智能电功率表的设计与制作.docx
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智能电功率表的设计与制作
引言
电功率表是用来测量负载功率的仪器,它和其它类的仪器仪表一样,有着相同的发展历程.按照其时间和工作原理分类,电功率表主要经历了感应式、机电式、电子式等时代.感应式电功率表是利用电磁感应原理制成的,先将交流的电场转化为交变的磁场,从而引起转盘的转动,由转盘所转圈数和速度即可得到所用电量和功率.机电式电功率表是感应式向电子式电功率表的过渡产品.电子式电功率表是利用新型数字转换芯片制成,再加上微处理器的控制可记录广泛的用电信息,还可利用这些信息产生各种控制信号,实现电功率表的智能化,结合现在的计算机网络,还可实现远程远程监测功能,通过无线网络或调制解器实现远程监控.本文就是利用Analog公司专用电能计量芯片ADE7755与MCS51单片机设计智能电功率模块,对市电负载电功率的在线测量，同时实现对市电用户的使用状态进行在线监测,包括超负荷运转监测,用户窃电监测,远程强制关断,本地电量透支关断等功能.
这种电功率表在电能表中有更为广阔的发展空间.电能表产品已经历了数次更新换代,特别是近几年来为了与国际上电能表产品发展同步,无论是技术水平、生产水平,还是产品质量等方面都发生了质的飞跃,新式样、新功能的电能表产品纷纷问世:
从感应式电能表到电子式电能表,从单一计费功能的电能表到多费率、多功能电能表,从依靠人工抄表到远程自动抄表,IC卡电能表、多用户电能表、模块化电能表也相继研制成功并投入生产和使用.电能表也从低附加值向高附加值过渡，技术含量大大增加.电能表不再仅作为单一仪表而存在,已由单一的计量抄表功能向模块化、智能化、多功能、系统化和多元化发展.
电子式电能表的发展历程可以概括为:
20世纪90年代初期的以机电一体为主的工业多费率电能表;中期的电子式电能表;中后期IC卡电能表、电力载波仪表等.目前随着电子技术的发展,主要是芯片的发展,电能计量产品百花齐放.2000年初，电力供应紧张，国家试行并加大两部制电价和分时计费的应用范围,上海市推行黑白表也使得多费率电能表得以迅速发展,促进了电子式多费率电能表的使用.2002年,国家发展改革委正式发布推荐使用分时计费的产业政策.在市场的推动下,电子式电能表发展迅猛.由于电子式电能表具有数字通信接口,促使电能计量及用电管理自动化系统得到了大量使用（负荷控制系统、远程抄表系统）,各类抄表系统的可靠性、实用性有了较大提高.近年电力需求紧张,使负荷控制得到了一定的发展.即使将来电力充足,从节能环保角度而言,负荷控制产品仍然具有实际意义.随着电力部门对用电政策的调整,国家逐步推行分时电价等政策,国内民用电能表的市场需求正在悄悄地从以感应式电能表为主体向以电子式电能表为主导转变,具体表现为从普通功能型电能表向长寿命、多费率、多功能、高科技型电能表方向过渡.从这一角度考虑,研究该课题也是有很重要的现实意义的.
1基本理论
1.1基本概念
1.1.1正弦量的表示
电路中按正弦规律变化的电压或电流统称为正弦量.对正弦量的数学描述,可以采用正弦函数,也可以用余弦函数.
以电流为例,对于已选定的参考方向,正弦量的一般解析式为
i（t）=Imcos（ωt+ψi）（1.1）
其中Im,ω,ψi称为正弦量的三要素.Im是正弦量的振幅,是正弦量瞬时值中的最大值.随时间变化的角度（ωt+ψi）称为正弦量的相位角,简称相位.ω称为角频率,反映正弦量变化的快慢,与频率f和周期T的关系为
ωT=2π,ω=2πf,f=1/T（1.2）
ψi称为初相,反映正弦量在计时起点的状态.
