哈尔滨电工仪表研究所 哈尔滨 150028
摘要：多功能网络电力仪表是针对电力系统、工矿企业、公共设施、智能大厦等的电力智能监控和电能计量等需求而设计，能够高精度测量三相电网中的所有常用电力参数，并带有模拟量输出、继电器输出控制等功能。论文以多功能网络电力仪表设计为研究对象，通过网络化连接，实现遥控、遥测、遥信等功能。本设计实验后在现场进行了验证，并根据实际问题进行了不断改进，现已达到了预期效果，性能和功能不断改进。
关键词：多功能网络电力仪表；单片机；测量
0 引 言
随着我国推进新能源、分布发电、智能电网、坚强电网和物联网建设，多功能电力仪表作为现代网络化仪表需求量增加。随着科学技术水平快速提高，对多功能网络电力仪表的精度和可靠性都有了更高要求，本文着重阐述新型多功能网络电力仪表的设计和如何进行网络化连接
1、硬件电路组成及主要元件简介
本文设计的多功能网络电力仪表硬件电路主要由电源、采样、测量、控制和通信等电路及模拟输出电路组成。电源电路为其他电路提供+5V、+15V和-15V直流供电；信号采样电路由电流、电压互感器、及精密采样电阻等组成；核心测量电路主要由专用电参量测量芯片ATT7022E和单片机PIC18F6520构成，由于要对电能进行累计存储，PIC18F6520内部有EEPROM，但其可擦写次数有限，且写入操作比较慢，影响数码管的动态显示，因此，采用了擦写次数近似于无限次、写入速度快的铁电存储芯片FM24C32；控制电路由继电器、二极管等元件组成；通信电路主要由高速光耦6N137和专用RS485芯片65LBC184组成，由于采用了高速光耦，其通信速率可达到19 200 bps以上，满足快速通信要求，65LBC184内部具有耐高压、防雷击和抗干扰等设计，提高了通信线路的安全和可靠性，为了更加保障通信可靠性，单片机采用11.0592MHz高精度晶振，波特率设置误差小；模拟输出电路采用TI公司的12位数模转换器TLV5618，双路4-20mA模拟输出能满足0.2级变送要求。
ATT7022E是一颗高精度三相电能专用计量芯片，适用于电力三相三线和三相四线电参量测量应用，ATT7022集成了六路二阶sigma-delta AD，内部有功率、电能、真有效值、功率因数以及频率测量的DSP数字信号处理等电路，满足本设计的需求。为了提高精度及稳定性，ATT2022E的REFCAP 管脚所接电容要尽量靠近该管脚。ATT7022E支持电阻网络校表以及软件校表两种校表方式，软件校表是通过相关的校表寄存器对增益相位进行补偿可以将系统误差校正在大于0.5级的测量精度以内，本设计采用了软件校表，测量精度高，方便了日后大批量生产调试。
PIC系列单片机具有高抗干扰性，内部采用精简指令，使其执行效率大为提高。其引脚具有防瞬态能力，驱动能力强，其程序加密性好。自带看门狗（Watch dog），在程序陷入“死循环”时，重新复位，可以用来提高程序运行的可靠性。PIC18F系列单片机作为PIC系列高级单片机，其资源更丰富，运行速度更快。
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2、工作原理
CPU PIC18F6520与测量芯片ATT7022E控制，校表数据从PIC18F6520内自带EEPROM中读出后对ATT7022E进行校表初始化，启动ATT7022E进行测量，ATT7022E对经过采样和调理的电压和电流信号进行采样、计算处理，得到所需电参量值。读出PIC18F6520所带EEPROM中电流和电压的变比，经过分析和计算，得到所需一次电参量，通过数码管或液晶显示，也可通过通信网络上传，同时对四象限电能进行累加存储。同时对8组开关量进行检测，实现远端电气开关状态进行检测读取，通过通信命令可对内部两个继电器进行控制，实现远端电气设备控制。两组可选电参量所对应的4-20mA模拟量变送输出到远端DCS等设备。本设计的仪表具有两级密码，低级密码可修改电流、电压变比、仪表地址、显示轮显时间、低级密码和通信速率等。高级密码可修改校表数据和低级密码，可清零存储电能。
3、程序设计
虽然C编译器较汇编产生的代码大，但考虑到C语言简洁、紧凑、使用方便灵活、函数丰富、可以直接访问物理地址以及PIC18F6520内部程序存储器容量大，所以采用C编译器，PICC是PIC单片机开发的一种流行的C编译器，其兼容标准C语言，具有丰富的对函数，便于程序开发。程序流程具体如下：在主函数main（）内，对CPU端口、通信、中断和测量芯片ATT7022E进行初始化；在 while { } 死循环内依次测量和显示所有电参量和开关状态。显示采用三排高亮数码管或带有背光控制的液晶显示。由于要减少整机的功耗，数码管显示应用了动态显示。循环内如果通信申请中断使能，如果地址和本仪表地址相同，则发送所要的电参量，当通信中堆栈溢出，可自动进入通信初始化子程序，复位通信设置，提高了通信可靠性。。循环内实时监测四相相线的电能是否有增加，有则进行电能累加存储。在循环内设有看门狗清零操作，当程序被死锁，立即进行硬件复位操作。当操作按键时进入键盘处理中断程序，进行参数设置和调表操作。
上位机测试与监控软件可采用面向对像的设计方法，采用C++编程语言，应用C++标准库函数和MFC类库及控件，便于系统的升级与维护。组态软件开发资源及其丰富，支持C语言编程，编程方便，画面生动直观，对实时和历史数据库操作方便，对于复杂的分层、分布式结构设计，应该采用流行的工业组态软件。
4、网络连接
本设计电力仪表采用RS485通讯接口，通信速率在1 200～19 200 bps 宽范围内，可选择设置，通信协议采用工业级的MODBUS 协议，由于采用CRC校验，通信可靠，误码率低，同时兼容性好。本设计仪表可以和前端监测与控制计算机进行多对一网络连接，也可以与前端通信管理机进行通信，通信管理机接收到所有表的测量参量存入其内部内存，同时可将RS485信号转化为TCP/ IP 协议的信号后可以进行互联网通信，网络布线为总线型连接，仪表与通信管理机间一般在400米以内采用RS485总线。而通讯管理机与以太网间的布线距离应小于100米。超过以上距离时使用光纤作为传输媒介。
5、结语
本文从软硬件方面阐述了新型多功能电力仪表的设计，同时对网络化连接也进行了描述，着重对电力仪表的精度和可靠性进行了分析和阐述，结合实际应用，具有一定的参考价值。随着云计算及物联网的发展，具有网络接口的多功能网络电仪表的需求加大，同时也会得到更快更好的发展。
参考文献：
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论文作者:王克祥
论文发表刊物:《基层建设》2016年23期
论文发表时间:2016/12/8
标签：仪表论文; 通信论文; 参量论文; 测量论文; 多功能论文; 电力论文; 电能论文; 《基层建设》2016年23期论文;