【正文】 文的創(chuàng)新點(diǎn)。兩種計(jì)量方案分別針對(duì)提高電能計(jì)量精度和調(diào)整電力負(fù)荷曲線提出。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各行各業(yè)對(duì)電力的需求越來越大，用電量時(shí)間不均衡的現(xiàn)象日益突出。復(fù)費(fèi)率電度表以時(shí)間參數(shù)為峰谷費(fèi)率劃分依據(jù)，通過設(shè)置多個(gè)費(fèi)率和時(shí)段，通過“削峰平谷”的方法消減峰期的用電量，增加谷期的用電量。復(fù)費(fèi)率分時(shí)段計(jì)量有利于緩解用電量的時(shí)間不均衡現(xiàn)象。在進(jìn)行電量總表設(shè)計(jì)時(shí)，一般采用電流傳感器進(jìn)行電流信號(hào)的檢測。在配電系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓一般是穩(wěn)定的，電網(wǎng)電流則根據(jù)掛接的負(fù)荷大小發(fā)生變化。這種計(jì)量方案有望實(shí)現(xiàn)全量程的糟度均街和精確計(jì)量。 ADE775 ATTT022B等計(jì)量芯片的應(yīng)用，提高了電量計(jì)量精度，減少了電能計(jì)量誤差。?758軟件校準(zhǔn)流程和校準(zhǔn)算法，對(duì) ADE7758應(yīng)用手冊(cè)中的一步校準(zhǔn)算法進(jìn)行改進(jìn)，采用邂步逼近算法以減小電表校準(zhǔn)誤差；文獻(xiàn) [25]從 ^D轉(zhuǎn)換角度研究了提高電能計(jì)量精度的方法；文獻(xiàn) E26]、 (27]從諧波計(jì)量和辨識(shí)的角度進(jìn)行分析；文獻(xiàn) [28從提高電能諧波功率的計(jì)量能力角度，提出一種基于高速單片機(jī)內(nèi)核的高精度三相電度表設(shè)計(jì)方案；文獻(xiàn) [29】提出基于 ARM技術(shù)的三相電度表設(shè)計(jì)方案。 目前，還沒有一種電度表產(chǎn)品具有按負(fù)荷功率額度實(shí)時(shí)分段檢 測計(jì)量功能。復(fù)費(fèi)率分時(shí)段計(jì)量以時(shí)間參數(shù)為峰谷分段依據(jù)，但這種分段不具有實(shí)時(shí)性，且無法滿足精 確計(jì)量的要求．本文為了解決精確計(jì)量問題，從電流傳感器的檢涮誤差角度進(jìn)行分析 ,提出一種高精度 10kv～ 35kv的輸配電網(wǎng)電力負(fù)荷計(jì)量方案。 電度表配置兩個(gè)量程， 30A(50A)和 150A(250A)，分別對(duì)應(yīng)高變比計(jì)量和低變比計(jì)量兩種模式；按負(fù)荷的功率額度 實(shí)時(shí)進(jìn)行不同量程的計(jì)量切換，以實(shí)現(xiàn)正常負(fù)荷和超低負(fù)荷兩種情況下的精確計(jì)量。根據(jù)電度表參數(shù)設(shè)置和 ADE7758計(jì)量芯片特點(diǎn)，計(jì)算公式如下： 小變比時(shí) 高變比時(shí) 式中 ADE7758電流通道 滿刻度輸入信號(hào)， 30和 6為電流傳感器高低變比 ， 為電流傳感器二次端分流電阻大小，電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參考計(jì)量原理圖 3— 2。這里 30A為基本電流 (basic current)，符號(hào) Ib，是確定儀表有關(guān)特性的電流值，也稱此電流值為標(biāo)定電流。設(shè)計(jì)時(shí)在外加額定電壓 Vn=10kV時(shí)， ADE7758電壓通道信號(hào)輸入為0． 2V。 