1.1.2相位差
电路中常引用”相位差”的概念描述两个同频正弦量之间的相位关系,用Φ来表示.例如,有两个同频正弦电流
i1（t）=I1mcos（ωt+ψ1）（1.3）
i2（t）=I2mcos（ωt+ψ2）（1.4）
电流i1（t）和i2（t）之间的相位差为
Φ=（ωt+ψ1）-（ωt+ψ2）=ψ1-ψ2（1.5）
可见同频正弦量在任意时刻的相位差等于它们的初相之差,与时间无关.Φ>0表示i1（t）较i2（t）超前Φ角度;Φ<0表示i1（t）较i2（t）滞后Φ角度;Φ=0表明i1（t）与i2（t）同相;Φ=π/2表明i1（t）与i2（t）正交;Φ=π表明i1（t）与i2（t）彼此反相.
1.1.3正弦量的有效值
周期量的有效值:
若一个周期量和一个直流量,分别作用与同一个电阻,如果经过一个周期的时间二者产生相等的热量,则这个直流量就称为这个周期量的有效值.从数学式看,周期量的有效值等于它的瞬时值的平方在一周期内的平均值的算术平方根.对正弦电流i（t）=Imcos（ωt+ψi）,它的有效值I=0.707Im.
1.1.4正弦交流电路中的功率
为方便起见,设一负载两端的电流初相为0º,电压和电流之间的相位差Φ,则它们可分别表示为
u（t）=Umcos（ωt+Φ）（1.6）
i（t）=Imcosωt（1.7）
那么,其接收的瞬时功率为
p（t）=u（t）i（t）=UmImcos（ωt+Φ）cosωt（1.8）
根据cosxcosy=（1/2）[cos（x-y）+cos（x+y）],式1.8可写为
p（t）=（1/2）UmIm[cosΦ+cos（2ωt+Φ）]
=1/2UmImcosΦ+1/2UmImcos（2ωt+Φ）（1.9）
=UIcosΦ+UIcos（2ωt+Φ）
其中U和I即电压与电流的有效值.
从上式1.9可以看出,瞬时功率p（t）有时为正,有时为负.p（t）>0时表示负载吸收功率,p（t）<0时表示负载送出功率.瞬时功率由两部分组成:
一部分为1/2UmImcosΦ,是与时间无关的恒定分量;另一部分是1/2UmImcos（2ωt+Φ）,是随时间按2ω变化的交变分量.下面引入关于功率的3个重要概念.
（1）有功功率是瞬时功率在一个周期内的平均值,用P表示.由式1.9可以看出,1/2UmImcosΦ是与时间无关的恒定分量,而1/2UmImcos（2ωt+Φ）,是随时间按2ω变化的交变分量,它在一整个循环周期内的平均值为零.故得有功功率为
P=1/2UmImcosΦ=UIcosΦ（1.10）
该式说明有功功率不仅与电压和电流的有效值有关,而且与它们之间的相位差Φ有关.若Φ>90º,则有功功率P为负值,说明负载对外提供能量;若Φ<90º,则有功功率P为正值,说明负载消耗外部给它提供的能量.
（2）无功功率是用来表明该电路能量交换的最大量值的,用Q表示.利用三角公式,式1.9可写作
p（t）=UI[cosΦ+cos（2ωt+Φ）]
=UI[cosΦ+cosΦcos2ωt-sinΦsin2ωt]
=UIcosΦ（1+cos2ωt）-UIsinΦsin2ωt（1.11）
以上所示的两个分量绘出如图1.1所示.第一个分量为非负的,其平均值即为有功功率UIcosΦ,这一分量是负载所消耗的功率.第二个分量则以角频率2ω在横轴上下波动,其平均值为0,振幅为UIsinΦ,这一分量表明负载与外部电路间存在着能量往返的情况,因此它的振幅即定义为无功功率Q,即
Q=1/2UmImsinΦ=UIsinΦ（1.12）
由此可见,无功功率的大小反映了负载与外部电路进行能量交换的程度.
（3）视在功率就是电压和电流的乘积的一半,用S表示.
S=1/2UmIm=UI（1.13）
所以有,
S²=P²+Q²（1.14）
有功功率一般是小于视在功率的,也就是说要在视在功率上大一个折扣才能等于有功功率.这折扣就是cosψ,称为功率因数.也就是说有功功率与视在功率的比值即为功率因数,用λ表示.
