《基于ADE7758的电网监测仪表设计.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于ADE7758的电网监测仪表设计.pdf（3页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、2 0 o 8年 第 1 2期 仪表 技术 与 传 感器 I n s t r u me n t T e c h n i q u e a n d S e n s o r 2 0 08 No 1 2 基于 A DE 7 7 5 8的电网监测仪表设计 盛占石 ， 江博， 谭斐， 孙俊 ( 江苏大学电气信息工程学院， 江苏镇江2 1 2 0 1 3 ) 摘要： 在介绍 A D E 7 7 5 8多功能芯片特性的基础上， 提 出一种新型 电网监测 系统设计方案。该方案以计量芯片 A D E 7 7 5 8进行硬件电路设计， 以C 8 0 5 l f 1 D 2 0单片机作为系统处理器设计了相应的测量系统
2、软件， 并对 A D E 7 7 5 8的校准进 行 了研究。用三相精密测试电源对系统的测量精度进行了实验论证。实验结果表明： 该仪表具有较高的测量精度， 可以 满足 电能测量的精度要 求以及电力设备 实时监控 方面的要 求。 关键词 ： A D E 7 7 5 8 ； 监测 ； 校 准 中图分类号： T P 3 l 1 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 21 8 4 1 ( 2 o 0 8 ) l 2 0 0 3 8一O 3 De s i g n 0 f M O n i t 0 r i ng I n s t r u m e n t f l0 r P0 we r Ne t w0 r k
3、 Ba s e d 0 n ADE7 7 5 8 S HENG Z h a n s h i ， J I ANG B o ，TA N F e i ，S UN J u n ( S c h o 0 l o f E l e c t nc a I a n d I n f 0 m a t i o n E n g i n e e r i n g ， J i a n g s u U n i V e r s i t y ， z h e n j i a I I g 2 1 2 O 1 3 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ：A n e w d e s i g n o f mo n i t o
4、 r i n g s y s t e m wa s g i v e n b a s e d o n t h e i n t r o d u c t i o n o f AD I 7 5 8 p o l y p h a s e mu l t i f u n c t i o n e n e I g y me t e r i n g I C ADE 7 7 5 8 wa s u s e d t o me a s u r I C i n t h e h a r d w a I le d e s i g n， a n d t h e s i n g l e c h i p C 8 0 5l F 0 2
5、0 wa s u s e d a s t h e p m c e s s o r i n t h i s s y s t e m T h e n h o w t o c a I i b r a t i o n t h e ADE 7 7 5 8 s r e g i s t e r wa s i n t r o d u c e d I t s me a s u r e me n t a c c u mc y w a s v e r i 6 e d b y t h e t h r e e p h a s e p r e c i s i 0 n t e s t p o w e r e q u i p
6、 me n t ，a n d t h e r e s u l t s h 0 w s t h a t t h e me a s u r i n g i n s t n 】 me n t h a s h i g h e r me a s u r i n g a c c u r a c y I t s h i g h a c c u r a c y me e t s t h e r e q u i r e me n t s o f e n e r g y me t e r i n g a n d r e a l t i me mo n i t o r i n g e q u i p me n t