針對(duì)具有實(shí)時(shí)分段和分時(shí)段計(jì)量功能的三相電度表進(jìn)行了軟硬件設(shè)計(jì)和仿真試驗(yàn)，闡述了電路功能模塊劃分以及電能計(jì)量原理，分為七個(gè)章節(jié)進(jìn)行論述。 第二章系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖與設(shè)計(jì)要求 2． 1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖是系統(tǒng)產(chǎn)品化的基礎(chǔ)，它包含了系統(tǒng)的硬件選擇及軟件開發(fā)，是在對(duì)系統(tǒng)功能、技術(shù)指標(biāo)、性價(jià)比、元器件的可購性等因素進(jìn)行可行性分析的基礎(chǔ)上，對(duì)多個(gè)方案比較權(quán)衡后確定。 圖 21系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖設(shè)計(jì) 應(yīng)用 Protel99SE軟件進(jìn)行系統(tǒng)原理圖設(shè)計(jì)和 PCB電路板設(shè)計(jì)，參考附錄 A和附錄 B所示。 采用 ADE7758計(jì)量芯片和 AT89S52設(shè)計(jì)三相電度表，單片機(jī)的 TO、T1對(duì) ADE7758的 APCF、 VARCF端子發(fā)出的脈沖計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)有功、無功等多個(gè)電量參數(shù)的計(jì)量?？紤]到存儲(chǔ)芯片擦寫次數(shù)的有限性，電量參數(shù)的計(jì)量累加在單片機(jī)內(nèi)部完成。后備電源 LIR2032為可充電的 3． 6V鋰電池，充電時(shí)電流最大不超過 20mA。單片機(jī)的 RXD、 TXD串口預(yù)留作為 RS． 485通信接口，文獻(xiàn) [30]具體闡述了 RS． 485總線通信過程的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。 2． 2內(nèi)客顯示與設(shè)計(jì)要求 課題內(nèi)容圍繞三相電度表多個(gè)電量參數(shù)的計(jì)量、存儲(chǔ)、顯示、按鍵查詢展開。在參數(shù)顯示的同時(shí)進(jìn)行代碼的顯示。 EO： 00000000． 1 RO： 00000000 1 圖 2— 2計(jì)量 數(shù)據(jù) 顯示 格式 Fi92— 2 format of data display 系統(tǒng)配置三個(gè)功能按鍵，記為 K K K4．功能描述參考表 2l所示 。顯示碼在進(jìn)行 LCD顯 示時(shí)表示顯示參數(shù)的物理意義，在源程序設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)應(yīng)全局變量名 。 ① 實(shí)現(xiàn)總的有功、無功等電能計(jì)量與顯示 z通過按鏈查詢顯示分時(shí)段電量、功率分 段電量和瞬時(shí)有功、無功功率。 ④ 通過按鍵進(jìn)行時(shí)鐘初值輸入調(diào)整。 第三章系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 本章節(jié) 進(jìn)行系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)、功能模塊劃分和元器件選型。 3． 1計(jì)量芯片 ADE7758 3． I． 1引腳 配置及功能 描 述 計(jì)量芯片 ADE7758引腳配置如圖 3— 1 所示。在 10MHz晶振驅(qū)動(dòng)下，最大采樣速率 26ksps。 3． 1． 2計(jì)量電路原理 計(jì)量電路采用 ADE7758專用電能計(jì)量芯片，由信號(hào)衰減網(wǎng)絡(luò)和濾波網(wǎng)絡(luò)兩部分組成。