电力机车数字显示电度表的设计及应用

0 引言 目前，电力机车普遍使用感应式电度表对机车用电进行计量，该表是在民用电度表的基础上经过简单改进而来的。在实际使用中，机车电度表的计量数据和关口表的计量数据相差很大，根据供电段提供的统计数据，两者的误差一般在6.7％～6.8％之间。造成这种情况主要有以下几个原因：（1）线路的损耗；（2）原有的感应式电度表只能计量基波的能量，对于谐波没有计算在内，因而造成了较大的误差；（3）原有的感应式电度表分辨率较低，其分辨率为100kW•h，在耗电小于100kW•h时无法进行用电的统计导致了计量的误差；（4）人工抄表作业存在着较大的人为误差；（5）机车的运行环境恶劣，由于振动的影响造成了感应式电度表计量不准确。本文讨论的数字式电度表采用了先进的数字计量技术，计量结果包括了基波成分和各高次谐波成分，实现了对电能的精确计量，同时通过微控制器将能量计量的分辨率提至更高。此外，新型的数字式电度表将取代不能测量无功的感应式电度表，对正反向有功，正反向无功进行准确的计量和记录，为电力部门提供更详尽准确的用电数据，同时也使电力机车用电管理更加科学化、合理化，运营成本更低。 1 电能测量原理 数字式电度表采用全数字测量技术，通过采样、滤波，再经过一系列的数字信号处理后获得如下电能值： （1）有功平均功率的计算： （2）有功能量计算： （3）无功平均功率的计算： （4） （5）无功能量计算： 各相的有功功率是通过高通滤波器去除电流、电压采样数据中的直流分量后，再进行乘法、加法、数字滤波等一系列数字信号处理后得到的。无功功率的计算方法与有功类似，只是电压信号经过移相90°之后，再将功率信号对时间进行积分。 2 硬件结构 数字式电度表通过微控制器对专用电能芯片、LCD模块、存储器、通讯模块等设备的控制，实现了各种参数的准确测量、数据安全记录、全软件校表、友好的人机界面，以及总线通讯传输。系统结构框图如图1所示。 2.1 测量部分 数字式电度表测量部分的核心采用了一颗高精度的电能计量专用芯片ATT7022A。在输入动态工作范围（1000∶1）内，非线性测量误差小于0.1％，有功测量满足0.2s、0.5s，无功测量满足2级、3级，可准确测量到含21次谐波的有功、无功和视在功率。芯片内部集成了6路二阶sigma-delta A／D转换器，参考电压电路，以及所有功率、能量、有效值、功率因数，以及频率测量的数字信号处理电路。它能够测量有功功率、无功功率、视在功率、正反向有功能量，正反向无功能量，以及电压电流有效值、功率因数、相角、频率等参数，通过ATT7022A提供的SPI接口与微控制器交换测量数据和设置参数。除此以外，ATT7022A还支持全数字域的增益、相位校正，即纯软件校表。芯片提供有功、无功校表脉冲输出，通过光耦接到标准表进行误差校正。 2.1.1 ADC输入 ATT7022A内部集成了6路16位ADC，采用双端差分输入。输入最大的正弦信号有效值为1V。通常将电压通道的ADC输人选在0.5V左右，电流通道的ADC输人选择在0.1V左右，片内参考电压输出2.4V。ADC结构框图如图2所示。 2.1.2 互感器采集通道 电力机车电网电压为25000V，额定电流为60A，最大电流为300A，通过机车互感器将电压转换成220V，电流转换成1.5A（6A）。为了满足ATT7022A电压和电流ADC通道的输入要求，用电压和电流互感器将输入电压变换为0.5V左右，将输入电流变换为0.1V左右，同时采用互感器实现了测量系统和被测系统之间的电气隔离，输入通道采用差分输入抑制共模干扰。互感器采集通道如图3所示。 2.2 控制部分 考虑到电力机车运行时电磁环境恶劣，电磁干扰强，数字式电度表采用了抗干扰能力强，性能可靠的FreeScale 16位微处理器进行控制。经过验证，该微处理器在抗干扰能力和可靠性方面具有良好的性能，能在电力机车各种工况下正常运行；同时，该微控制器运算速度高、片上资源丰富，只需要很少的外围电路即可构成应用系统，大大提高了系统的集成度，减小了系统的体积，同时也增强了系统的抗干扰能力。系统还配置了2 K字节的CMOS EEPROM FM24C16，该存储器有着快速的存取速度和高达100万次的擦写次数，为系统提供可靠的数据记录；为了扩展显示内容，改善人机接口界面，系统配置了高可靠性的宽温型LCD，128X64点阵为用户提供了更详细的信息；通过系统提供的RS485接口，可以对电度表进行校准参数设置和测量数据读取。 3 软件结构 数字式电度表在实际使用中要求有长期可靠运行及电能数据的安全记录，因此控制软件的稳定性和容错性能是影响系统运行的重要方面。控制软件采用传统的前后台系统结构，主循环中任务执行由任务标志控制，确保任务执行的实时性，采用定时器中断来控制数据的定时读取以及显示内容的定时切换，主程序结构框图4所示。 MCU与ATT7022A的SPI接口的可靠性和电能数据及校准数据的安全存储是控制软件的2个重要部分。在SPI传输方面，采用ATT7022A提供的SPI校验寄存器来实现测量数据和校表数据的准确传输；在安全存储方面，通过数据加密，存储分区以及数据备份来实现数据的安全存储。数据加密如图5所示。数据加密确保了MCU同存储器之间数据的正确传输。在数据的存储方面，为了防止同存储地址被频繁写入导致存储器损坏，将存储器地址进行划分，并在读写非常频繁的部分采用多个地址循环写入。对于读写频繁的电能低位数据，分配了48个地址对其进行循环读写；大大减小了存储器的负荷，对于读写不太频繁的高位电能数据，通过划分不同的存储块对其进行备份，以确保数据的正确存储。 4 软件校验及测试结果 ATT7022A支持纯软件校验，将校验台的输出接人数字式电度表，通过RS485和上位机校验软件即可对数字式电度表进行校验，如图6所示。 表1列出了采用ATT7022A的机车专用电子式单相交流电度表的基本误差测试数据，该电度表的设计精度为有功1级，无功2级，额定电压为220V，额定电流为1.5A，脉冲常数为6400imp／kVA•h。 5 结论 基于ATT7022A的机车专用数字式电度表实现了全数字能耗计量，该表大大减小了电力机车电能计量的误差，并能准确提供正反向有功、无功的电能数据，同时具有软件校验功能及友好的人机接口。该电度表已在兰州局迎水桥机务段试运行了3个月以上，累计计量电能30万KW•h，计量准确、性能稳定，为电力部门提供了详尽准确的用电数据。