高精度三相電能采集板設計

宋雨蒙

(上海五零盛同信息技術有限公司，上海 200331)

0 引言

電能是現代工業以及生活的主要能源。電網電能質量的好壞越來越受到關注[1]。因此，提高計量精度、減少誤差、提高用戶的用電安全等，是目前亟需解決的難題。傳統的感應式電表難以滿足未來電力市場的發展要求。因此，電子式電表獲得了巨大的發展[2]。文獻[3]～文獻[4]結合 ZigBee 和通用分組無線服務技術(general packet radio service,GPRS)這兩種通信方法，對電能進行遠程監控。文獻[5]采用了RS-485與 WiFi 設計電能測控系統，其可在多種工作模式之間切換。該系統能實現的功能有：電能計量、實時電流感應順(currect transformer,CT)開路檢測、諧波測量等。其不足之處是計量功能與其他功能并沒有相互獨立，無法保證電能表的計量功能不受其他功能更新的影響。

因此，本文設計了一款高精度三相電能采集板，可以擴展應用于市場上的照明監控終端。其計量功能與其他功能相互獨立，可以確保電能表的計量功能不受其他功能更新的影響，且測量精度更高。

1 總體設計方案

照明監控系統如果缺乏電能采集模塊，將無法對電能進行計量。目前，市場上的電能計量產品質量參差不齊，精度不高，穩定性差。所以，亟需研發一款穩定性強、精度高且能獨立于其他功能的電能采集模塊。

三相電能采集板作為照明監控終端的一個功能模塊，完成進線總回路(即所有負載回路)A/B/C三相的有功電能、無功電能計量，以及功率因數、頻率、有功功率、無功功率、電流、電壓采樣的功能[6]。

本電能采集板以STM32F0系列芯片為核心。交流采樣電路由電壓互感器、電流互感器構成。主芯片采集三相電壓、電流、功率因數、有功功率、無功功率、有功電能、無功電能等電能數據[7]。軟件程序進行電能值累加計算，并通過I2C接口存儲到片外EEPROM。

電能采集板系統如圖1所示。

圖1 電能采集板系統示意圖

2 系統硬件設計

系統硬件電路主要包括電壓電流采樣電路[8]、晶振電路、串行外設接口(serial peripheral interface,SPI)通信接口電路、基準電壓電路、電源電路。

①采樣電路。采樣電路采用電壓互感器對交流電壓前端進行采樣，實現了采樣數字電路與輸入電壓零線的完全隔離。因此，可以節省采樣前端和CPU的光耦隔離電路、采樣芯片的電源隔離電路，有效降低成本。交采電壓接口加防浪涌器件保護。電源輸入第一級用自恢復保險絲進行保護，第二級壓敏電阻鉗位。印制電路板布局將強電與弱電隔離，干擾源與信號線分開，避免環形走線，采用電磁兼容性設計。

②晶振電路。電能采集芯片系統時鐘為8.192 MHz。因此，系統使用8.192 MHz晶振。

③SPI通信接口電路。電能采集芯片支持SPI與CPU之間通信，最高速率3.5 MHz。SPI含有4根線，分別是片選信號CS、時鐘信號SCLK、數據輸入DIN、數據輸出DOUT。

④基準電壓電路。計量芯片內置1.25(1±1%)基準電壓，設計時在芯片的REF引腳上加兩個電容。一個為1～10 μF電容，另外一個為0.1 μF電容。

⑤電源電路。模擬電源與數字電源間接10 Ω電阻以減少數字噪聲，并在靠近AVDD和DVDD引腳處各接一個 0.1 μF去耦電容。

3 系統軟件設計

3.1 總體程序設計

本系統的CPU為STM32F0，編程環境為Keil5。

系統主程序流程是：①初始化系統(系統時鐘更新、定時器初始化、USART串口通信初始化、IIC初始化、程序運行指示燈初始化、地址更新函數)；②電能采集芯片端口初始化(SPI初始化、端口初始化)；③電能采集芯片初始化(芯片參數初始化、EEPROM初始化、從EEPROM讀取累計電能值、從EEPROM讀取電壓電流校準參數、芯片寄存器配置)；④每隔1 s，通過SPI讀取電能芯片上的電能信息，電能芯片設置為讀后清零型，所以MCU需要將電能進行累加計算，存入EEPROM；⑤當主機板下發指令，按協議回復主機板的命令。協議會對指令進行幀頭、標志符、地址、長度、命令、循環冗余校驗(cyclic randundancy eheck，CRC)等進行判斷。命令種類包括軟件版本信息、電能數據、EEPROM測試、電壓電流校準等。

3.2 電能采集設計

根據計量芯片的功能，電能采集板對采樣數據進行本地累加計算，并寫入EEPROM保存，再將累計值上報到主板機，優化了系統的功能。

電能采集芯片對采集的信號進行處理，計算電壓電流間的相角、功率、頻率、電壓相序、諧波等電能信息，存儲在對應的寄存器中[9]。MCU通過SPI實現與電能芯片的通信。為了避免因SPI傳輸受干擾而出現抖動，設計RC濾波電路。主芯片STM32把每秒從電能芯片讀取的三相電能和上次存入EEPROM中的三相電能值進行累加運算后，通過IIC接口寫入片外EEPROM。下一秒主芯片通過IIC接口讀取上次的電能累加值。然后，循環以上的流程。

