智能电网电能计量模块设计

2014-11-10郭利进

网络安全与数据管理 2014年14期

刘政，郭利进

(天津工业大学电气工程与自动化学院，天津300387)

1 电能计量核心技术研究

1.1 电能计量原理

电能计量是对电能有功功率的计量，是电压和电流乘积的结果[1]。计量芯片中将采样电压、采样电流经A/D转换器转化为数字信号后做乘法运算，然后将运算结果通过滤波器滤波得到有功功率瞬时值，再经过数字频率转化器输出脉冲信号，供主控芯片计量。电能计量是智能电能表的核心，而电能计量的核心是乘法器。乘法器的类型有数字和模拟两种，方案中选用的AD7755内部的乘法器是数字乘法器，这样可以增加系统抗干扰能力。电能测量原理的通道结构框图及输出数字频率转化如图1所示。

电压和电流通道是由16位的二阶∑-△模/数转换器进行模数转化的通道，其速率高达900 kHz。电流通道带有PGA接口，简化了电流通道传感器的接口;并带有高频滤波器，可有效滤除直流信号的干扰，进一步减少了有功功率输出上的误差[2]。而电压通道相对简单，经ADC后可直接与处理信号后的电流信号相乘，结果再经低通滤波器进入数字频率转化输出。

图1 AD7755内部结构图及信号流向

通道中的电压信号和电流信号经计量芯片内部乘法器作乘积运算之后得到的是瞬时功率信号的值，而电能计量需要的是有功功率，因此就必须对瞬时功率进行转化得到有功功率的直流分量，电路中对瞬时功率信号进行低通滤波来获取有功功率平均值，获取信号前后变化如图2所示。获取有功功率分量的设计方案对于不同功率因素的非正弦电压/电流波形同样适用，信号处理都是数字电路，具有很好的稳定性[3]。

图2 瞬时功率与瞬时有功功率

1.2 电流通道和电压通道

电流通道采用电压完全差动输入，通道中的PGA使得接口范围扩大，其最大差动峰值可达470 mV。PGA的增益匹配如表1所示。

表1 通道1的增益选择

图3给出了电流通道的外接注意事项，要求最大差动电压为470 mV，共模电压峰值为100 mV，其 V1P接正输入端，V1N接负输入端。

图3 通道1的最大信号电平(G=1)

同电流通道一样，电压通道的最大差动电压峰值为660 mV，图4示给出了其外接要求示意图。

图4 通道2的最大信号电平

加在电压和电流通道上的差动电压信号必须以一个共模端作为参考点，如图4中的AGND。电压通道中共模电压为0 V时，测试效果达到最好。

1.3 功率因数的考虑

AD7755计量芯片对不同功率因素的非正弦信号同样适用[4]。当功率因素为0.5时，瞬时功率中的有功功率分量为：

含有谐波分量时，采用傅里叶变换公式来表达各电压、电流的谐波分量之和：

式中，V(t)为瞬时电压，V0为电压平均值，Vh为 h次电压谐波有效值，αh为h次电压谐波的相位角。

式中，i(t)为瞬时电流，I0为电流的直流分量，Ih为 h次电流谐波有效值，βh为h次电流谐波的相位角。

瞬时有功功率计算：

有功电能计算：

h次谐波视在功率：

h次谐波无功功率：

电压有效值计算：

电流有效值为：

有功功率为：

其中,φh=βh-αh。功率因数为：

2 硬件设计

2.1 电压电流采样模块

该系统中电压采样选用电阻分压的接法，电流采样选取锰铜片采样方式[5]。

2.1.1电压采样

电压通道采用电阻分压方式获得采样电压。选用5只200 kΩ，精度为1%的贴片电阻作为分压电阻。电压通道的最大输入差分电压为0.66 V。通过计算，取样电阻为1 kΩ。这种电阻分压网络的优势在于体积和重量都大大减小，方便设计和使用；分压网络的稳定性也大大提高，保证了该系统的测量精度。其结构图如图5所示。

2.1.2电流采样

锰铜片在主回路中的应用如图6所示。电流采样电路中用500 μΩ锰铜片作为采样器。当电流为20 A时，A、B两点的电压为 10 mV，电压通过 R10、R11以差动电压的形式加至ADE7755的V1P、V2P，差动电压远小于集成电路所能承受的最大差动输入电压。其电路连接如图7所示。

图5 电压采样结构图

图6 锰铜片在主回路中的应用图

图7 电流采样连接图

2.2 ADE7755外围电路

计量芯片AD7755的外围电路相对比较简单,关键在于匹配电压通道和电压通道的参数。该计量芯片的电压通道和电流通道都采用完全差动信号输入，电流通道的正常工作最大信号电平为±470 mV,而电压通道的正常工作最大信号电平为±660 mV,共模信号输入都不高于100 mV。它们4个引脚相对于AGND的最大信号电平为±1 V，并且内部都含有 ESD保护电路，可承受±6 V的过电压。其外部接线图如图8所示。图中的INT2、INT3是锰铜分流器分出的电流信号，E4是光耦芯片，把计量电路与MCU进行隔离，防止信号干扰。

该芯片供电电压为5 V±5%，综合考虑到系统功能和抗干扰性能设计，设计中在模块电源的市电电压上并联压敏电阻和串联热敏电阻，再采用阻容分压作为电源，然后通过稳压电路输出给计量芯片供电。

该计量芯片的电流通道中,电流采样通常有锰铜分流和电流互感器外加电阻、电容两种方式。为了方便,本设计中选用锰铜分流器取样，可以实现相电流有效抗直流。而电压通道的电压采样通常采用电阻分压或者电压互感器。但是电压互感器规模较大且成本较高，本设计中考虑到设计功耗、成本问题，采用电阻分压的方法实现电压采样。AD7755计量芯片的外部时钟晶振为3.579 545 MHz。