λ=P/S=cosψ（1.15）
p
UIcosΦ
P
ωt
Oπ2π
（a）
p
能量流入负载
UIsinΦ
ω
Oπ2π
能量流出负载
（b）
图1.1瞬时功率的两个分量
1.2全数字运算方案实现功率计算的实现理论
A/D
转换器
电流
传感器
负
载
由上所述可知,有功功率UIcosΦ,就是负载所消耗的功率,而有功功率UIsinΦ,则是负载与外部电路进行能量交换的功率,负载并没有消耗它.因此,从能量的角度考虑,衡量用户用电多少的标准应是有功功率.它应是本设计----智能电功率表测试的主要参数.
i（t）
相乘
u（t）i（t）
低通
滤波器
有功功率
UIcosΦ
电压
传感器
A/D
转换器
u（t）
p（t）=u（t）i（t）
UIcosΦUIcosΦ
tt
图1.2实现功率计算的全数字运算方案
由式1.10可知,有功功率不仅与电压和电流的有效值有关,而且与它们之间的相位差Φ（即功率因数）有关.电流和电压的有效值只要通过电流表和电压表测量就可以得到.但功率因数却没那么容易知道,只能间接获得.从式1.9可以看出,瞬时功率有两个频率分量:
直流分量UIcosΦ和2ω频率分量UIcos（2ωt+Φ）.直流分量UIcosΦ恰好是有功功率.因此,瞬时功率p（t）通过低通滤波器后,就可以滤除2ω频率分量,只通过直流分量UIcosΦ,从而得到负载的有功功率.从这一思路出发,就可以得到实现功率计算的全数字运算方案如图1.2.
由图1.2可知,首先将负载两端的电压和电流通过传感器和A/D转换器得到数字化的瞬时值,再将两者相乘得到瞬时功率p（t）=u（t）i（t）,然后通过数字低通滤波器就可以滤除2ω频率分量,只通过直流分量UIcosΦ,从而得到负载的有功功率.这一过程都是采用全数字运算得到的,可以发挥数字电路准确度高和长期稳定性的优势.
1.2.1纯正弦电压和电流
根据以上推导可知,这种计算方法对于电压和电流信号同相和不同相的情况都是有效的.图1.3示出了相移功率因数（PF）等于1和0.5两种情况,后者也就是电流信号滞后于电压信号60º.
图1.3用瞬时功率信号的直流分量表示有功功率信息PF<1
1.2.2非正弦电压和电流
在实际应用中,所有电压和电流波形都会含有一定的谐波成分,瞬时电压和电流可用傅立叶变换表达成它们谐波成分之和:
∞
v（t）=V0+ΣVh*sin（hωt+αh）（1.16）
h≠0
式中:
v（t）——瞬时电压
V0——电压平均值
Vh——h次电压谐波最大值
αh——h次电压谐波的相位角
∞
i（t）=I0+ΣIh*sin（hωt+βh）（1.17）
h≠0
式中:
i（t）——瞬时电流
I0——电流平均值
Ih——h次电流谐波最大值
βh——h次电流谐波的相位角
利用式1和2,有功功率P可以用它们的基波有功功率P1和谐波有功功率PH之和表达.
P=P1+PH
其中:
P1=V1*I1cosψ1
ψ1=α1-β1（1.18）
∞
PH=ΣVh*Ih*cosψh
h≠0
ψh=αh-βh（1.19）
从式1.19可以看出,由电压和电流波形提供的各次谐波都产生谐波有功功率分量.从前面已看出,在纯正弦波情况下功率因数的计算是精确的,而谐波是由一系列纯正弦波组成的,它们通过低通滤波器后,二倍频分量均无法通过,都只有直流分量通过.因此谐波功率因数和有功功率的计算也是正确的.
2设计方案
2.1方案选择
由图1.2可以看出,实现功率计算的全数字运算方案主要包括A/D转换,数字相乘和数字滤波三部分.因此,智能电功率表的设计可大体分为三类方案.
