智能电能表现场校验仪的开发与设计

时间：2022-03-16来源：佚名

随着电网建设的逐步完善，相应的电力配电装置得到了迅猛的发展，电能表的准确度等级越来越高，对电能表现场校验仪的要求也随之提高，电能表现场校验仪电能指标一般要求达到0.05 级，功能上要有谐波分析、错误接线判断、向量图显示、更正系数计算等，另外所测数据要求被保存并能上传到PC机供管理应用，还要求携带方便，体积小、功耗低，因此采用ARM和CP2102技术就能很好的满足设计要求。

一、硬件原理

硬件由模拟输入通道、采样保持电路、A/D转换器、CP2102数字信号处理器、ARM及其外围器件组成。输入通道中，三相电压直接接入，经过精密电阻分压取样到A/D转换器。电流采样分为经内附精密互感器、5A钳型互感器、500A钳型互感器三种方式获得以适应现场校验的不同需求。

采集到的信号经16位串行A/D转换将模拟信号变换为数字信号。由采样保持器保证采样的同步性，使每相电压、电流同时采样，最后以串行方式输入给数字信号处理CP2102.CP2102是数字信号处理器(Digital Singnal Processor)的简称，它对采样信号进行高速运算、加工处理并将处理结果经总线传送给中央处理器ARM.中央处理器ARM对CP2102处理结果进行后期处理，实现人机对话、数据存储、功能切换等功能。显示器采用640×480分辨率的26k真彩色大屏幕，背景色可调以适应不同环境。

二、ARM和CP2102技术原理

中央处理器ARM是该仪器的核心部件，采用三星公司设计开发的基于精简指令集的ARM9核的S3C2410,该器件为低价格、低功耗、高性能小型微控制器，适合应用到各种便携设备，能够降低整个系统成本。它具有丰富的内部设备，其中主要包括：存储器管理单元 MMU,16KB的指令缓冲器和16KB数据缓冲器，存储器控制器(SDRAM控制器)、NAND Flash和NOR Flash控制器，LCD控制器(支持STN和TFT)，4通道的外部DMA请求控制，3个串行口，SD存储卡读取口，2个USB接口(1个USB主机接口和1个USB设备接口)，5个脉宽调制定时器，看门狗定器，117个通用I/O端口(其中24可用于中断请求)。在本仪器中主要完成系统控制和通讯协议的转换。ARM的外围器件包括32M的8位FLASH存储器K9F5608,它不仅保存着本仪器的应用程序，同时现场校验的数据和抄表数据都可以存储。 FLASH存储器在系统中主要用于存放引导程bootloader、操作系统内核镜像和应用程序代码等，系统上电或者复位后从FLASH中运行 bootloader,由bootloader初始化硬件并将操作系统拷贝到SDRAM中去执行。SDRAM存储芯片采用57V641620,它共有 4M×16位字节宽度，采用3.3V供电。

CP2102采用TI公司生产的第三代数字信号处理器TMS320VC33,该芯片是一种32bit的浮点CP2102,其程序、数据和外设地址都映射在同一存储空间，并有丰富的寻址方式和较大的寻址空间，因此对外设的访问非常灵活方便。CP2102以处理速度见长，它将处理信号的典型算法，如快速傅立叶变换(FFT)以硬件形式加以支持，提高了处理速度，特别适合要求运算速度高的场合。在本仪器中，各种电测量如电压、电流、功率、频率、相位、功率因数、谐波等都是由它完成计算处理的，同时，它还产生电能脉冲，包括有功电能的高频脉冲、低频脉冲和无功电能的高频脉冲。

三、功能实现

仪器的设计指标为0.05级，主要由采样电路和A/D来保证，算法也有很大的影响。该仪器采用非同步采样，采样频率与被测信号不同步，会带来附加误差，利用软件方法可以修正残余误差。参3经测试，基本电能误差能够满足设计要求。由于ARM的高性能，结合电能表现场校验的各种情况，仪器提供了丰富的扩展功能，主要有以下几个方面。

1.仪器可以从上位机接收待校表信息，包括相线、常数、类型、互感器倍率、编号、变压器容量等，校表时只用输入编号即可调入全部信息进行校验。校验结果存储时也可以包含以上信息并且具有校验时间、误差、测量时的电测量信息。可以手动或通过485得到被校表的峰谷平电量信息，包括正反向有功和正反向无功。存储数量1000块。

2.大屏幕液晶可以在校验界面显示三相电压、电流、功率、频率、功率因数，显示电流档位(基表、5A钳表、500A钳表)信息。可以显示两个误差，如果是主表副表则显示两块表的误差，如果是多功能电能表则可以同时显示有功、无功误差。

3.能进行走字试验，可进行电能累计，检查电能表字轮的工作状态。

4.能显示相量图和相位值，具备查接线功能(错误或正确的接线)，直接计算错误接线情况下的更正系数，可及时追补损失的电量。

5.能够测试计量装置中低压电流互感器CT的角差、比差、误差。

6.具有谐波分析功能，显示线路失真度、各次谐波含量、波形，还可以校验基波表。

7.正是采用了ARM技术，才能使具有强大功能的电能表现场校验仪体积小、功耗(现场校验仪的重要指标)小、便于携带，它必将成为电能计量工作人员的有效设备。

四、电能表现仪与智能系统

系统主要由3部分组成：主站管理软件模块、主站数据库模块和PDA现场校表模块，

整个校表的工作流程可以分为：

1,主站软件生成计划，经过计量专职的审核后生效。

2,校表人员将要执行的校表任务下载到PDA中。

3,现场校表。校表人员带着PDA和校验仪来到校表现场进行校表工作，如果现场出现异常，则通过PDA的无线通信功能连接主站的专家诊断系统，处理各种接线错误。