三相电电能计量与状态监测系统设计

陈享成，高基豪，刘成

（郑州铁路职业技术学院，河南郑州，450000）

0 引言

三相供电系统由于结构简单、可靠性强、容量大等优点，已经成为工厂、楼宇等场所的主要供电方式。三相供电系统的状态监测和电能计量一直是人们比较关心的问题，随着物联技术和集成电路技术的不断发展，各种形式的远程电能计量设计方案层出不穷，如基于电力载波的远抄表技术等。本文在完成现有方案调研的基础上，设计了一种基于Air724UG 模组的远程三相电电能计量与状态监测系统。与传统设计方案相比，本方案摈弃专用电能计量芯片，引入瞬时功率理论后，在线计量实时功率，再以积分形式计算出电能。在现成采样电路基础上，通过构造电压信号计算得到相电压有效值，最后本文通过实验验证了方案的有效性。

1 原理与设计

为了兼容三相供配电系统中三相三线制和三相四线制接线方法，本文首先将电压互感器一次侧接成星形，同时在二次侧构造有源人工中性点，使其满足三线制和四线制接线需要。电流互感器一次侧接电流主回路，二次侧中线接至上述人工中性点，使其与电压参考点相同。需要注意的是，为了提高系统抗干扰性，本文在互感器二次侧接入高精度、低温飘电阻，构成星型负载网络，使其负载电流达到互感器标定的额定电流。考虑到采集电路的实时性和准确性，本文选用内置12 位高精度ADC 的STM32F407 系列微处理器，并将其配置成三重ADC 采样模式。

完成电网侧电压、电流采样后，本文引入瞬时功率理论完成对有功功率、无功功率、复功率的计算，并保存至对应的数组里。最后以串口通信的形式将计量到的电能传递给Air724UG 模组，4G 模组将数据解析成json 格式，并上传到服务器供用户访问。

系统整体设计框图如图1 所示。

图1 系统整体框图

2 电能计量理论分析

设三相电压、电流时域表达式分别如式(1)、(2)所示，U、I分别表示电压、电流的幅值。

在三相静止坐标系中，瞬时有功功率、瞬时无功功率可表述为下式：

因为有功功率p为实际计量部分，因此本文忽略无功功率部分，只对p进行时域积分得到电能W。

3 相电压幅值计算原理

式中v为单相电压值，qv和相电压v相差90°，考虑到相电压谐波、扰动等因素，本文采用经典的SOGI 获得qv信号，再通过均值滤波，即可得到最终的相电压有效值。

4 硬件电路设计部分

4.1 电压采样部分

电压采样部分采用三个专用电流型电压互感器PT，为兼容三相供配电系统中三线制和四线制的连接方法，本文在一次侧进线端口构造出星型纯阻性负载，并将星型中点连接至外接端子，三线制接法可不连接此中点，四线制接法则需要将中点连接到N 线上，电路如图2 所示。

图2 三相电压采样电路图

图2 中，VCC 为测量系统的电源正极，为提高测量准确性，本文同样在二次侧接入星型纯阻性网络，电阻值为330k，同时，利用VCC 构造人工中性点VN，并将其与星型网络N 点接至VN，以防止中点飘移。

4.2 电流采样电路

电流采样电路同样采用专用电流互感器CT，需要注意的是CT 一次侧至少需要缠绕一匝线圈，二次侧需要接电阻性负载，以保证一次侧电流和转换得到的二次侧电压同相位，二次侧电流采样电路如图3 所示。

图3 三相电流采样电路

对于三相系统来说，需要将二次侧连接成星型网络。同理，星型网络的中点连接至上述电压采样电路的人工中性点VN。

4.3 电源电路

考虑到工控单元供电形式多为DC24V，因此，本文采用开关型电源芯片LM2756 构成第一级DC-DC 电路，首先将DC24V 转换成DC5V，末级采用线性LDO 芯片AMS1117 将DC5V 转换成DC3.3V，供微处理器电路使用。设计电路如图4 所示。

图4 系统供电电路

4.4 Air724 模组电路

Air724UG 是合宙通信推出的超小封装 LTE Cat.1 bis 模块，基于紫光展锐先进的UIS8910 平台，Air724UG 支持多种操作平台，工业级标准接口丰富，支持LCD、Camera、SPI、键盘等多种外设，内置丰富的网络协议，集成多个工业标准接口。随着集成电路技术的发展，Air724UG 已经广泛应用在路由器、车载、安防以及工业级 PDA 等。为减小硬件体积，本文采用USB 调试模式，关键电路如图5 所示。

图5 Air724UG模组主电路

5 实验部分

5.1 测试条件与仪器

本文采用的标准源为WTT360 三相多功能电能表检定装置，准确度等级为0.05 级，该装置满足JJG597-2005《交流电能表检定装置检定规程》、JJG596-2012《电子式交流电能表检定规程》等多项规程，满足电子式电能表的检定、校验和功能试验。其电压输出形式为3*（0～380），电流输出形式为3*（0～100A），电压电流相位可在0～2π 范围内任意调节。

5.2 测量内容及分析

本文设置标准功率源的相电压为220V，相电流不超过10A，分别取cos=0.8 和cos=0.5 两种不同功率因数对本装置进行测量，为体现计量过程，本文只给出有功功率的测量结果，在定步长离散系统中，对有功功率p积分即可得到电能W，测试结果如表1 和表2 所示。

表1 cos=0.8时的测试数据

表2 cos=0.5时的测试数据

通过不同功率因数下有功功率和标准源有功功率的对比可知，本系统设计方案测量结果的相对误差较小，可有效采集三相供电系统的有功功率。本方案硬件电路设计合理，实用性强，在此基础上，若增加16 位ADC转换芯片，系统采样精度将进一步提升。

此外，本文以a 相为例，给出电网相电压有效值监测数据，通过公式(4)得到的相电压有效值如图6所示，横轴为时间t/s，纵轴为电压U/V。可见，系统能快速跟踪电压幅值，且无超调量。同理，借助于三相电压采样电路，可快速得到其它两相相电压有效值，达到实时监测电网电压不平衡、缺相等特殊情况。

图6 a 相电压有效值测量图

6 结论

本文充分考虑电网电能计量和状态监测的实际需要，设计了三相电电能计量和监测系统，其中，硬件部分采用标准的电压互感器、电流互感器、微处理器等，无需专用电能计量芯片。为提高测量系统的稳定性和可靠性，本文构造出人工中性点VN，将其与互感器二次侧星型中点连接，可有效防止中点漂移。本文通过采样电路获取三相系统的电压、电流瞬时值，再根据瞬时功率定义即可计算出实时功率，考虑到计量需要，只上传有功功率。电网相电压有效值一直是电网监测的主要内容，本文无需专用的有效值转换芯片，只需通过SOGI 得到与相电压相差90°的电压信号qv，利用有效值计算公式即得到相电压有效值。最后，本文通过标准功率源WT-T360 对样机进行功率测试，测试数据表明本系统计量的有功功率相对误差较小。此外，系统微处理器将计量数据和监测数据通过串口形式打包发送给4G 模组Air724UG，即可将数据上传至服务器，通过物联网技术实现远程监控，综上所述，本文所提出的方案硬件成本低，计量值准确，功能完善，具有一定的推广价值。