基于ARM的单相电力计量装置现场监测仪实现

    电力计量装置现场监测仪是根据国家相关规程标准，专为电力管理部门降线损、防窃电在线检测的智能化仪表。仪表可在不停电、不改变计量回路接线的情况下，在线测出单相计量箱的综合误差及电能表、互感器的误差，并打印结果。进而判断回路的断路、短路、接触不良、CT极性接反、CT变化与铭牌不符等计量故障，是电力管理部门查窃电、查故障、追补电费的得力工具。

1  系统总体设计

1.1  技术要求

    配备精密钳形电流互感器，在不断电、不改变计量回路的情况下，检测计量装置、电能表及互感器的误差。显示瞬时检测状态下的一次电流、二次电流、电压、互感比。具有光电采样和手动采样、脉冲输入3种测量方式。精度等级达到0.2级。具有低频脉冲信号输出，方便送检。不需另接电源。同时，为了兼顾城市和农村电网中的应用，在满足功能外设计还要考虑到室外操作环境、方便携带及大范围的电压变化等因素以适应现场监测的要求。

1.2  系统总体组成

    如图1所示，系统以ARM控制器S3C44B0X为核心，采用2片电能计量芯片ADE7753同时对一次、二次回路的电压电流输入进行测量，配合电能表的脉冲输入，可同时计算出计量装置综合误差、电能表误差以及互感器误差。由ARM嵌入式控制器驱动65万色彩色液晶显示模块及4×4矩阵键盘实现人机交互界面。微型热敏打印机可打印输出的误差参数及日期。为了适应宽电压应用的要求，采用AC／DC开关电源及DC／DC电源模块为系统供电。

1.3  工作原理

    首先应将精密钳型互感器分别夹在被测负载的一次、二次电流回路。根据被测电能表的不同及测量环境条件的限制，可选取自动方式和手动方式进行检测。在自动方式下，如被测电能表为电子式，可直接将其脉冲输出连接至检测仪。如电能表为机械式则可通过光电采样器扣在电表上，将光电对准电度表转盘，调至正常采样，这时输入检测仪的是光电采样器的脉冲。然后，从键盘输入校验圈数，被测表千瓦时盘转数，被测互感器变化等预置参数后，就可实施自动计量检测。

    手动方式下脉冲是由人手动按下面板上的“手动”键或附件手动开关输入的。连接好线后预置参数，由于手动及视觉误差，圈数应适当多些。当转盘色标转至正前方时，速按一下手动开关，即开始检测；当被检测表转够设置的圈数，再按一下手动开关，即可显示该装置误差。

1.4  综合误差、电能表误差及互感器误差的计算

    综合误差是指计量装置实际计量的电能与装置读数之间的误差。装置读数是电表读数与计量装置给定互感器变比的乘积。因此，综合误差中包含了电表误差及互感器误差的影响。也就是说，如果互感器或电表被人为调整就会导致综合计量的误差出现，就有可能是盗电。而当出现综合误差时，还需再确定电表误差及互感器误差，并采取有针对性的治理措施。设一次回路电压为U，电流为I1，而在设定圈数对应时间T内的ADE7753的高频脉冲输出CF1正比于实际电能，即有实际计量电能：

Ez1=UIlT=k×CF1    (1)

    该综合计量装置的互感器变比为Hs；设定圈数为N；表常数为B(这三个参数应在测量进行前由操作人员预先输入)，则有被测装置读数应为：

Es=HsN／B    (2)

    因此，综合误差Ce可由Ez与Es算出：

Ce=(Es-Ez1)／Ez×100％    (3)

    互感器误差由实际互感比(测量得到的一次、二次电流之比I1／I2)与预置互感比Hs得出。

He=(HS-I1／I2)／(I1／I2)×100％   (4)

    电表误差由设定圈数对应的电能N／B及二次回路ADE7753输出的CF2对应的电能Ez2得出：

Be=(Ez2—N／B)／Ez2×100％    (5)

2  系统实现

2.1  人机交互界面

    人机交互界面由操作键盘和65 k真彩色液晶显示模块组成，由ARM控制。键盘用于参数输入及控制。

    需要输入的参数有校验圈数N、表脉冲常数或千瓦时盘转数B和被测计量装置给定互感比H等。控制键包括启动、复位、手／自动模式、打印以及翻页、选择等。采取4×4矩阵键盘完成0～9数字及控制键。

    彩色LCD显示模块主要完成开机动画、测量结果列表及曲线显示、电子说明书、幻灯图片显示等。TFT液晶显示模块选用4.3英寸宽屏TFT LCD，分辨率为480×272。系统配置32 MB字库及96 MB存储空间，可以满足图片、动画及文本显示的需求。

2.2  检测电路

2.2.1  电压、电流信号采样电路

    相电压为175～240 V，但这样大的电压不能直接送给ADE7753进行A／D转换。通过2个2 MΩ和1个6.2 kΩ的固定电阻及1个2 kΩ电位器分压，得到400 mV左右的电压采样信号。而来自互感器的信号是电流形式的，需要经过200 Ω的电位器转换为电压形式的信号送人ADE7753的电流测量通道。为了将来自电力线的信号与ADE7753进行适当的隔离，在电压电流采样信号之间选用OP07运放组成电压跟随器电路。