2.1.1方案一-----A/D转换器和MCS-51单片机
大家都知道,MCS-51单片机内部有中央处理器（运算器、控制器和寄存器）和存储器,因此可进行数字相乘和滤波运算,但由于其内部没有A/D转换器,所以需要和专门的A/D转换器配套使用.其原理框图如图2.1所示.
用MCS-51单片机实现数字相乘,滤波和系统控制
A/D
转换器
电压电流传感器
电压
电流
图2.1用A/D转换器和MCS-51单片机实现电功率表方案
负载的电压和电流传感器产生的可识别电压信号先经过A/D转换器,转换为全数字信号,然后用MCS-51单片机编程实现数字相乘和滤波,从而得到数字化功率信息,并产生系统所需控制信号,完成整个系统的功能.但由于MCS-51单片机的运算速度有限,这一方案的实现难度较大.
2.1.2方案二------专用电能计量芯片和单片机
随着电子电表的快速发展,目前市场上出现了很多种专用电能计量芯片,众多国际芯片厂商均推出了自己的产品.如,CirrusLogic公司推出的CS546╳系列,ADI公司生产的ADE77╳╳系列,上海贝岭公司的BL65╳╳系列和BL09╳╳系列,珠海炬力集成电路设计有限公司的ATT702╳系列等.它们的基本原理和基本功能是一样的,都含有A/D转换,数字相乘和滤波部分,且均有数字-频率转换部分,将计算得到的数字功率信号转化为频率,输出相应频率的脉冲信号.只是它们在具体功能上有所不同,比如,ADE7751可实现单相有功计量，防窃电，脉冲输出;ADE7752是防窃电三相电能计量IC;ADE7753带串行接口和脉冲输出高精度有功和视在能量;ADE7754是数字校准多功能三相电能计量IC;
ADE7755可实现单相有功计量，脉冲输出;ADE7756带串行接口单相有功计量;ADE7757集成晶振以及马达驱动电路的电能计量芯片;ADE7758含有谐波分量时无功功率的计量;
ADE7759高精度全电子式电能表的电能计量;ADE7761是数字校准多功能三相电能计量IC.又如,单相计量产品BL6503、单相防窃电计量产品BL6501、三相计量产品BL0952及带各项输出指示的三相产品BL0962等.它们之中有些只提供有功功率,有些则还提供无功功率,视在功率,电流和电压有效值等更多电能参数.利用这类专用电能计量芯片和MCS-51单片机配合使用,可以很方便地开发出一些应用系统.图2.2便是这类方案的原理框图.
用MCS-51单片机实现系统控制
电压电流传感器
专用电能计量芯片
电压
电流
图2.2用专用电能计量芯片和MCS-51单片机实现电功率表方案
由图2.2可知,负载的电压和电流传感器产生的可识别电压信号直接经过专用电能计量芯片产生频率与负载功率成正比的脉冲信号,然后用MCS-51单片机对此脉冲进行计量,从而得到负载功率,并产生系统所需控制信号,完成整个系统的功能.目前市场上也大多采用这类方案.
2.1.3方案三------MSP430FE42x系列
微控制器（MCU）-MSP430FE42x系列是TI公司生产的用于电子式电能表的片上系统，它具有完全可编程的通信功能，完全能满足从事开发诸如测量值自动读取（AMR）、智能卡预付和多费率计费等具有复杂功能的电子式电能表制造的需要。
它具有高性能的16-位RISC结构指令的CPU,可实现实时信号处理和多任务计算处理;其内部集成有SCANIF模块,可以检测信号,并实现A/D转换,最终实现低功率测量.因此,可以对其编程,使它实现从A/D转换到数字相乘和滤波的全部数字处理过程,从而产生数字化的功率信息,在此基础上产生系统所需控制信号,完成整个系统的功能.于是得出图2.3的原理框图.
用微控制器（MCU）-MSP430FE42x实现A/D转换,数字相乘和滤波及系统控制
电压电流传感器
电压
电流
图2.3用微控制器（MCU）-MSP430FE42x实现电功率表方案
出于成本和难度考虑,本设计采用方案二,并选择使用专用电能计量芯片ADE7755实现.