3.3 獨立性設計-電能計量

電能計量優化設計依據：通過空間換壽命，充分利用EEPROM的全部空間，通過對所有地址輪流寫電能值，延長了EEPROM的寫次數[10]，是固定地址寫參數壽命的253倍。利用該片外EEPROM，實現電能板對電能的累加功能，可以與其他功能模塊獨立開。

全局變量P表示頁碼。其中，page0、page1、page2存儲其他參數，page3～page255用于循環儲存電能累計值。所以，頁碼的取值范圍是3≤flagN≤255。當標志為5 A時，此頁的上一頁存放了最新的電能累計值，其默認值是00。它用于斷電重新上電后尋找上次電能累計值的存儲位置。

將電能板上的EEPROM共分為256頁，每頁有32個字節，空間一共是8 KB。每頁內的32個字節的地址，分別表示為0x20×P，0x20×P+0x01，…，0x20×P+0x1E，0x20×P+0x1F。每頁的首地址0x20×P存放標志flag。0x20×P+0x01到0x20×P+0x18共24個字節存放A、B、C三相有功和無功電能累計值。每頁的地址0x20×P+0x19處存放下一次電能累計值該寫的地址處頁碼P。電能累計值寫EEPROM流程如圖2所示。

圖2 電能累計值寫EEPROM流程

3.4 穩定性設計-參數校驗

電能采集系統最重要的是穩定、可靠，要免于經常性維護。因此，進行了參數校驗設計。

將校準參數存在EEPROM的3個區域，同時計算并存入校驗值[11]。當系統每隔一段時間讀取參數時，需要判斷三個區域值的校驗值是否一致。若有一個與其他兩個不一致，說明這個區域存儲的參數已經不可靠，那么將讓其余兩個一致區域的參數值覆蓋出錯區域的參數值，然后讀出正確參數值。這樣可以保證參數穩定，實現軟件硬件化。

執行寫EEPROM的操作時，進行寫后反讀參數校驗：寫參數之后，延時，再讀出參數，比較讀出的值與寫入值是否一致。若一致，結束；若不一致，則重復3次，仍不成功，則標志出錯。

本文加上以上兩種參數校驗，并且通過軟件對通信接口進行定期重置，可以大大提高系統的穩定性和可靠性。

3.5 準確性設計-功率法校表

與傳統的脈沖校表法相比，功率法校表更簡單、快捷[12]。校表系統只需一臺高精度電流電壓源。

功率法校表流程如下所示。

①計算額定輸入時標準的U、I寄存器值，計算F=1.0 L和F=0.5 L時的標準有功功率值，并根據電表常數計算芯片的HFConst。

②搭好校表環境并設置參數，如配置好芯片的模數轉換器(analog to digital converter,ADC)增益、HFConst、閾值寄存器等。

③標準源額定輸出，讀出A相實際電壓、電流有效值，計算與理論值的誤差，再根據此誤差計算出A相電壓、電流通道增益寄存器的值，填入并比對校正結果，完成A相U、I通道增益校正。

④標準源電流空載，讀空載有效值、功率值，根據空載值計算相應的OFFSET值并填入相應的OFFSET寄存器，完成A相OFFSET校正。

⑤采用相同的方法，完成其他相的增益、OFFSET校正。

⑥校表結束。

通過以上校準流程，對電能芯片的電壓電流校準寄存器寫校準參數，就可以使測量誤差精確到0.3%以下。

4 試驗結果與分析

4.1 穩定性試驗

試驗設備：三相電能采集板，主機板，高精度電壓電流源，筆記本安裝有串口調試助手軟件，RS-485串口調試工具。

試驗過程：設置高精度電壓電流源輸出電壓220 V、電流2 A，將設備上電，打開串口調試軟件。

用串口調試助手軟件發出以下錯誤協議幀：幀頭錯誤、標識錯誤、地址錯誤、命令錯誤、CRC錯誤，電能采集板均不會回復。

通過以上協議測試，電能采集板可以穩定工作，并與其他功能模塊穩定通信。

4.2 準確性試驗

設置高精度電壓電流源輸出220 V、2 A，將電能板軟件校準前后的數據通過RS-485串口上報主機板。

通過測試可以看出，校準后電能采集板采集電能數據誤差不超過0.3%，精度相對校準前有顯著提高。

為測試電能采集板的性能，還進行了包括復位功能測試、設備參數存儲測試、溫升試驗、高低溫準確度與濕熱試驗、快速脈沖試驗、沖擊耐壓試驗等試驗。以上試驗均成功通過。

4.3 計量與存儲測試

試驗要求：電能累計值每秒鐘進行一次累加與EEPROM存儲。當發生系統復位、掉電重啟或定期參數CRC異常時，從EEPROM中重新讀取更新電能累計值。重新讀取的累計值與上一次存儲的累計值應保持一致。

重復4.1節中的試驗過程：通過RS-485串口觀察電能數據中的當前累計電能，對電能采集板進行手動系統復位操作或掉電重啟；同時，對高精度電壓電流源斷電，待電能采集板重新啟動后，再通過串口調試助手觀察當前累計電能。將本次讀取到的電能累計值與復位前的電能累計值進行對比，試驗結果符合上述試驗要求。

5 結論

本文提供了一種簡單三相電能采集板的設計方法。采用該方法設計的電能表穩定性好、準確性高。本文采用了三相電能計量芯片結合意法半導體STM32，通過硬件電路設計、軟件程序設計，最終實現了對電壓、電流、功率、功率因數等電能數據的采集、存儲與上報。加上軟件校準以后，經過長時間的試驗測試，系統可以穩定工作、正常通信，并且所有的電能數據誤差都在0.3%以下，滿足設計要求。