HPLC電力線載波通信模塊功耗測試儀設(shè)計

余敏琪， 朱銀昕， 譚海波， 郭光， 劉治國

(1.國網(wǎng)湖南省電力有限公司，湖南長沙410004；2.智能電氣量測與應(yīng)用技術(shù)湖南省重點實驗室，湖南長沙410004)

0 引言

隨著國家能源戰(zhàn)略發(fā)展,電力線載波通信技術(shù)(PLC)在智能電網(wǎng)建設(shè)中起著越來越重要作用[1-2]。智能電網(wǎng)要求用電信息采集系統(tǒng)應(yīng)具有遠程抄表 (AMR)、負載控制、變壓器監(jiān)控、電能質(zhì)量遠程測量、安全監(jiān)視、分時費率 (TOU)、動態(tài)計費及其它各種增值服務(wù)功能等,同時國網(wǎng)公司針對用電信息采集系統(tǒng)建設(shè)提出了 “電力用戶全面覆蓋”“用電信息全面采集”“支持全面電費控制”的建設(shè)目標(biāo),然而以往的窄帶載波很難符合以上要求。HPLC電力線載波技術(shù)的出現(xiàn),提高了電力線數(shù)據(jù)傳輸速率,為國家電網(wǎng)重點推進的智能電網(wǎng)建設(shè)項目和四表合一工程提供助力[3]。

至今為止國家電網(wǎng)和南方電網(wǎng)已累計招標(biāo)智能電表超過5億臺。因載波模塊數(shù)量關(guān)系,其功耗對電網(wǎng)能源消耗是很大的,對載波模塊功耗的的控制顯得尤為重要。HPLC模塊功耗從作為用電信息采集系統(tǒng)檢驗技術(shù)規(guī)范中的重要指標(biāo),其動態(tài)及靜態(tài)功耗在相關(guān)規(guī)范中有詳盡說明[4]。

HPLC模塊功耗測試有兩個特點[5-7]:①動態(tài)功耗變化快。以某廠家模塊為例,對于窄帶PLC模塊,數(shù)據(jù)傳輸速率低,相同數(shù)據(jù)發(fā)送時間較長。以調(diào)制方式為BPSK的模塊為例,發(fā)送長度為16 Byte的應(yīng)用層報文,需要138 ms。對于HPLC模塊,數(shù)據(jù)傳輸速率高,相同數(shù)據(jù)發(fā)送時間較短,發(fā)送長度為16 Byte的應(yīng)用層報文,需要2.97 ms。因此要求測量HPLC模塊的功耗測量儀器的動態(tài)響應(yīng)非常高。②交流功耗精度高。PLC載波模塊交流部分電力損耗較低,約幾十毫瓦,要求功耗測量儀交流測試部分非常精準(zhǔn)。

目前普通儀表很難滿足以上兩個特點,本文針對以上兩個HPLC模塊功耗測試特點,設(shè)計一款功耗測試設(shè)備。

1 功耗測試儀工作原理

HPLC模塊功耗測試儀采用模塊化設(shè)計,主要包括MCU模塊、電源負載模塊、直流功耗測試單元、交流功耗模塊、顯示模塊和網(wǎng)絡(luò)通信模塊[8]。其中直流功耗測試單元和交流功耗測試單元設(shè)計為兩組,分別測試電能表模塊和集中器模塊,兩個待測設(shè)備同時連接到一個電源負載模塊上,可以通過組網(wǎng)抄表測試待測設(shè)備的動態(tài)功耗。如圖1所示,MCU模塊將直流功耗單元和交流功耗的采集數(shù)據(jù)進行計算,并將測試結(jié)果傳遞到顯示模塊,也可以通過網(wǎng)絡(luò)通信模塊將數(shù)據(jù)上傳到PC端的上位機軟件。HPLC模塊功耗由兩部分組成:12 V直流功耗和220 V交流功耗,其中直流功耗起主要作用,交流功耗一般很小,主要是模塊的過零電路功耗。

