基于stm32的三相智能電能表計(jì)量的研究

李宏　王曉泳

摘 要：本文著重描述三相電能表原理說(shuō)明。本課題研制的電能表主要采用高性能低功耗微處理器STM32 F103VC6和高精度電能測(cè)量芯片ATT7022E為數(shù)據(jù)采集核心。通過(guò)雙邊比電流互感器對(duì)電流信號(hào)采樣，并經(jīng)微控制器對(duì)電網(wǎng)功率實(shí)時(shí)檢測(cè)和處理來(lái)實(shí)現(xiàn)功率分段計(jì)量，通過(guò)對(duì)計(jì)量原理的充分分析和研究，設(shè)計(jì)出計(jì)量硬件電路和軟件流程。

關(guān)鍵詞：三相電能表；高性能低功耗微處理器STM32 F103VC6；高精度電能測(cè)量芯片ATT7022E

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.23.109

0 引言

隨著電力和電子行業(yè)的蓬勃發(fā)展，電力公司對(duì)電能表要求越來(lái)越高，電能表作為用戶(hù)和電力公司的交易平臺(tái)，作用至關(guān)重要。對(duì)電能表一般要求是既要保證計(jì)量精度，同時(shí)又必須能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定可靠運(yùn)行。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，作為計(jì)量終端的電能表受到了越來(lái)越多的關(guān)注，為了滿(mǎn)足各方面的需求，電能表軟件設(shè)計(jì)朝著多費(fèi)率、精確計(jì)量、智能化和網(wǎng)絡(luò)化、大數(shù)據(jù)物聯(lián)網(wǎng)方向發(fā)展。

1 三相感應(yīng)式電表原理

三相有功電能表用來(lái)測(cè)量三相交流電路中電源輸出（或負(fù)載消耗）的電能。由于測(cè)量電路接線方式不同，三相有功電能表又分三相三線制和三相四線制兩種。

（1）三相三線有功電能表（三相三線兩元件電能表）三相三線有功電能表適用于對(duì)三相三線對(duì)稱(chēng)或不對(duì)稱(chēng)負(fù)載作有功電能的計(jì)量，可將這種電能表看成是兩只單相電能表的組合，其原理結(jié)構(gòu)如圖所示。它具有兩組電流、電壓線圈（即兩組驅(qū)動(dòng)元件），兩個(gè)同軸轉(zhuǎn)動(dòng)的鋁盤(pán)，兩只制動(dòng)磁鐵，一套計(jì)度器。鐵芯采用分離形式。電壓元仵為半封閉插片結(jié)構(gòu)，性能較穩(wěn)定，減小了摩擦力矩，有利于提高電能表的靈敏度，三相三線直人式電能表的讀數(shù)直接反映了三相負(fù)載所消耗的電能。

有的三相三線有功電能表（如DT2型三相有功電能表），將兩組元件共同作用在一個(gè)鋁盤(pán)上，其特點(diǎn)是減小了電能表的體積，但兩組元件間的渦流和磁通相互干擾，比兩個(gè)鋁盤(pán)的電能表產(chǎn)生的誤差大。三相三線有功電能表的工作原理與單相有功電能表的工作原理基本上相同，三相有功電能表由電流、電壓元件產(chǎn)生一移進(jìn)磁場(chǎng)，同時(shí)與制動(dòng)力矩相互作用，使鋁盤(pán)在磁場(chǎng)中獲得的轉(zhuǎn)速正比于負(fù)載的有功功率，從而達(dá)到計(jì)量電能的目的。

（2）三相四線有功電能表（三相四線三元件電能表）三相四線有功電能表的工作原理與單相有功電能表的工作原理基本上相同，適用于對(duì)三相四線對(duì)稱(chēng)或不對(duì)稱(chēng)負(fù)載作有功電能的計(jì)量。三相四線有功電能表可以看作是三只單相電能表的組合，它具有三組電壓、電流元件，兩個(gè)同軸轉(zhuǎn)動(dòng)的鋁盤(pán)上、下排列，上面一只鋁盤(pán)裝有一套驅(qū)動(dòng)元件（即電壓、電流線圈），下面一只鋁盤(pán)裝有兩組驅(qū)動(dòng)元件，一套計(jì)度器。鐵芯采用分離形式，電壓元件為半封閉插片結(jié)構(gòu)，三相四線有功電能表工作時(shí)，由三組電流、電壓元件產(chǎn)生一移動(dòng)磁場(chǎng)，作用在鋁盤(pán)上的總轉(zhuǎn)矩為三組元件產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩之和，使鋁盤(pán)在磁場(chǎng)中獲得的轉(zhuǎn)速正比于負(fù)載的有功功率，從而達(dá)到計(jì)量電能的目的（圖1）。