2.2专用电能计量芯片ADE7755介绍
专用电能计量芯片ADE7755是一种高准确度电能测量集成电路,其技术指标超过了IEC1036规定的准确度要求.ADE7755只在ADC和基准源中使用模拟电路,所有其它信号处理都使用数字电路,这是ADE7755在恶劣环境条件下仍能保持极高的准确度和长期稳定性.
图2.4ADE7755的功能框图
ADE7755引脚F1和F2一较低频率形式输出有功功率平均值,能直接驱动机电式计度器或与微控制器（MCU）接口.引脚CF以较高频率形式输出有功功率的瞬时值,用于校验或与MCU接口.ADE7755内部包含一个对AVDD电源引脚的监控电路.在AVDD上升到4V之前,AD7755一直保持在复位状态.当AVDD降至4V以下,ADE7755也被复位,此时F1,F2和CF都没有输出.内部相位匹配电路使电压和电流通道的相位始终是匹配的,无论通道1内的高通滤波器（HPL）是接通的还是断开的.内部的空载阀值特性保证ADE7755在空载时没有潜动.ADE7755有24脚DIP和SSOP两种封装.图2.4是ADE7755的功能框图.
2.2.1工作原理
两个ADC对来自电流和电压传感器的电压信号进行数字化,这两个ADC都是16位二阶模数转换器,过采样速率达900KHZ.ADE7755的模拟输入结构具有宽动态范围,大大简化了传感器接口（可以与传感器直接连接）,也简化了抗混叠滤波器的设计.电流通道中的PGA进一步简化了传感器接口.电流通道中的HPF滤掉电流信号中的直流分量,从而消除了由于电压或电流失调所造成的有功功率计算上的误差.
由式1.9可知,只要对瞬时功率信号进行低通滤波就可以得到有功功率信号（即瞬时功率信号的直流分量）.图2.5示出了瞬时有功功率信号如何通过对瞬时功率信号进行低通滤波来获取有功功率,这个设计方案也能正确计算非正弦电流和电压波形在不同功率因数情况下的有功功率.所有信号处理都是由数字电路完成的,因此具有优良的温度和时间稳定性.
ADE7755的低频输出是通过对上述有功功率信息的累计产生,即在两个输出脉冲之间经过长时间的累加,因此输出频率正比于平均有功功率.当这个平均有功功率信息进一步被累加,就能获得电能计量信息.CF输出的频率较高,这对于在稳定负载条件下进行系统校验是很有用的.
图2.5信号处理框图
2.2.3高通滤波和失调影响
图2.6示出了失调对有功功率计算的影响,由图可见,通道1和通道2的失调信号相乘后将产生一个直流分量.由于这个直流分量要通过低通滤波器（LPF）产生有功功率,因此失调将对有功功率产生一个固定的误差.为避免这问题,只要把通道1中的HPF设置成选通（即引脚AC/DC置高电平）就行了.至少一个通道的失调消除后,相乘就不会产生直流误差分量.对于含有cos（ωt）的误差项通过LPF和数字频率转换器消除.
图2.6通道失调对有功功率计算的影响
[Vcos（ωt）+VOS]*[Icos（ωt）+IOS]
=（V*I）/2+VOS*IOS+VOS*Icos（ωt）+IOS*Vcos（ωt）+（V*I）/2*cos（2ωt）
通道1的HPF与相位响应相关联,但它在片内已得到补偿.当HPF设置为选通时,相位补偿自动起作用;当HPF无效时,相位补偿也无效.图2.7和图2.8示出了相位补偿网络有效时的两个通道之间的相位误差.从图上可见,ADE7755的相位补偿可达1KHZ,这就保证了在低功率因数下对谐波功率计算的正确.
图2.7通道间的相位误差（0～1KHZ）图2.8通道间的相位误差（40～70HZ）
2.2.4数字-频率转换
如前所述,相乘后低通滤波器的数字输出包含有功功率信息,而这个LPF不是理想滤波器,因此输出信号仍含有经衰减的线路基波和谐波频率成分,即cos（hωt）,其中h=1,2,3,······.
该滤波器的幅频响应特性为
|H（f）|=1/（1+f/8.9HZ）（2.1）
在线路频率为50HZ情况下,对2ω（100HZ）成分的衰减大约为-22dB,这是两倍于线路频率的主谐波,即cos（2ωt）,这是由瞬时有功功率引起的.