圖1 系統(tǒng)接線圖

1.1 電源負載模塊設(shè)計

電力線負載能夠影響HPLC模塊功耗。在電源接入功耗測試儀后,首先要將電源作一定處理,在模塊交流電接入前,需將電源作標(biāo)準(zhǔn)化處理,然后接入用來穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)的線路阻抗,既能避免外部載波干擾系統(tǒng),也能供應(yīng)給系統(tǒng)測試所需的穩(wěn)定電力線負載,如圖2所示。

電源經(jīng)變壓、整流、濾波后,為整個測試儀提供12 V,5 V,3.3 V電壓。直流電源設(shè)計參數(shù)為:輸出精度優(yōu)于1%,不同負載下 (輸出電流0～0.5 A)電壓穩(wěn)定度≤1%。

圖2 線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)

1.2 直流功耗測試單元設(shè)計

直流平均功耗測量的一般方法是選取一個時間段,通過適當(dāng)?shù)牟蓸勇蕘淼乳g隔采樣n組瞬時電壓ui和電流ii的值[9],公式 (1)計算平均功耗P。

瞬時功耗是電壓采集數(shù)值和電流采集數(shù)值乘積。電壓采樣:HPLC模塊電源電壓為12 V,ADC采樣芯片的測量限度為3.3 V,超過AD采樣電壓限度,電壓采樣采用電阻分壓的方式,分別使用47 K和10 K的高精度電阻,使AD采樣電壓約為2.1 V,滿足ADC芯片采樣要求。電流采樣:根據(jù)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)推算,HPLC模塊靜態(tài)電流小于100 mA,動態(tài)電流小于500 mA,電流采樣設(shè)計要達到500 mA,精度為1 mA。如圖3所示,電流采樣是將高精度低阻值的采樣電阻串到12 V電源上,使用精密差分運放,先將采樣電阻兩端電壓進行比較,然后進行放大,輸出一個合適的電壓信號到單片機 AD。運放使用 TI公司的電流采樣芯片INA282,此芯片可以將采樣電阻兩端的電壓差放大50倍。具有以下特點:寬共模范圍為-14 V～80 V,偏移電壓±20μV,共模抑制比 140 dB,±1.4%增益誤差 (最大值),0.000 5%/℃增益漂移 (最大值)。

圖3 電流采樣部分原理圖

1.3 交流功耗測試單元設(shè)計

一般HPLC模塊的交流功耗主要是過零電路功耗,計算方法與公式 (1)相同,通過電壓采樣和電流采樣計算交流功耗。交流電壓和電流采樣單元使用非隔離方案,與MCU模塊之間使用傳輸數(shù)據(jù)需要光耦隔離。

交流功耗采集使用上海東軟載波微電子有限公司的電能計量芯片ESEM16,ESEM16內(nèi)部集成高精度電能計量模塊的MCU,其中包括用于電流和電壓采樣的兩個24位ADC,參考電壓源和有功能量計量專用DSP核各一個。可以計量有功電能,測量電壓、電流有效值,計算平均有功功率。溫度25℃條件下,1 000︰1動態(tài)范圍內(nèi),有功電能計量誤差小于0.1%；500︰1動態(tài)范圍內(nèi),電壓和電流有效值測量誤差小于1%。ESEM16模擬前端包括兩個可編程增益放大器,一側(cè)的電流放大,增益可實現(xiàn)1、2、4、8、16、32倍,電壓采樣的增益可實現(xiàn)1、2、4、8倍。PGA后為兩個24位AD采樣,芯片內(nèi)部包含1.3 V的精密參考電壓源,實現(xiàn)高精度的電壓采樣。交流采樣電路如圖4所示。