軟件是系統(tǒng)的靈魂，軟件與硬件設(shè)計(jì)占同樣重要的地位，當(dāng)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)完成后，剩余的工作都是靠軟件來(lái)完成的。軟件的執(zhí)行效率和穩(wěn)定性決定了系統(tǒng)的執(zhí)行效率和穩(wěn)定性。電能表軟件系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的控制、指揮中心。因此優(yōu)化軟件結(jié)構(gòu)和控制算法是軟件系統(tǒng)的關(guān)鍵，需要仔細(xì)、并反復(fù)的論證。

2 三相智能電能表計(jì)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)程序特點(diǎn)

實(shí)時(shí)性：程序設(shè)計(jì)時(shí)的首要要求就是實(shí)時(shí)性，能夠在對(duì)象運(yùn)行的世界間隔內(nèi)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制計(jì)算和處理。在實(shí)時(shí)性高的系統(tǒng)中，一般使用匯編語(yǔ)言設(shè)計(jì)程序，而且對(duì)多個(gè)處理任務(wù)實(shí)施重點(diǎn)嵌套或者多重中斷。

針對(duì)性：每個(gè)控制程序是根據(jù)一個(gè)具體系統(tǒng)要求而設(shè)計(jì)。

通用性：控制系統(tǒng)在具有針對(duì)性同時(shí)，還應(yīng)該具有能使用不同操作系統(tǒng)要求的通用性，這樣在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中就可以吧具有一定功能的子程序或者重大服務(wù)程序進(jìn)行排列組合，時(shí)期能夠組成一個(gè)能夠完成特定功能的應(yīng)用程序，節(jié)省開(kāi)發(fā)時(shí)間。

可靠性：程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的功能是程序時(shí)間的基本要求，系統(tǒng)的可靠性則是關(guān)鍵，只有系統(tǒng)的可靠性高才能保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

2.2 開(kāi)發(fā)環(huán)境簡(jiǎn)介

常見(jiàn)的開(kāi)發(fā)環(huán)境是KEIL 和IAR。

KEIL。Keil是美國(guó)Keil Software公司出品的單片機(jī)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)易學(xué)易用。Keil公司由兩家私人公司聯(lián)合運(yùn)營(yíng)，分別是德國(guó)慕尼黑的Keil Elektronik GmbH和美國(guó)德克薩斯的Keil Software Inc。Keil公司制造和銷(xiāo)售種類(lèi)廣泛的開(kāi)發(fā)工具，包括ANSI C編譯器、宏匯編程序、調(diào)試器、連接器、庫(kù)管理器、固件和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)核心（real-time kernel）。有超過(guò)10萬(wàn)名微控制器開(kāi)發(fā)人員在使用這種得到業(yè)界認(rèn)可的解決方案。其Keil C51編譯器自1988年引入市場(chǎng)以來(lái)成為事實(shí)上的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并支持超過(guò)500種8051變種。

Keil 的網(wǎng)站雖然沒(méi)有中文版本，但是Keil 軟件卻被中國(guó)80%的硬件工程師使用，但凡與電子相關(guān)的專(zhuān)業(yè)，都會(huì)開(kāi)始從單片機(jī)和計(jì)算機(jī)編程開(kāi)始學(xué)習(xí)，而學(xué)習(xí)單片機(jī)自然會(huì)用到Keil 軟件。國(guó)內(nèi)由米爾科技、提供Keil 的銷(xiāo)售和技術(shù)支持服務(wù)，他們是ARM公司合作伙伴，也是國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的嵌入式解決方案提供商。