图2.9示出了LPF输出的瞬时有功功率信号还包含了相当大的瞬时功率信息,即cos（2ωt）.这个信号通过数字-频率转换器,随时间被积分（累加）,进而产生输出频率.这种累加起到平均作用,将抑制了瞬时有功功率信号中的非直流成分,正弦信号的平均值等于零.因此,ADE7755产生的频率与平均有功功率成正比.在稳定负载（即恒定电压和电流）条件下的数字-频率转换如图2.9所示.
图2.9有功功率到频率的转换
从图2.9可见,即使在稳定负载条件下CF输出频率仍随时间变化,这种频率的变化主要是由瞬时有功功率信号中的cos（2ωt）成分引起的。
CF能以较高的频率输出,是因为在对瞬时有功功率进行累加完成频率转换的过程中,采用了较短的累加时间.较短的累加时间意味着减弱了对cos（2ωt）的平均作用,于是部分瞬时有功功率信号成分通过了数字-频率转换器,但这在实际应用中不成为问题.当CF用于校验时,CF输出频率还应该用频率计度器进一步平均,以消除纹波.如果CF用于带微处理器的电能计量场合,CF也应该进行平均后在计算功率.F1和F2以很低的频率输出，对瞬时有功功率已有足够的平均作用,因此大大衰减了正弦成分,获得几乎无纹波的输出.
2.2.5传递函数
ADE7755通过计算通道1和通道2两个输入电压的乘积,然后对乘积进行低通滤波,获得有功功率信息.再将这个有功功率信息进一步转换成频率,以低电平有效的脉冲信号从引脚F1和F2输出.这个脉冲信号的频率是相当低的.这意味着,这个输出频率与平均有功功率成正比,有功功率的平均过程是隐含在数字-频率转换中完成的.输出频率与输入电压大小有关,由式2.2确定:
F=（8.06*V1*V2*G*F1-4）/VREF²（2.2）
式中:
F——引脚F1,F2输出的脉冲频率（HZ）
V1——通道1差动输入电压有效值（V）
V2——通道2差动输入电压有效值（V）
G——1,2,8,16,取决于PGA的增益,由G0和G1的逻辑输入确定
VREF——基准电压（2.5V±8%）（V）
F1-4——由主时钟CLKIN分频获得,分频系数由S0和S1确定,见表2.1
表2.1F1-4的频率选择（CLKIN=3.579MHZ）
2.3设计原理及框图
根据专用电能计量芯片ADE7755的引脚CF输出脉冲的频率与瞬时有功功率成正比的原理,将AD7755的引脚CF输出的脉冲送入51单片机（MCU）中进行计算处理,就可以算出负载功率,再利用51单片机将该数据显示,还可以分析该数据,发出相应的控制信号.例如,可以判断该功率是否大于某一固定值,若是,则切断负载,这样就可以实现对用户的过载监控.又如,利用AD7755的引脚REVP,在一定程度上可防止用户窃电.保留RS232接口可以实现与计算机通信,完成更加强大的远程功能.由此可见,计算负载功率是最基本最首要的功能模块,其在线测量,在线监测等功能均是在此基础上利用51单片机扩展得到的.由此,我们可以得出本设计的原理框图,如图2.7所示.
本设计利用电阻分压网络将负载两端的电压以适当比例接入ADE7755的电压通道,利用分流器将负载两端的电流转换为电压信号送入ADE7755的电流通道.ADEE7755将得到的电压、电流信号进行相乘滤波处理后,得到频率与负载瞬时有功功率成正比的脉冲信号,将其送至引脚CF.51单片机对该脉冲信号计量,计算出负载瞬时功率送至LED显示,也可根据具体情况发出信号控制负载的通断.在51单片机上保留RS232接口,可实现与计算机通信,从而组成网络控制系统,执行计算机发出的各种远程控制.
AD7755
分流器
分压电路
电源
控制
LED
显示
RS232
接口
MCU
脉冲
负载
+5V
+5V
零线
火线
图2.7原理
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