文獻(xiàn) [31]提出不對(duì)稱的三相四線系統(tǒng)的濾波設(shè)計(jì)方案。在進(jìn)行電流、電壓信號(hào)衰減后，要進(jìn)行抗混疊濾波設(shè)計(jì)。電流回路由電流傳感器進(jìn)行信號(hào)取樣，電壓回路由電壓互感器進(jìn)行信號(hào)取樣。平均有功、無功功率通過瞬時(shí)功率的直流分量獲得。 ADE7758有兩路脈沖輸出，對(duì)應(yīng)端子為 APCF和 VARCF。 圖 3— 2計(jì)量電路原理 以 ADE7758的 A相電流、電壓通道為例分析 。 IAP為差動(dòng)信號(hào)的正極性輸入端子， IAN為負(fù)極性輸入端子：各端子的抗混疊濾波網(wǎng)絡(luò)由 lkQ的電阻和 10nF的電容組成。發(fā)光二極管 LEDl指示功率分段和變比切換情況。 電流傳感器在工作時(shí)二次端不允許斷路，在設(shè)計(jì)時(shí)采用 Rbl、 Rb2，Rb Rb4作為二次端高低變比計(jì)量回路的分流電阻，阻值大小為 0． 012 Q。對(duì)于 B、 C兩相電路結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)與 A相同。 分流電阻選取要考慮阻值大小和額定功率兩個(gè)因素，阻值選取與負(fù)荷額定最大電流 Imax、傳感器變比 CTRN有關(guān)。根據(jù)電度表參數(shù)配置，高變比時(shí)Imax=250A， CTRN=30。上述參數(shù)確定之后，以小變比計(jì)量為例，說明 ADE7758前端模擬電路的電流、電壓信號(hào)衰減問題。電流信號(hào)在進(jìn)入 ADE7758計(jì)量芯片前，其衰減倍率記為 f=30／ 0． 12= 3． 1． 3接口電路設(shè)計(jì) 接口電路用來實(shí)現(xiàn) ADE7758與單片機(jī)的數(shù)據(jù)通信，一方面可以通過 SPI口進(jìn)行計(jì)量芯片 ADE7758的初始化，另一方面 ADE7758把數(shù)據(jù)處理的結(jié)果以脈沖形式或 SPI口送出，供單片機(jī)進(jìn)行計(jì)量處理。 與接口電路有關(guān)的全局變量說明如下：長整型變量， RO,EO、 EE E E P、 V， 以字符型變量， H 11 113。在進(jìn)行 PCB電路設(shè)計(jì)時(shí)，在每一芯片的電源輸入端子外接 0． 1心的去耦電容，以提高電路的抗干擾性能。ADE7758每產(chǎn)生一個(gè)有功或無功脈沖，對(duì)應(yīng)的 LED3或 LED2會(huì)閃亮一次。當(dāng) ADE7758檢測到中斷發(fā)生時(shí)， IRQ向低電平跳變，發(fā)出 INTl中斷申請(qǐng)；單片機(jī)通過讀取 ADE7758狀態(tài)復(fù)位寄存器內(nèi)容，判斷中斷事件的類型。復(fù)位采用MAX813L看門狗芯片。 6s內(nèi)應(yīng)跳變一次，實(shí)現(xiàn)對(duì)MAX813L內(nèi)部時(shí)鐘寄存器清零，防止因“看門狗 溢出而導(dǎo)致單片機(jī)復(fù)位。 圖 3— 4單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì) K K K4為三個(gè)功能按鍵，按鍵掃描采用中斷方式進(jìn)行。圖中“與 門邏輯采用 74LS08芯片實(shí)現(xiàn)。后備電源采用可充電的 3． 6V鋰電池 LIR2032。主電源掉電后，二極管 Dl截止，D2導(dǎo)通；后備電源開始對(duì) 單片機(jī)進(jìn)行供電，使單片機(jī)的 R枷中累加的電量參數(shù)不丟失。這通過二極管 D1的單相導(dǎo)通作用實(shí)現(xiàn)。 圖 35單片機(jī)與 HCl602的接口電 路設(shè) 計(jì) 圖中 c c5為單片機(jī)和液晶模塊 HCl602的去耦電容。 