Keil公司2005年由ARM公司收購(gòu)而后ARM Keil推出基于uVision界面，用于調(diào)試ARM7，ARM9，Cortex-M內(nèi)核的MDK-ARM開(kāi)發(fā)工具，用于為控制領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)。

IAR。IAR Systems是全球領(lǐng)先的嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具和服務(wù)的供應(yīng)商。公司成立于1983年，提供的產(chǎn)品和服務(wù)涉及到嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和測(cè)試的每一個(gè)階段，包括：帶有C/C++編譯器和調(diào)試器的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（IDE）、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和中間件、開(kāi)發(fā)套件、硬件仿真器以及狀態(tài)機(jī)建模工具。endprint

IAR 公司總部在北歐的瑞典，在美國(guó)、日本、英國(guó)、德國(guó)、比利時(shí)、巴西和中國(guó)設(shè)有分公司。它最著名的產(chǎn)品是C編譯器-IAR Embedded Workbench， 支持眾多知名半導(dǎo)體公司的微處理器。許多全球著名的公司都在使用IAR SYSTEMS提供的開(kāi)發(fā)工具，用以開(kāi)發(fā)他們的前沿產(chǎn)品，從消費(fèi)電子、工業(yè)控制、汽車(chē)應(yīng)用、醫(yī)療、航空航天到手機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。雖然在Li等人的協(xié)議中，作者聲稱(chēng)他們的協(xié)議可以抵抗多種攻擊。但經(jīng)過(guò)研究分析，本文發(fā)現(xiàn)Li等人的協(xié)議存在安全缺陷，且不能抵抗文中所述的一些攻擊，如內(nèi)部攻擊、智能卡模仿攻擊、竊聽(tīng)攻擊、偽造攻擊、用戶(hù)的匿名性攻擊以及密碼猜測(cè)攻擊。這些分析的細(xì)節(jié)描述如下：

（1）軟件框架設(shè)計(jì)。電能表系統(tǒng)的程序中主程序是最重要部分，它決定了整個(gè)程序?qū)崿F(xiàn)的功能、步驟等，因此主程序的好好決定了整個(gè)程序的質(zhì)量。

10毫秒任務(wù)也叫心跳脈沖，主要是用來(lái)做電參數(shù)采集、比如電壓、電流、功率采集，三相表異常事件檢測(cè)也在這里檢查，同時(shí)它是基準(zhǔn)，下面的100毫秒，和秒任務(wù)都是根據(jù)它的動(dòng)作來(lái)產(chǎn)生的。調(diào)整時(shí)鐘時(shí)候，需要對(duì)系統(tǒng)心跳進(jìn)行修正。

100毫秒任務(wù)主要用來(lái)執(zhí)行顯示和處理一下臨時(shí)性任務(wù)，比如密鑰下裝之類(lèi)任務(wù)。

秒級(jí)任務(wù)，主要是用來(lái)做結(jié)算日凍結(jié)，檢查一下系統(tǒng)錯(cuò)誤是主動(dòng)上報(bào)狀態(tài)，還有負(fù)荷記錄和系統(tǒng)負(fù)荷曲線處理。

分級(jí)任務(wù)主要處理事凍結(jié)任務(wù)，比如日凍結(jié)、整點(diǎn)凍結(jié)等，但最主要任務(wù)還是處理時(shí)區(qū)、時(shí)段的切換。但是它是根據(jù)RTC實(shí)時(shí)判斷的，它的產(chǎn)生僅是系統(tǒng)當(dāng)當(dāng)前分發(fā)生了改變，因此可能與10毫秒產(chǎn)生分鐘數(shù)不同步，因此這里同步一次。

天任務(wù)目的就一個(gè)，在0時(shí)重新恢復(fù)系統(tǒng)的時(shí)區(qū)時(shí)段表，使系統(tǒng)的復(fù)費(fèi)率計(jì)量正確。

通信和計(jì)量脈沖采集是實(shí)時(shí)處理的。

10毫秒產(chǎn)生脈沖供100MS和1秒信號(hào)工作。

分鐘信號(hào)是比對(duì)RTC不同而產(chǎn)生，同步時(shí)鐘，并且完成國(guó)網(wǎng)規(guī)定的時(shí)區(qū)時(shí)段的切換，從而完成復(fù)費(fèi)率計(jì)量任務(wù)。

