【正文】 （ 212） 其中，勢(shì)為無(wú)源負(fù)載的阻抗角，也就是負(fù)載里電壓、電流的相位差。其無(wú)功功率近似為 0， 第 8 頁(yè) 共 40 頁(yè) 故在樣機(jī)的顯示中不顯示無(wú)功功率。I—— 電流有效值 。 功率及功率因數(shù)的測(cè)量 正弦波交流電的功率測(cè)量包 括 :有功功率測(cè)量、無(wú)功功率測(cè)量和視在功率測(cè) 量。目前一般都用晶振來(lái)獲得參考時(shí)基或頻率。來(lái)測(cè)得信號(hào)周期的，從而求得信 號(hào)的頻率 f： f=fs/n (27) 這兩種方法，前者宜于測(cè)量較高頻率的信號(hào)，時(shí)基越準(zhǔn)、越一長(zhǎng)，測(cè)量精度越高 。對(duì)周期信號(hào)而言，每一次正向 (或負(fù)向 )過(guò)零即代表了一個(gè)新的周期。頻譜測(cè)量法對(duì)我們的應(yīng)用并不適用，所以下面我們只討論計(jì)數(shù)法。i（ k） —— 第 k個(gè)電流采樣瞬時(shí)值 。i(t)—— 電流瞬時(shí)值 。故在芯片的選型中考慮芯片的功能而在實(shí)際的應(yīng)用電路中以采集單相的交流電為準(zhǔn)。在本系統(tǒng)中，所選用 ADE7754 計(jì)量芯片對(duì)工頻周期信號(hào)基本參數(shù) (P、 U、 D進(jìn)行真值測(cè)量所用的方法，均可看作是一種積分求平均值的計(jì)算，理論上采樣最低頻率只要大于信號(hào)最高頻率兩倍即可。再用帶有誤差的電壓、電流有效值以及它們的相位角計(jì)算功率，結(jié)果也必將有較大誤差。由于無(wú)法測(cè)出諧波含量，它們之間的關(guān)系也就 無(wú)法確定。采樣用直流采樣算法測(cè)量電壓、電流時(shí)，均是通過(guò)測(cè)量平均值來(lái)測(cè)量電量有效值的。 第 6 頁(yè) 共 40 頁(yè) 2 電參數(shù)基本量的測(cè)量工作原理 及 芯片的選型 電參數(shù)基本量包括電壓、電流有效值 、 頻率 、 有功、無(wú)功及視在功率、電能等常用參數(shù)，根據(jù)這些基本參數(shù)，用電單位可以明確當(dāng)前的電能質(zhì)量，了解 用電情況，合理控制工廠用電負(fù)荷以及調(diào)配用電高峰時(shí)間。 （ 3） 軟、硬件的聯(lián)合調(diào)試 第 5 頁(yè) 共 40 頁(yè) 在完成對(duì)硬件電路和軟件的獨(dú)立調(diào)試后， 用 PROTUES 對(duì)顯示模塊進(jìn)行的仿真，然后再 進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試。進(jìn)行電路原理圖的設(shè)計(jì)，繪 PCB 圖、制板，焊接，得到試驗(yàn)電路板，對(duì)電路板按功能模塊進(jìn)行調(diào)試，分析調(diào)試時(shí)產(chǎn)生的故障并進(jìn)行排除。進(jìn)行軟硬件設(shè)計(jì)的選型工作。 完成的工作 在設(shè)計(jì)時(shí)，主要完成了下列工作 : （ 1） 確定設(shè)計(jì)指標(biāo)與設(shè)計(jì)方法 查閱了大量的國(guó)內(nèi)外有關(guān)電參數(shù)測(cè)量?jī)x器方面的文獻(xiàn)資料，剖析了一些電測(cè)儀器的實(shí)際產(chǎn)品，并吸取同類產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)所要做的工作有理論上的知識(shí)積累和系統(tǒng)的掌握。 （ 2） 主要技術(shù)參數(shù) ： ADE7754 電能測(cè)量芯片 、 ARM/51 微處理器 、測(cè)量運(yùn)算精度 5%； （ 3） 用 Proteus 進(jìn)行軟硬件系統(tǒng)的仿真 。 硬件電路采用ADE7754 系列 高精度 單 三相電能測(cè)量芯片與 ARM/51 微處理器、電壓互感器和電流互感器的測(cè)量接口 、 顯示接口 ， 采擴(kuò)展以太網(wǎng)接口及嵌入式 TCP/IP 協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程通信 。比如功率表的角誤差、乘法器的瞬時(shí)功率信號(hào)頻譜、關(guān)于無(wú)功功率 (電能 )的處理方法以及電源周波電能累計(jì)模式應(yīng)用于校正等都充分說(shuō)明了這一點(diǎn)，通過(guò)研究正確的校準(zhǔn)方法，可以最大限度發(fā)揮計(jì)量芯片的功能，以較低的投資實(shí)現(xiàn)從前需要很多昂貴器件才能完成的功能，使系統(tǒng)具有硬件電路簡(jiǎn)單、可靠性好、測(cè)量參數(shù)眾多、參數(shù)精度高等重要特點(diǎn)。這樣的優(yōu)點(diǎn)使儀表的兩大單元 (計(jì)量單元和數(shù)據(jù)處理單元 )較為均衡和合理。單片機(jī)不善于數(shù)據(jù)計(jì)算，而現(xiàn)在的計(jì)量芯片有硬件乘法器、開平方器和各種計(jì)量算法如 FFT 等，剛好彌補(bǔ)了這一不足，減少了單片機(jī)系統(tǒng)需要完成的任務(wù)。本文研制的 智能電表 通過(guò)選用高精度的計(jì)量芯片和高處理速度的 8 位單片機(jī)，采用電能計(jì)量專用芯片 +單片機(jī)的方案并盡量采用集成化元件進(jìn)行設(shè)計(jì)，這樣在設(shè)計(jì)中，單片機(jī)只要對(duì)計(jì)量芯片 的控制寄存器寫入適當(dāng)?shù)目刂谱志涂梢粤?，大大?jié)省了硬件設(shè)計(jì)所需的元 件，影響系統(tǒng)精度的因素也隨 第 4 頁(yè) 共 40 頁(yè) 之減少，使高精度的測(cè)量更易實(shí)現(xiàn)，也因此提高了系統(tǒng)的可靠性。 