圖4 交流功耗測試原理圖

電壓采樣采用高精度電阻分壓的方式,ESEM16電壓采樣要求輸入信號為 100μV到500 mV,根據(jù)220 V的有效值計算,設(shè)計輸入信號為100 mV,根據(jù)電阻分壓可計算得R89＝1 kΩ,R78＝R79＝R80＝R81＝510 kΩ。 電流采樣采用在電力線上串上高精度低阻值電阻方式,ESEM16要求電流采樣輸入信號為5μV到25 mV。則Pmin/220×R95＞5μV,Pmax/220×R95＜25 mV。 模塊的交流功耗主要在過零電路處,功耗很小,考慮不同廠家模塊交流功耗波動,交流功耗范圍設(shè)為1～300 mW。根據(jù)上述計算,采樣電阻包括1.1R＜R95＜18.3R,這里選取采樣電阻10R進行功耗測試。

1.4 MCU模塊設(shè)計

MCU模塊是功耗測試儀核心模塊。MCU選擇為ST公司的STM32F207ZE芯片,此芯片具有高速的運行主頻和應(yīng)用接口,ADC模塊具有12 bit測量精度和30 MHz的采樣率,能夠滿足HPLC動態(tài)功耗測試要求。

1.5 顯示模塊和網(wǎng)絡(luò)通信模塊設(shè)計

顯示模塊采用觸摸顯示屏,可以通過界面和系統(tǒng)交互,進行靜態(tài)功耗和動態(tài)功耗測試。網(wǎng)絡(luò)通信模塊可以與上位機軟件交互,支持遠程控制,能夠?qū)y試數(shù)據(jù)上傳給PC端上位機,便于將功耗測試儀集成于其他測試系統(tǒng)中。

2 功耗測試儀軟件實現(xiàn)

功耗測試儀軟件包括兩個部分:MCU程序和交流采集芯片ESEM16程序,兩者之間數(shù)據(jù)通過串口交互,串口連線使用光耦隔離。圖5顯示測試軟件設(shè)計框圖。

圖5 系統(tǒng)主程序流程

測試儀軟件在采樣開始前,首先對系統(tǒng)初始化,然后系統(tǒng)會從顯示屏或上位機軟件中獲取測試指令,判斷是否為靜態(tài)功耗。如果是靜態(tài)功耗,將直接進入數(shù)據(jù)采集和分析處理流程；如果是動態(tài)功耗測試,則進入組網(wǎng)流程。組網(wǎng)過程與實際現(xiàn)場臺區(qū)應(yīng)用類似,首先是MCU模塊模擬虛擬電能表和虛擬集中器,把集中器模塊參數(shù)區(qū)初始化,然后下載表檔案,重啟集中器模塊。此后,系統(tǒng)會循環(huán)查詢組網(wǎng)狀態(tài),待組網(wǎng)完成,進入動態(tài)功耗測試流程。

2.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集主要包括直流電壓電流采集和交流電壓電流采集。MUC模塊可以直接采集直流電壓電流,采集到的二進制數(shù)據(jù)可以通過電路分壓公式算成電流和電壓,從而可以計算出直流瞬時功耗。啟動一輪采樣,每個通道按照采樣序列各采集10次,每個序列采集480Cycles,這樣完成一輪采樣需要(2×10×480)/30 000 000＝320μs, 在程序中延時1 000μs用來完成采樣,在完成一輪采樣之后進行計算,整個計算耗時約3μs。

交流采集是由ESEM16完成,可以通過讀取有功功率寄存器 (EM_PA)值換算得到,EM_PA為一個32位有符號數(shù),以二進制補碼形式表示,負數(shù)代表實際的電能方向為負向。計算公式:

式中,DATA為讀取的相應(yīng)的有功功率寄存器值的十進制數(shù)值；R為錳銅分流器的阻值,Ω；k為電壓通道的分壓比 (k＞1)；Gi和Gu為電流和電壓通道PGA增益；Vref為ADC參考電壓,Vref＝1.3 V。交流采集完成后通過監(jiān)聽串口直流,將測試數(shù)據(jù)發(fā)送到MCU模塊。

2.2 數(shù)據(jù)分析及處理

在靜態(tài)功耗測試中,系統(tǒng)程序?qū)γ總€采樣序列中的各個數(shù)據(jù)進行濾波處理,清除數(shù)據(jù)中存在的誤差,以保證采樣數(shù)據(jù)的真實性及可用性[10]。軟件程序采用的是限幅平均濾波算法,這種算法能夠有效克服因偶然因素引起的脈沖干擾[11-15],對電網(wǎng)中大量的隨機噪聲起到明顯的消除作用。