7、Ke y wO r d s ：ADE 7 7 5 8；mo n i t o r i n g；c a l i b r a t i o n 0引言 为了保证测量电网参数的精确性、 可靠性 和实时性 ， 研制 开发一种新型电网监测仪表， 可以对电网的各项参数进行实时 监测。目前电网参数的测量主要采用以下 2种方法， 一种是 传统的直接对电压、 电流进行采样， 通过软件编写来计算电网 的各种参数； 另一种是采用专门的电度芯片进行开发。传统方 法电路设计复杂， 精度受采样次数限制， 成本高。采用专门的 电能计量芯片的方法可以简化测量电路的设计难度， 缩短开发 周期、 提高测量精度 ， 也降低了开发成本。
8、系统采用后一种设 计方法。 l 系统总体设计 系统的设计以电能计量芯片 A D E 7 7 5 8为核心作为测量终 端， 以c 8 0 5 1 F 1D 2 0单片机为系统控制器， 整个系统结构框架图 如图 l 所示。A D E 7 7 5 8是一种高精度的电能计量芯片， 支持三 相三线和三相四线制接法， 在1 0 o O ：1的动态范围内的误差小 于0 1 ， 提供三相有功、 无功、 视在电能、 电压、 电流有效值等 处理值 ， 同时提供各种校准寄存器用于校准由于外部元器件引 起的误差， 具有6路 A D采样通道 ， 带 I R Q的 S P I 兼容的串行 通讯接口_ 2 j 。c 8 0
9、 5 l F o 2 O单片机有丰富的 0资源和多种功 能部件 ， 其中共有6 4个通用 L 0口、 2个 u A R T串行通信接 口、 1 个 S P I 接 口等 ， 可以满足系统设计的需要 。 基金项 目： 江苏省教育厅 自然科学 基金资 助项 目( 0 2 l ( J D 5 l 0 o 0 9 )； 江苏 大学高级人才科研启动基金( o 5 J D G 0 5 0 ) 收稿 日期 ： 2 0 0 7一l 01 5 收修改稿 日期 ： 2 o o 8一 O 9一 O 3 藿 苣 吕 蓉 一 8 图 1系统结构框架图 系统以 A D E 7 7 5 8计量单元完成 A D转换和数据处理
10、， 然 后通过 S P I 接 口将处理后的数据传送到单片机， 单片机再将从 A D E 7 7 5 8 获得的数据进一步分析处理 ， 实时地将数据送到液晶 屏显示 。为了保证电网的安全运行和监 测的实时性 ， 系统 采用 无线通信技术将实时检测到的电网故障信息发送到上位机接 收终端。可以通过 2 3 2通信和无线通信 2种途径将仪表中的 历史故障记录导出。继电器输出用于故障发生时驱动功率大 的扬声器进行报警。文中主要介绍整体框架 中基于 A D E 7 7 5 8 的电参数测量部分。 2 系统的硬件电路设计 A D E 7 7 5 8 有 6路模拟量输入， 分为电压和电流 2个通道。 电压、
11、 电流输入的前置通道如图2 、 图 3所示。图中仅以A相电 压、 电流为例， B相和 c相电压、 电流的前置电路分别与 A相电 压、 电流 电路完全相 同。由于 A D E 7 7 5 8的 A D c输 入范围是 一 0 5一+ 0 5 V， 所以用图2和图 3所示的变换单元把被测信 号转换为 A D E 7 7 5 8 A D c输入范围内的信号， 电路将原边负载的 电压和电流信号分别通过电压互感器和电流互感器进行转换 ， 再经过 R c电路将变换后的信号送到 A D E 7 7 5 8 ， 其中 R c电路 第 1 2 期 盛占石等： 基于A D E 7 7 5 8的电网监测仪表设计 3
12、 9 起到抗混叠的作用。 l B 2 J 4 l 【 AB f CT 图2电压前置电路 图 3电流前置电路 A D E 7 7 5 8的外围硬件电路如图4所示。图中的 R E F是片 内基准电压的输入输出引脚 ， 片内基准电压的标称值是 2 5 V 8 ， 典型温度系数是 3 0 p p n ( 1 p p m=1 0 ) 设计采用 内部基准源提供参考电压， 该参考电压对测量的精度影响很 大， 无论采用 内部基准源还是外部基准 源， R E F引脚都使用 l 的瓷介电容对 A G N D去耦。为了保证 A D E 7 7 5 8的正常工 作， 设计采用外接 1 0 MH z晶振， 为 A D
13、c和数字信号处理提供 主时钟。前置 的 电压 、 电 流通 道 的输 出信号 分 别连 接 到 A D E 7 7 5 8的对应引脚上， 提供模拟量输入信号。 图 4 AD E 7 7 5 8硬件连接图 图4中的 P o 3 、 P 0 2 、 P 0 4分别连接到单片机的 S P I 对应 引脚上， c s 作为单片机对 A D E 7 7 5 8的选择线 ， 实现 A D E 7 7 5 8和 c P u的数据传输。P 1 2为单片机的外部 中断引脚，c P u周期 性地读取 A D E 7 7 5 8的内部寄存器中的数据。 3 系统的软件设计 C 8 0 5 1 阳2 0单 片机 内部
