電能表中通訊接口電路的設計以及實現(xiàn)

1、電能表中通訊接口電路的設計以及實現(xiàn) 隨著電力和電子產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展,及用戶和電力公司對電能表的要求愈來愈高,電能表作為用戶和電力公司交易平臺,其作用至關重要。電能表作為衡量電能的計量儀器,其技術性要求很高,既要求精確、更要求穩(wěn)定,并保證長期可靠運行,并且隨著我國電力市場的逐步建立和完善,電力系統(tǒng)越來越復雜,作為電力系統(tǒng)重要組成部分的電能表受到了越來越多的關注。為了滿足各方面的需求,電能表設計也朝著復費率、精確計量、智能化和網(wǎng)絡化的方向發(fā)展,在工業(yè)用戶的電力系統(tǒng)中,電能表從性能上還要滿足惡劣的工作環(huán)境,電壓高、電流大、負荷重等條件。但我國早先普遍使用的感應式電表存在精度差、功耗大、受諧波影響大等問

2、題,在用電計費上給國家?guī)砹撕艽蟮膿p失。隨著電子技術發(fā)展和現(xiàn)代電力應用,電能表專用計量芯片如att7022b、att7022c也隨即而出,從某種程度上提高了電能計量精度,簡化了電度表設計結構,功能上也得到了更多的擴展1。但是為了提高電力管理部門工作效率,實現(xiàn)遠程控制、自動抄表等,那么高精度智能電能表才是今后市場的迫切所需。 本系統(tǒng)采用專用計量芯片來檢測電信號,配以微控制器(mcu)編程實現(xiàn)多種功能。檢測部分由精密電流互感器、電壓互感器和外圍處理電路組成,從而得到電流、電壓、頻率、相位等電網(wǎng)的實時參數(shù),經(jīng)計量芯片att7022b處理,并使用fpga實現(xiàn)其通信,將計量得到各種電網(wǎng)參數(shù)進行處理和相應

3、的存儲,最后通過液晶顯示屏顯示或通過通信模塊(rs-485或紅外)進行遠程通信和紅外抄表。 1.spi通信接口 本論文設計的spi接口電路連接可以參考圖1,att7022b的spi通信格式是相同的,8位地址,24位數(shù)據(jù),msb在前,lsb在后。cs為片選,允許訪問串口的控制線,cs由高電平變?yōu)榈碗娖绞潜硎緎pi操作開始,cs由低電平變?yōu)楦唠娖綍r表示spi操作結束,所以每次操作spi時cs必須出現(xiàn)下降沿,cs出現(xiàn)上升沿時表示spi操作結束;din為串行數(shù)據(jù)輸入,用于把用戶的數(shù)據(jù)(如數(shù)據(jù)/命令/地址等)傳輸?shù)絘tt7022b;dout為串行數(shù)據(jù)輸出,用于從att7022b寄存器讀出數(shù)據(jù);sclk為

4、串行時鐘,控制數(shù)據(jù)移出或移入時串行口的傳輸率,上升沿放數(shù)據(jù),下降沿取數(shù)據(jù)。sclk下降沿時將din上的數(shù)據(jù)采樣到att7022b中,sclk上升沿時將att7022b的數(shù)據(jù)放置于dout上輸出。 spi讀操作時序圖如圖2。att7022b的計量參數(shù)以及校表參數(shù)寄存器是通過spi 提供給外部fpga來進行處理。 其命令格式為 7 6 5 4 3 2 1 0 bit7:0表示讀命令,用于讀取att70 22b的計量及校表寄存器。 bit7:1表示寫命令,用于更新校表數(shù)據(jù)。 bit60:表示數(shù)據(jù)地址,可參考數(shù)據(jù)輸出寄存器。 spi讀工作過程中,通過spi寫入一個8bits的命令字之后,需要一個等待時

5、間,然后才能通過spi讀取24bits的數(shù)據(jù)。在sclk低于200khz時,可以不需要等待;當sclk頻率高于200khz時,則需要等待大約3us。 spi寫操作時序圖如圖3。外部處理器可通過spi對att7022b的校表寄存器進行寫操作。 其命令格式為 7 6 5 4 3 2 1 0 bit7/6:1 0表示寫命令,用于更新校表數(shù)據(jù)寄存器。 bit7/6:1 1表示寫入特殊命令字。 bit7: 0表示讀命令,用于外部處理器讀取att7022b的計量數(shù)據(jù)。 bit50:表示數(shù)據(jù)地址,可參考校表寄存器。 spi寫工作過程中,通過spi寫入一個8bits的命令字之后,不需要一個等待時間, 繼續(xù)通過

6、spi寫入24bits的數(shù)據(jù)即可。 2.實驗及其結果 校表是對各相電流增益、電壓增益、功率增益、相位進行補償,功率增益不要分段。相位校正可根據(jù)精度要求,考慮分段或不分段進行。分段是按電流的大小來分,對相位校正,最多可分五段進行。att7022b做軟件校表時,一般來說電壓、電流校正,啟動電流設置,斷相閾值電壓設置,均沒有順序上的要求,但在進行功率增益校正時,應先設置合相能量累加模式(這個步驟也可省去,直接使用缺省值)、電壓通道adc增益和高頻輸出參數(shù),這是功率校正的條件,而后先作功率增益校正,再進行相位校正,相位校正是在完成功率增益校正后進行的。所有校正都是在相應的校表寄存器參數(shù)為零的條件下進行

7、的2。 電能表主要功能是計量有功無功電量,對其精度的測試是判斷產(chǎn)品是否滿足設計要求首要條件,常用的測試方法是用精度更高的表(稱作標準表)做參考,觀察其與標準表的誤差有多大,并把誤差大小作為判斷其合格與否的重要參數(shù),圖4 為誤差測試圖,該實驗主要是對有功、無功、電壓、電流、頻率等參數(shù)進行測試。這些數(shù)據(jù)都通過spi通訊接口傳輸出來。所以只要能正確獲得相關參數(shù)數(shù)據(jù),那么就能驗證spi設計的正確性。 精密電源臺提供電壓、電流分別給電能表與精度為萬分之五(0.05級)的標準表,通過標準表可測試有功、無功功率的誤差。通過電能表lcd顯示器可讀取電壓、電流、頻率值,并與電源顯示的標準值進行比較,計算出誤差。對電壓、電流、頻率的測試過程是:讀取電源臺顯示的電壓、電流、頻率值,同時通過lcd讀取電能表顯示的電壓、電流、頻率值,將測試的數(shù)據(jù)計算出相對誤差與絕對誤差。因以前沒有電能表顯示電壓電流值的國家標準,根據(jù)1級表的概念,電壓、頻率的相對誤差應小于1%,由于電流屬于電能中變化范圍非常寬的參數(shù),對其小信號的判斷不能按上述辦法,根據(jù)經(jīng)驗,電流的絕對誤差應小于0.1安培。表1記錄了電壓的測試結果,按照上述判斷依據(jù),電能表顯示的電壓值滿足標準要求。而且也表明本文所設計的spi工作穩(wěn)定可靠。 3.結論 本文提出在電能表設計中使用fpga實現(xiàn)