隨著現(xiàn)代電子產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，測(cè)量電路的集成化、模塊化成為未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)，各大型的器件公司也紛紛推出自己計(jì)量芯片，這種集成芯片不僅精確度高，而且硬件軟件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、性價(jià)比高。 DSP 的處理速度很快，得到的數(shù)據(jù)精度也很高，但是 DSP 芯片的控制能力不好，系統(tǒng)需要另選單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制器，這樣系統(tǒng)硬件電路變得復(fù)雜，而且這種結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難度，并造成一定的資源浪費(fèi)，造 價(jià)較高。這種結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品雖然能比較好的完成控制功能，但處理復(fù)雜數(shù)據(jù)的能力比較差，耗時(shí)過(guò)多 。從對(duì)國(guó)內(nèi)外產(chǎn)品的分析中可以看到，目前電子式電參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中對(duì)參數(shù)的測(cè)量一般采用的方法有以下幾種 : （ 1） 雙 MCU 結(jié)構(gòu)，通過(guò) A/D 芯片采集三相電信息，送入前端 MCU 完成數(shù)據(jù)采集功能，然后由后端 MCU 通過(guò)軟件計(jì)算出各參數(shù)，完成顯示、控制和通信功能。 電子技術(shù)和計(jì)算 機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展是電力儀表迅速進(jìn)步、 日 益成熟的主要技術(shù)支撐。因此能夠用軟件的方法實(shí)現(xiàn)信息的采集、處理和存儲(chǔ)，大大簡(jiǎn)化了儀器的整體結(jié)構(gòu)。 第三代是智能儀器。這類儀器同指針式儀器相比較精度有了很大的提高，能直觀讀取測(cè)量結(jié)果，而且可靠性高，易于使用。 國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 在過(guò)去的一個(gè)世紀(jì)里，源于科研、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)甚至戰(zhàn)爭(zhēng)的需求，電測(cè)量理論以及儀表技術(shù)不斷發(fā)展，電力儀表和普通儀表一樣，發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段 : 第一代是指針式儀表，如模擬萬(wàn)用表、電壓表、電流表，這些儀表的基本結(jié)構(gòu)是電磁式、電動(dòng)式、感應(yīng)式、靜電式等，它的原理簡(jiǎn)單、堅(jiān)固耐用、容易生產(chǎn)、成本低，但由于這類儀表本身機(jī)械結(jié)構(gòu)和電磁結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性和復(fù)雜性，一般精度較低，穩(wěn)定性較差，應(yīng)用場(chǎng)合有一定的局限性。目前電力工業(yè)進(jìn)入商品市場(chǎng)經(jīng)營(yíng)模式，一些出故障的電能計(jì)量設(shè)備和竊電等非法 用電現(xiàn)象的增加嚴(yán)重阻礙了電力的發(fā)展和運(yùn)營(yíng)。 因此電力部門需要及時(shí)、準(zhǔn)確地掌握用電情況，做好調(diào)度和規(guī)劃。 電網(wǎng)電壓、電流的波動(dòng)，將影響用電設(shè)備的功效發(fā)揮和使用壽命；電網(wǎng)頻率的波動(dòng)，不僅使過(guò)多的電能轉(zhuǎn)換為熱能而白白浪費(fèi)掉，而且嚴(yán)重時(shí)有可能損壞設(shè)備；電網(wǎng)功率因數(shù)過(guò)低，將導(dǎo)致供電電能得不到充分利用，因此，必須有一種設(shè)備和手段對(duì)電網(wǎng)中的電力參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并做出相應(yīng)的措施，保證電力系統(tǒng)與設(shè)備運(yùn)行良好。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和人民生活水平的提高，對(duì)電力能源需求也不斷增長(zhǎng)，用電量迅猛增加，致使變電站數(shù)量增加、電壓 等級(jí)提高、供電范圍擴(kuò)大及輸配電容量增大，采用傳統(tǒng)的變電站一次及二次設(shè)備已越來(lái)越難以滿足變電站安全及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、少人值班甚至無(wú)人值班的要求。因此，電能計(jì)量技術(shù)的發(fā)展、電能計(jì)量?jī)x表系統(tǒng)的研制，具有十分重要的意義。營(yíng)業(yè)計(jì)費(fèi)的準(zhǔn)確性和公正性 ， 事關(guān)電力工業(yè)的發(fā)展、國(guó)家與電力用戶的合法利益。 開題的背景和意義 電能既是電力企業(yè)的產(chǎn)品，又是商品 。作為電力管理系統(tǒng)組成部分 —— 電力監(jiān)控儀表也起著越 來(lái)越重要的作用，針對(duì)不同領(lǐng)域的電力系統(tǒng)，研制一種 精密 的電力監(jiān)測(cè)裝置就具有非常重大的意義，它不但要能對(duì)如電壓、電流、功率、功率因數(shù)、電能和頻率等重要的電力參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，也需要具有完備的通信功能。 