R15為阻值可調(diào)的電位器，用來調(diào)整液晶顯示的對(duì)比度；當(dāng) VO端子對(duì)地電 壓為 OV時(shí)藏晶顯示最為清晰。正常情況下 JP2斷開以減小電度表能耗；在電量查詢時(shí)閉合 JP2，接通背光燈電源。當(dāng)沒有中斷發(fā)生時(shí)，進(jìn)行總的有功、無功電量顯示；顯示數(shù)據(jù)格式參考附錄圖 Dl所示。在完成 LCD初始化設(shè)置后，把該字荷對(duì)應(yīng)的 ASCH碼“ 0x31”通過 P0口寫入 LCD的內(nèi)部寄存器 DDRAM中。 3． 2． 3數(shù)據(jù) 存儲(chǔ) AT24C02 存儲(chǔ)芯片采用 AT24C02。與單片機(jī)的接口電路參考圖 3— 4所示。采用定時(shí)方式進(jìn)行電量參數(shù)的存儲(chǔ)。異常事件采用中斷方式進(jìn)行存儲(chǔ)。單片機(jī)執(zhí)行中斷服務(wù)程序，把處理的結(jié)果，包括事件的代碼、發(fā)生次數(shù)以及發(fā)生的時(shí)間，存儲(chǔ)到 AT24C02中分配的地址單元。 為了保證電量參數(shù)存儲(chǔ)的可靠性．在軟件設(shè)計(jì)上要有充分的冗余和糾錯(cuò)。為了 避免這種情況，對(duì)每一個(gè)電量參數(shù)分配兩組存儲(chǔ)單元；以朋為例，OxOO,Ox03為一組存儲(chǔ)單元． Ox04Ox07為另一組存儲(chǔ)單元。 3． 2． 4時(shí)鐘芯 片 DSl302 時(shí)鐘芯片采用 DSl302。 時(shí)鐘芯片有兩個(gè)作用．一是為定時(shí)存儲(chǔ)提供時(shí)間參數(shù)；二是為斷相、過流、過壓等異常事件記錄提供時(shí)同參數(shù)。 DS1302采用雙電源供電模式， Vccl為主電源輸入． Vc02為備份電源輸入。 DSl302寄存器數(shù)據(jù)以BCD碼格式存放。小時(shí)寄存器的位 7用于定義 DSl302的時(shí)鐘運(yùn)行模式，為 0時(shí)采用 24小時(shí)時(shí)鐘模式。 DSl302時(shí)鐘寄存器配置參考表 3— 4所示 。硬件電路設(shè)計(jì)參考圈 3— 7所示。 DE端子與單片機(jī)的 P1． 2口連接。連接至 A腳的下拉電阻17,3連接至 B腳的上拉電阻 R30用于提高該 RSJ,85網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的工作可靠性。 C1C14用于提高電路的 EMI性能。CD4053有三個(gè)控制端子 A、 B、 C。 A、 B、 C三個(gè)端子同時(shí)與單片機(jī)的 P1． O口連接。CD4053外圍電路 設(shè)計(jì)如圖 3— 8所示。當(dāng) P1． O為高電平時(shí)， CD4053的 ay端子與 a選通， ADE7758的電流通道小變比檢測信號(hào)選通，對(duì)應(yīng)小負(fù)荷計(jì)量模式，此時(shí) LEDl不導(dǎo)通； P1． O為低電平時(shí)， ax端子與 a選通，電流通道高變比檢測信號(hào)選通，對(duì)應(yīng)正常負(fù)荷計(jì)量模式， LEDl導(dǎo)通發(fā)光。 CD4053在電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用參考圖 32設(shè)計(jì)，真值關(guān)系參考表 3— 5所示。主電源模塊由變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路四部分組成硎，其中整流電路采用 DBl07集成模塊，穩(wěn)壓電路采用 780 LM7905集成電路模塊；后備電源采用可充電的 LIP2032鋰電池，主電源和后備電源的電路切換參考圖 3— 4單片機(jī)外圍電路。 