HPLC模塊動態(tài)發(fā)送時間很短,測試儀測試數(shù)據(jù)會包含動態(tài)功耗數(shù)據(jù)和靜態(tài)功耗數(shù)據(jù),對采集數(shù)據(jù)的濾波處理與靜態(tài)功耗不同。如圖6動態(tài)功耗測試數(shù)據(jù),模塊發(fā)送時的功耗遠大于靜態(tài)功耗,在處理動態(tài)功耗測試數(shù)據(jù)時,設(shè)置一個閾值Pthreshold,當(dāng)大于此閾值時,認(rèn)為是動態(tài)功耗,小于此閾值時為靜態(tài)功耗。在獲取多組動態(tài)功耗數(shù)據(jù)后,再對數(shù)據(jù)進行濾波處理,減少電網(wǎng)中大量的隨機噪聲對動態(tài)功耗測試結(jié)果的影響。

因功耗測試儀使用元器件精度問題,測試數(shù)據(jù)會有偏移,功耗測試儀需要加入功耗補償校準(zhǔn)機制,本方案功耗補償校準(zhǔn)是在測試結(jié)果中加入固定損耗值ΔP。

圖6 動態(tài)功耗測試數(shù)據(jù)

2.3 數(shù)據(jù)顯示及遠程控制

顯示模塊通過串口與MCU模塊通信,可以將顯示屏操作轉(zhuǎn)化為串口指令操控功耗測試儀測試。同樣MCU模塊將測試結(jié)果發(fā)送給顯示模塊,顯示模塊顯示測試結(jié)果。

網(wǎng)絡(luò)通信模塊實現(xiàn)功耗測試儀的遠程控制,通過TCP/IP協(xié)議與PC端上位機通信,遠程通信應(yīng)用層協(xié)議為定制協(xié)議,協(xié)議中有對數(shù)據(jù)的CRC校驗,增加數(shù)據(jù)傳輸過程中的安全性和穩(wěn)定性。

3 測量結(jié)果比較及分析

為了確認(rèn)功耗測試儀的精確性及實用性,使用不同的測試方式對電能表HPLC模塊進行靜態(tài)功耗和動態(tài)功耗的測量比較。為了排除個體差異,本測試選取十個電能表模塊進行測試,測試結(jié)果見表1。

表1 測試結(jié)果對比

從測試結(jié)果數(shù)據(jù)可以看出,在不同的測量方式下,靜態(tài)功耗測試結(jié)果基本一致,但在測試量動態(tài)功耗時,表現(xiàn)出了一定的差異性。動態(tài)功耗測試儀與某省網(wǎng)計量中心測試結(jié)果較為一致,某功率計測試結(jié)果與其他兩種方式差異較大,這主要是某功率計的動態(tài)響應(yīng)慢,測量速率跟不上HPLC模塊發(fā)送時的功耗變化。

4 結(jié)語

本文提出了一種HPLC功耗測試儀的設(shè)計方法,主要由MCU模塊、電源負載模塊、直流功耗測試單元、交流功耗模塊、顯示模塊和網(wǎng)絡(luò)通信模塊組成。該測試儀利用高采樣率的ADC芯片和高精度的交流功耗計量芯片,使直流功耗測量響應(yīng)快,交流功耗測量精準(zhǔn)。通過測量結(jié)果證明本方案設(shè)計的功耗測試儀在動態(tài)功耗上更為精準(zhǔn),此外,本設(shè)計方案成本更低,攜便性和可集成性更好。

由于本測試儀在攜便型、低成本及可集成性的技術(shù)優(yōu)勢,特別是該測試儀的高動態(tài)響應(yīng),并可以高精度測量交流功耗,為HPLC模塊功耗的精確測量提供了一種新的方法,可以廣泛運用到各類HPLC模塊的功耗測量中。