14、程序流程图如图 5所示。整个系统 的软件部分采用模块化设计， 可以提高单片机的效率， 同时也 增强了程序的可读性和查找错误的方便性。单片机上电后首 先进行自身的初始化设置， 然后再对 A D E 7 7 5 8进行初始化。在 对 A D E 7 7 5 8进行设置时， 要注意 0 P M0 D E寄存器的 s wR s T位 的操作， 如果该位被置为 1 ， 则至少等到 1 8 s 后才能对其他寄 存器进行 配置， 否则将 不 能正 确配 置。在 中断 中实 施对 A D E 7 7 5 8的读操作， 由于 A D E 7 7 5 8内部有 中断状态寄存器和 中断屏蔽寄存器， 所以可以灵活地设
15、置需要的信息进行中断处 理 。 图 5 单片机 内部程序流程图 电网监测仪表需要对有功功率和无功功率等功率信息进 行分析， 但是 A D E 7 7 5 8内部没有功率寄存器， 只有有功、 无功和 视在电度寄存器， 所以采用 l s 读取 1 次对应的寄存器来获得 相应的功率值。有 2种方法可以实现 l s 定时读取 ， 一种是采 用单片机定时读取 ， 另一种是采用 A D E 7 7 5 8内部的 uN E c Y C 寄存器来产生定时中断 J 。采用单片机定时读取 A D E 7 7 5 8对 应的电度寄存器时， 由于 A D E 7 7 5 8内部的电度寄存器的值并不 是实时值， 而是以
16、一定的时间进行更新， 采用单片机定时读很 难保证同步性 ， 从而降低读取功率的精度。设计采用后一种方 法 ， 将 A D E 7 7 5 8内部的电度寄存器配置为线性循环累计模式来 解决单位时间读取电度寄存器与其更新的不同步问题 ， 配置后 要判断电网电压过零点的个数 ， 通过设置 uN E c Y C寄存器的 值作为产生 1 s中断的依据。如果选择电压波形过零作为计数 1 s ， 则可以计算出 L I N E c Y c寄存器的初始值： =r， 2 厂 ( 1 ) 式中： 为定时值； 为写入 L l N E c Y c寄存器的初始值； f 为电 网频率。当多于一相的电压被用来做过零测量时，
17、N为固定值 时， 则相应的累计时间被缩短。若要得到固定的累计时间， 则 uN E c Y c中的计数值必须随选择过零检测的电压的相数作相 应 的调 整。 校准 A D E 7 7 5 8是保证仪表参数达到国家标准的关键步骤。 A D E 7 7 5 8的校准主要包括： 电压 、 电流有效值的校准和功率、 相 位的校准 ， 其中电压、 电流有效值的校准是校准功率的基础。 校表时需要标准的参考源， 设计采用三相精密测试电源作为校 表的工作台， 校表流程如图6所示。 由于 A D E 7 7 5 8掉 电 后 会 恢 复 到 初 始 状 态， 所 以在 A D E 7 7 5 8 校准后 ， 在每次
18、单片机上电过后将对应的校准值写人 A D E 7 7 5 8的对应寄存器中， 按照设定的校准参数进行工作。 4 实验 设计采用三相精密测试电源对系统的测量精度进行了实 验论证 ， 测试输入端电压范围为 1 7 6 O 2 6 4 0 V， 输入电流范 围为0 0 5 0 A， 对电压 、 电流有效值的测量精度进行试验验 证， 具体结果如表 1 、 表 2所示。 I n s t mme n t T e c h n i q u e a n d S e n s o r 开始 初始化A D E 7 7 5 8 设置校表台电压、 电流， 三相四线制， 功率因数P F 为l 读取电流电压有效值 计算电压电
19、流有效值偏 差 ，并写入对应的偏差 寄存器 设置校表台电压、 电流， 三相四线制， 功率因数P F 为0 5 计算P H c A L 并写入 寄存器x P H c A L 在功率因数为l 电流最小 时计算有功偏差并写入 相应的寄存器 在功率因数为0电流最小 时计算无功偏差并写入 相应的寄存器 结束 图 6 校表流程图 实验结果表明： 系统具有较高的测量精度 ， 电流有效值的 误差 0 2 ， 电压有效值的误差 0 5 ， 达到总体设计 的精度要求。 表 1 AD E 7 7 5 8电流有效值 及相对误差 表 2 A DE 7 7 5 8电压有效值 及相 对误 差 5 结束语 利用 A D E