要實(shí)現(xiàn)對(duì)電能質(zhì)量的綜合治理，就必須實(shí)現(xiàn) 對(duì) 電能質(zhì)量的在線分析與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以了解電能質(zhì)量的水平。所以用 單片芯片完成三相電源有功功率、電壓有效值、電流有效值 ， 及信號(hào)頻率的測(cè)量 已經(jīng)成為了學(xué)者們研究的熱點(diǎn) 。隨著我國(guó)電力市場(chǎng)的逐步建立和完善，電力系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜，電力工業(yè)向大容量方向發(fā)展，企業(yè)生產(chǎn)技術(shù)管理對(duì)工業(yè)電力準(zhǔn)確計(jì)量不斷提出新的要求 。 作者簽名： 日期： 年 月 日 導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日 第 5 頁(yè) 共 40 頁(yè) 目 錄 引言 ........................................................................................................................................... 1 1 緒論 ..................................................................................................................................... 2 開題的背景和意義 ............................................................................................................ 2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r ................................................................................................................ 2 任務(wù)及要求 ........................................................................................................................ 4 完成的工作 ........................................................................................................................ 4 2 電參數(shù)基本量的測(cè)量工作原理及芯片的選型 ..................................................... 6 電壓電流有效值的測(cè)量 .................................................................................................... 6 頻率測(cè)量 ............................................................................................................................ 7 功率及功率因數(shù)的測(cè)量 .................................................................................................... 7 有功功率 ......................................................................................................................... 7 視在功率 ......................................................................................................................... 7 無(wú)功功率 ......................................................................................................................... 7 功率因數(shù) ......................................................................................................................... 8 測(cè)量芯片的選型 ................................................................................................................ 8 中央控制芯片的選型 ........................................................................................................ 8 顯示模塊的選