信等多種功能。對電能表用pcb型電子 式電流互感器做了測試結果表明該電流互感器適 用于電能表的計量。本文提岀的設計方案可應用于 實際開發(fā)的多功能電能表產(chǎn)品中具有計懂準確度 高、實用性強、推廣應用前呆好的待點.63斫制與開發(fā) 吳濤等基于犧叔電子式電流互感器的多功能電穗表的設計#斫制與開發(fā) 吳濤等基于犧叔電子式電流互感器的多功能電穗

21、表的設計電最的采集在定時中斷中完成.系統(tǒng)采用每隔 40 ms中斷一次完成對計址芯片的釆樣并對采樣 值進行修正得到當前運行的瞬時值。電駅的積累是對采樣的瞬時值進行累加的過 程，當對應類型（尖峰平谷）電量累計到 0.01 kw h電蚩小數(shù)書件發(fā)生并進行相應處理。最大需最計算方式采用滑差式其需駐周期t參考文獻1 李芙英竄金崟紀昆.基于dsp的光電式離低壓電能我.電力 系統(tǒng) c1 動化 2002.26(2) ,75-77.li fuying» zang jinkui» ji kun. dwign of optoelectronic multrfuncciorul watt-hour

22、 meter using dsp. automation of electric power systems* 2002 26(2)i 75-77.ov1d1u p. gabriel c dsp u based energy meter/ proceedings of ieee the 26th international spring seminar on#斫制與開發(fā) 吳濤等基于犧叔電子式電流互感器的多功能電穗表的設計#2008. 32(16)電0系仇自 8 化journal of transducer technology. 2004. 23(12)i 55-58.7 dl/t 614-2

23、007多功施電能農(nóng)北京：中國電力岀版社.2008.8 卜正良尹項根灤光給.直壓電能表的研制.電力系統(tǒng)自動化. 2006.30(19),89-92bu zhengliang* yin xiangen. tu guangyu development of hv wati-hour meter. auomation of electric power systems* 2006 30(19)1 89-92.9 岡村邊照一平山和代瑞薩h8-slp單片機原理和應 用北京：清華大學岀版社.2005.10 王犁訐電子式多功能電能友功能梅的設卄與實現(xiàn)d沈陽， 東北大學.2005.11 dl/t 645-199

24、7多功能電能我通倍規(guī)約北京，中國電力出版 社 j999.electronics technology. m«y 8-11» 2003 stara lesna, slovaks235-23&2 周有慶劉現(xiàn)吳桂清等蔦f rogowski線圈電子式電滝互感ii的研丸電氣應用.2006.25(6):106-110zhou youqing* l1u kun. wu guiqing* et al. research of electronic current :ransducer based on rogowski coils. electrotechnical appfica

25、tion* 2oo6 25(6) 106-110.3 徐履張艷宋明鈞笫基于空心線bi的hvdc諧波電及性能分析電力系統(tǒng)自動化.2005.29(22) ,87-90xu yant zhang yan. zhu mingjun. et l. air core coil based harmonic current measurement in hvdc and its performance analysis. automation of electric power systems* 2005. 29(22) s 87-90.4 錢政盧俊仗李*杰電子式電潦互捋器低伍側電路的多功能吳 灣(1984

26、-)另通仕作者士.主要研究方向：電 力系統(tǒng)微機保抄及變電站自動化.e-mail： wtop_2002 163. com周有慶(1944)另敘授博士生導拜主要研丸方侖： 電力系統(tǒng)徹機鐸護及變電站由動化.« 偉(1984),另士.主要研究方的：電力系統(tǒng)微 機保護及變電站自動化化實現(xiàn)電力系規(guī)自動化.2006.30(20):68-71.qian zheng lu jun 9 e» li tonjuie. multifunctional realization of low*voltage circuit of the electronic current transfonner a

27、utonution of electric power systems* 2006 30(20)i 68-71 5 張少住石山任成蠶等.高?1確度曲電流傳捋ib的研制傳必0 技術.2004.23( 12)t55-5 &zhang shaofengt shi sh易ru ren chengyan« et al. development of high accuracy microampere current sensor.design of mult卜function watt-hour meter based on the new electronic current tra

28、nsformerwu tao, zhou youqing. gong wei. cao zhihui. zhang xuemei(hunan university. changsha 410082, china)abstract： the pcrfomnce of the current transformer used for watt-hour meter directly affects the meter * s measurement accuracy in view of the issues existing in the present electromagnetic curr

29、ent transformer such as easy to saturation, smaller measurement range, etc, a design plan of multi-function watt-hour meter based on pcb electronic current transformer is proposed first, the siructure and principle of a pcb air core coil sensing unit are analyzed, the interface circuit between the a

30、ir core coil sensing unit and the measurement ic is designed and the test data show that the transformer has a good performance then, the meter' s hardware is elaborated which uses the three-phase high-precision measurement ic ade7758 and high- performance. low power-loss h8 microcontroller as t

31、he 8re based on this, the main idea of meter * s software is briefly described the meter with high measurement accuracy and low power-loss has good prospects for practical applicationthis work is guaranteed by practical new type patent and invention patent (no. 2oo62do52659.2. 200610032482.4)key wor

32、ds: electronic current transformer; multifunction watt-hour meter; ade7758; h8 microcontroller(上接第 10 頁 continued from page 10)a power system time-domain simulation platform based on net-form chain and double layer algorithmwang chengshan19 wang danx. guo jinchuan1, zeng yuan1 f zhang pei2(1 key lab

33、oratory of power system simulation and control of ministry of education, tianjin university,tianjin 300072, china; 2. electrical power research institute of usa. palo alto 94303, usa)abstract: a new union structure for time-domain simulation of power system is presented which is realized via double

34、layer algorithm with build-in net-form chain the inner layer is designed for implicit method whereas the outer one is designed for explicit method the explicit method can be used as a predictor for implicit method or as an independent alrorithm net-form chain is a logical structure developed from or

35、thoronal list technology for sparse storage the interface between dynamic devices and their controls can be flexibly designed so as the interface between dynamic devices and network the blocking jacobian matrix can be assembled expediently the realization scheme for simulation software design using the new algorithm is giventhis work i