7805的 +5v輸出通過 JP5跳線與系統(tǒng)的 +5V網(wǎng)絡(luò)連接。 CON3為兩路9V正弦交流信號(hào)輸入接口，中間為接地端子。 第四章系統(tǒng)硬件調(diào)試與功能函數(shù)定義 應(yīng)用 ME300B對(duì)模塊電路進(jìn)行在線仿真調(diào)試。在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的問題，判斷問題的原因、位置并提出改進(jìn)措施。功能函數(shù)主要圍繞長整型以及字符型數(shù)據(jù)的顯示與存儲(chǔ)展開，最后對(duì)功能函數(shù)仿真調(diào)試中遇到的問題進(jìn)行分析說明。在板的兩面采用大面積覆銅接地，不區(qū)分?jǐn)?shù)字地和模擬地。不同網(wǎng)絡(luò)之間的安全間距設(shè)置為 12mil；采用自動(dòng)布線方式，覆銅放在最后進(jìn)行。可以按照文獻(xiàn) [36]的有關(guān)制版介紹，在電腦上運(yùn)行 Protel軟件，從繪制簡單的 PCB電路開始，逐步熟悉設(shè)計(jì)過程。進(jìn)行電路板設(shè)計(jì)時(shí)，在芯片的電源引腳和接地引腳之間接入一個(gè) O． 1心的去耦電容 。在對(duì)時(shí)鐘芯片 DSl302進(jìn)行仿真調(diào)試時(shí)，并沒有認(rèn)識(shí)到去耦電容的重要性，芯片電源引腳沒有外接 O． 19F的去耦電容，沒有達(dá)到預(yù)期的仿真結(jié)果，原因就出在去耦電容上。載入封裝后的 PCB電路板參考附錄 B一 2所示。這樣，當(dāng)芯片損壞時(shí)，可以方便進(jìn)行芯片的替換。 ADE7758為貼片式封裝，引腳排列較密。然后把 ADE7758芯片引腳對(duì)準(zhǔn)焊接位置，用燒熱的烙鐵頭 (不帶焊錫 )在 ADE7758的引腳和焊接點(diǎn)連接處預(yù)熱片刻，可以觀察到一股細(xì)小的錫流沿著焊接線展開。這種焊接方式不容易損壞芯片，焊接成功率高，且沒有毛刺。 4． 2系統(tǒng)硬件電路測試 4． 2． 1電源模塊測試 首先進(jìn)行系統(tǒng)短路測試。由于載入元器件封裝時(shí)通過手工焊接，引線和元器件較多，會(huì)由于經(jīng)驗(yàn)不足而可能導(dǎo)致電源端于和接地端子接成短路。因此，應(yīng)避免短路，在確保系統(tǒng)安全的前提下進(jìn)行功能模塊的仿真測試。 ME300B是由深圳偉納公司推出的單片機(jī)學(xué)習(xí)開 發(fā)系統(tǒng)，可以對(duì)片內(nèi)資源和片外資源進(jìn)行在線仿真調(diào)試。可以利用這特點(diǎn)判斷仿真對(duì)象是否存在短路故障。同時(shí)用萬用表測得 DSl30 MAX48 AT24C02等芯片的電源端子對(duì)地電壓 4 5V。參考圖 3 9主電源模塊設(shè)計(jì)，閉合跳線JPS；在兩路 50Hz正弦交流 9v信號(hào)輸入下，用萬用表測量 780 7905輸出電壓分矧 IN+5V和一 5V；在單路 50Hz交流輸入時(shí)，實(shí)際測得 7805輸出在 4v左右，而 7905輸出保持為一 5V。為使系統(tǒng)正常工作，電源模塊需采用兩路交流信號(hào)輸入。DI=P3,1。測試針對(duì) PCB硬件電路設(shè)計(jì)進(jìn)行，不涉及通信協(xié)議及軟件編程。 條件設(shè)望 測試源程序設(shè)計(jì)如下： includereg52 h sbitR0=PI^0； sbitDE=P1^1： sbitDI=P1^2； main（） { DE=1； ／／單片機(jī)向 RS一 485總線發(fā)送數(shù)據(jù) 1 DI=1； DI=0； ／／單片機(jī)向 RS485總線發(fā)送敷據(jù) 0 DE=O； ／／單片機(jī)從 RS485總線接收數(shù)據(jù) 0 DI=1；