（2）計(jì)量部分程序設(shè)計(jì)。電量計(jì)量有兩種方式，一種是利用ATT7022E的CF輸出腳來(lái)捕獲這些變化，如果發(fā)生變化則產(chǎn)生1種類(lèi)型的脈沖，也就是脈沖采集法。另一種方式是直接讀ATT7022E的能量寄存器累計(jì)脈沖數(shù)。

ATT7022E一共提供4種脈沖輸出，分別是有功脈沖、無(wú)功脈沖、視在脈沖、和基波脈沖，通過(guò)捕獲這些脈沖就可以完成對(duì)有功電量和無(wú)功電量的計(jì)量。

（3）原理。每1度電能對(duì)應(yīng)這一定的脈沖常數(shù)，比如5-60A 220V1級(jí)標(biāo)準(zhǔn)三相表的脈沖常數(shù)是400，也就是說(shuō)每1度電能有400個(gè)脈沖。國(guó)網(wǎng)規(guī)定的計(jì)量最小額度是0.01度，因此我們常用百分之一的脈沖常數(shù)作為脈沖計(jì)量基準(zhǔn)。也就是每4個(gè)脈沖產(chǎn)生0.01度電能。

（4）脈沖采集。每當(dāng)ATT7022捕獲到瞬時(shí)功率的變化，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)脈沖輸出，根據(jù)功率不同，脈沖產(chǎn)生的快慢不同，但不管頻率怎么變化，都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)90MS的高脈沖和產(chǎn)生一個(gè)不低于90MS的低脈沖。這樣通過(guò)捕獲這些脈沖變化就可以得到當(dāng)前電量的變化。4個(gè)高頻脈沖輸出CF1/CF2/CF3/CF4， 分別對(duì)應(yīng)全波有功電能、全波無(wú)功電能、全波視在電能和基波有功電能。

（5）程序設(shè)計(jì)。這部分程序設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，其實(shí)就是捕獲CF1到CF4引腳上波形變化來(lái)確定是否產(chǎn)生了電能計(jì)數(shù)，如果電能計(jì)數(shù)足以產(chǎn)生0.01度電量。

由于90MS的高低脈沖遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于10毫秒的心跳脈沖，我們可以利用心跳脈沖來(lái)進(jìn)行檢測(cè)，只有發(fā)現(xiàn)了這種變化，就認(rèn)為對(duì)于電能產(chǎn)生了1個(gè)脈沖，當(dāng)脈沖累加到足夠產(chǎn)生0.01度脈沖數(shù)時(shí)，則產(chǎn)生了0.01度的電能量。

因此這部分程序設(shè)計(jì)主要分為兩部分，脈沖檢測(cè)部分和脈沖計(jì)量部分。

3 總結(jié)

隨著MCU和單片機(jī)功能增強(qiáng)，現(xiàn)在很多依靠模擬代碼才能實(shí)現(xiàn)功能已經(jīng)經(jīng)由硬件實(shí)現(xiàn)，比如國(guó)網(wǎng)的7816-4 ESAM 模塊，其實(shí)就是一個(gè)特殊的9600波特率串口，現(xiàn)在就有很多單片機(jī)提供硬件級(jí)支持，比如常見(jiàn)的CorText M族MCU 和國(guó)產(chǎn)復(fù)旦微FM330X 系列。這些特殊設(shè)備的定型化，標(biāo)準(zhǔn)化都為操作系統(tǒng)的普及打下了條件?？梢灶A(yù)見(jiàn)未來(lái)的發(fā)展是：

（1）支持的設(shè)備越來(lái)越多。

（2）使用越來(lái)越簡(jiǎn)單，甚至是不需要裁剪，僅需要編譯器設(shè)置一下，ARM的RTX 可以看做是一個(gè)代表，但是資料少，入門(mén)困難。

（3）提供文件系統(tǒng)支持，支持GUI模式給用戶(hù)提供多種交互方式。

（4）WIFF、載波、藍(lán)牙驅(qū)動(dòng)支持。

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作者簡(jiǎn)介：李宏（1963-），女，本科，技師。endprint