20、7 7 5 8电能计量专用芯片提供的丰富的电气参数 进行产品开发， 不仅提高了测量精度， 降低了成本， 也加快了产 品的开发速度 ， 具有较高的性价比。A D E 7 7 5 8 在整个调试过程 中表现出软件控制的简洁， 而且 A D E 7 7 5 8通道的独立性使得校 准非常简单。从实际运行来看， 仪表工作稳定可靠 ， 能对电网 提供可靠的监测， 对加强电网监督管理起到了积极的作用。 参考文献 ： 1 王健 ， 陈启美 ， 章德三相 多功能 复费率 电能表 电子测 量技术 ， 2 O o 5 ( 2 ) ： 3 O一 3 1 2 A n a l o g D e v i c e s ，i n
21、 c P o l y P h a s e Mu l t i n c 【 j 0 n E n e g y Me t e r i “ g I c w胁P e r P h a s e I n 南订“ a t i o n 2 O o 4 3 张迎新 ， 雷文 ， 姚静 波c 8 O 5 I F系列 s 0 c单 片机原理 及应用 国 防工业出版社，2 o 0 5 4 A n a l o g D e v i c e s ， i n c A D E 7 7 5 8 P h a s e D r 0 p o u t D e t e c t i o n f n r V A R Ca 1 c u l a j o
22、n 2 O 0 5 作者简介 ： 盛 占石 ( 1 9 5 8 一 ) ， 副教授 ， 研究方向为信号检测 、 微处 理器应 用 等。E m a j 1 ： me g a j j n g l 6 3 c ( Jf ( 上接第3 2页) 当按下前面板的打印数据时就会完成报表生成 子系统的调用， 此后将会自动生成对应采集数据的T HM L文件 或标准打印文件， 来完成历史数据的调用、 观察等功能。数据 分析 。 是整个系统的重要组成部分 ， 利用数学工具包和 A d v a n c e d a n a 1 y z e l i b m r y 可以完成该系统所有需要的信号分析功 能。系统设计的验证中
23、， 用到的传感器是 2个电涡流传感器 ； 对应 N I - 6 0 2 4 E数据采集卡。 4 结束语 基于虚拟仪器的汽轮机回热系统状态监测系统 ， 具有开发 周期短、 操作方便、 性价比高、 可扩展性强、 工作稳定性好等特 点， 而且集实时数据采集与处理 、 在线数据传输和分析与存储、 远程监测与诊断于一体 ， 能够迅速反映汽轮机 回热系统的各种 状态信息 ， 使回热系统运行状态和运行趋势一 目了然， 其强大 的软件功能为状态分析和故障诊断提供了方便的工具。开发 的汽轮机回热系统状态监测系统切实可行。它可以取代传统 机械振动监测仪表中除传感器、 采集卡以外的所有与振动信号 有关的硬件， 是一
24、个轻型、 稳定、 相对经济化的分析系统。 参考文献 ： 1 施伟 ， 吴文英 虚拟仪器技术在故障诊断中的应用 仪表技术 与传 感器 ， 2 0 o 7 ( 1 ) ： 2 93 1 2 周猛， 陈志强， 李青松， 等 基于多种诊断知识的回热系统故障诊 断 电站辅机 ， 2 o o 4 ( 1 )： 1 62 2 3 蒋国璋， 孔建益， 杨金堂， 等， 基于虚拟仪器的汽轮机组与那成监 测与诊断分析系统研 究 汽轮机技术 ， 2 O 0 7 ( 3 ) ： l 9 42 2 4 4 蔡畅 ， 胡政 ， 宋立军 柴油机状态监测与故障诊 断系统 测控技术 ， 2 O O 6 ( 2 ) ： 7 67
25、9 5 刘君华 基于 L a b V I E w 的虚拟仪器设计 西安 ： 西安交大 出版社 ， 2 O O 3 6 杨乐平 ， 李海涛 ， 赵勇 L a b V I E w 高级程序设计 北京 ： 清华 大学出 版社 ， 2 0 0 3 7 侯国屏， 王坤， 叶齐鑫 L a b V I E 、 v 7 1编程与虚拟仪器设计 北京： 清华大学出版社 ， 2 o o 5 8 L a b V I E w u s e r Ma n u a l _N a t i o n a l l n s t mm e n t s c o r p o r a t i 0 n ， 2 0 O 5 9 D a t a A
26、c q u i s i t i o n B a s i c Ma n u a 1 N a t i 0 n a l I n s t mme n t s c o r p 0 r a t i 0 n ， 2 O 0 5 1 0 蒋浩天 拉 塞尔 布拉茨 工业 系统 的故 障监 测与诊 断 北京 ： 机 械工业出版社 ， 2 0 0 3 I l j 戴鹏飞， 王胜开， 王格芳， 等 测试工程与 L a b E W应用 电子工 业 出版社 ， 2 0 O 6 作者简介 ： 刘伟( 1 9 8 l 一 ) ， 硕士研究 生 ， 研究 方 向为 动力机 械状 态监 测 及故障诊断技术 。E ma i l ： l i u w e i 5 5 O 2 4 【 】 4 6 l 6 3 c o m