2.2.2  脉冲信号调理电路

    来自光电采样器或电子式电能表的脉冲需要进行信号整形转换隔离后，再送给ARM的外部中断输入。采用NPN三极管进行开关量的变换即可。

2.2.3  基于ADE7753的电能参数测量

    ADE7753是ADI一款最新的功能先进数字电度表芯片，这是一种带串行接口和脉冲输出的高精度有功和视在能量计量的集成电路。它集成了二阶∑-△ADCs、1个数字积分器(在CHl上)、1个参考电压源，1个温度传感器，能对电压、电流有效值(RMS)计算，有功、无功和视在能量的测量。实际上ADE7753是1个电能计量片上系统(SOC)的芯片。

    ADE7753电路将采样的电流和电压模拟信号数字化，电流通道中高通滤波器(HPF)滤掉了输人信号中的直流成分，通过数字积分器还原成电流信号。电压信号送入电压通道，经模／数转换和相位校正后与调理过的电流信号相乘即可得到视在功率。电压和电流的有效值相乘获得有功功率。有功功率信号通过数／频转换由CF脚输出，同时与电压信号、电流信号、视在功率信号一起送入ADE7753的寄存器，与串行接口经DOUT脚输出并连接到ARM的I／O口。ARM通过两个片选信号选择实现对一次、二次回路的ADE7753测量数据查询与采集。值得注意的是，ADE7753的电流通道输出数据较电压通道更稳定。这点可以从图2中ADE7753的测量流程可看出，其电流通道中多了HPF环节和数字积分器环节。因此，在对一次回路测量时将电压信号加在第1个ADE7753的电压通道，而将二次回路的电压信号加在第2个ADE7753的电流通道。实际上，由于一次、二次回路的电压都是相电压220 V，这样取第2个7753电流通道的输出值作为相电压的测量值会更加精确。可看出，选用2片ADE7753实施单相电力计量装置的监测，不仅可以同时测出一次、二次回路各项参数，且可获得更高的精度。这对提高仪表整体的精度等级是很有意义的。

2.3  时钟电路

    为了开机后实时显示日期及时钟，并在打印输出结果时给出时间信息，采用时钟芯片DS1302设计日历电路。而为了掉电后仍能保持时钟，配备3.6 V锂电池。同时，时钟可用于对ADE7753输出高频脉冲CF进行电能计量。

2.4  微型打印机与电源

    选用炜煌微型热敏打印机，其内置字库，与ARM处理器的通信接口为并行接口。要注意的是，打印机对电源的功率及纹波有一定要求，因此选用了DC／DC隔离模块为其供5 V电源。整机电源考虑到宽电压变化范围及方便携带的要求，没有选择变压器线性稳压电源，而是选择了AC／DC开关电源。

3  控制器设计

3.1  控制器选择

    监测仪选用一款成熟的ARM7内核处理器S3C44B0X实现。作为嵌入式控制器，S3C44B0X的任务是完成人机界面的控制，实现矩阵键盘输入检测，开机动画显示、功能菜单、数据及曲线显示、电子说明书以及图片幻灯展示等丰富的交互功能。这些复杂的键盘操作要与对应显示画面配合完成，若选择单片机作为控制器，程序编写复杂，调试难度也增加。而选择ARM通过操作系统可实现移植，可简化这部分工作，且界面操作也更流畅。

3.2  基于S3C44B0X的μC／GUI嵌入式系统软件移植

    选用μC操作系统进行嵌入式系统软件设计。μC／GUI是一种嵌入式应用中的图形支持系统。它为任何使用LCD图形显示的应用提供高效的独立于处理器和LCD控制器的图形用户接口，适用单任务或是多任务系统环境，并适用于任意LCD控制器和CPU下任何尺寸的真实显示或虚拟显示。μC／GUI的设计架构是模块化的，由不同的模块中的不同层组成，由一个LCD驱动层来包含所有对LCD的具体图形操作，μC／GUI可以在任何的CPU上运行，因为它是100％的标准C代码编写的。μC／GUI作为源代码开放的图形系统，则可提供包括丰富的二维绘图库、多字体及可扩充字符集、Unicode、位图显示、多级RGB(Red，Green，Blue)及灰度调整、动画优化显示、具有Windows风格的对话框和预定义控件(按钮、编辑框、列表框、进度条、单选多选框、滑动条等)。而且对键盘、鼠标、触摸屏等输入设备和双LCD输出的支持，目前在具有图形界面的嵌入式测控系统中得到广泛地应用。

4  结  语

    综上所述，系统基于2片电能计量芯片ADE7753，特别是利用ADE7753电流通道精度高、稳定性好的特点对电压进行采样，实现了对计量装置的一次及二次回路的同时在线测量，可以提高仪表的整体精度。通过对综合误差、电表误差及互感器误差等关键计量参数进行实时监测，可使电力管理部门及时校对计量装置的误差，防止窃电现象发生。并且基于ARM处理器，通过μC／GUI嵌入式操作系统的移植，使得人机界面操作部分的实现更容易，功能更强大，操作也更加人性化。