【摘 要】隨著智能電網(wǎng)的迅速發(fā)展，智能電力儀表也被越來越多的開發(fā)和應(yīng)用。其中智能三相電表能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控電網(wǎng)中的電壓，電流以及功率等參數(shù)，并且將這些參數(shù)反饋給電網(wǎng)系統(tǒng)，從而保證了電網(wǎng)的穩(wěn)定高效。同時(shí)，智能三相表采用了Profibus通訊技術(shù)，能夠穩(wěn)定和快速的傳輸數(shù)據(jù)，保證了智能電力儀表在復(fù)雜工業(yè)環(huán)境中的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】智能電網(wǎng)；智能三相電表；Profibus通訊技術(shù)

1.引言

智能電力儀表是一種用于中低壓系統(tǒng)智能化裝置，它集數(shù)據(jù)采集和控制功能于一身，具有電力參數(shù)測(cè)量及電能計(jì)量為一體，提供通訊接口與計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)連接。其操作方式人性化，操作者能在短時(shí)間內(nèi)掌握，閱讀數(shù)據(jù)和參數(shù)設(shè)置等操作將變得簡(jiǎn)單易行。廣泛用于中、低壓變配電自動(dòng)化系統(tǒng)，工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)、智能型開關(guān)柜、樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)、負(fù)控系統(tǒng)、能源管理系統(tǒng)、工廠電量考核管理等。

中國電力科學(xué)研究院相關(guān)人士透露，國家對(duì)智能電網(wǎng)的建設(shè)規(guī)劃具體思路為：在2020年之前分三個(gè)階段實(shí)施，第一個(gè)階段為2009-2010年，主要是研究和試點(diǎn)；第二個(gè)階段是2011-2015年，智能電網(wǎng)將大規(guī)模實(shí)施；第三階段是2016-2020年，實(shí)現(xiàn)整體的完善和提升。國家電網(wǎng)公司正在加緊制定的我國智能電網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)包括近200項(xiàng)。由此可見，國家電網(wǎng)提出要建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)統(tǒng)一智能電網(wǎng)，其中，堅(jiān)強(qiáng)主要依靠一次設(shè)備完成，而智能要靠二次設(shè)備實(shí)現(xiàn)，統(tǒng)一則體現(xiàn)了技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一。反映到設(shè)備商身上，二次設(shè)備將成為智能電網(wǎng)的主要受益方。而本文中所要論述的智能電力儀表正是構(gòu)成智能電網(wǎng)的一部分，其對(duì)智能電網(wǎng)的建設(shè)有著十分重要的作用，綜上所述，對(duì)于智能儀表的各種功能的研究和開發(fā)具有迫切性和必要性以及廣闊的前景。

2.智能電力儀表的作用以及設(shè)計(jì)原理

2.1 基于智能電力儀表的電網(wǎng)監(jiān)控結(jié)構(gòu)與作用

隨著各類精密儀器被越來越多的應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)過程中，這類精密生產(chǎn)設(shè)備對(duì)其電網(wǎng)要求也十分高，若是由于雷擊等突發(fā)狀況電網(wǎng)出現(xiàn)不穩(wěn)定時(shí)，會(huì)對(duì)這些生產(chǎn)設(shè)備的正常工作產(chǎn)生負(fù)面影響，甚至?xí)p壞這些設(shè)備，導(dǎo)致很大的經(jīng)濟(jì)損失[5，6，7]。本文設(shè)計(jì)的智能三相電表適用于集成在提供給工礦企業(yè)的控制電網(wǎng)中，其能夠很好的服務(wù)于智能電網(wǎng)的建設(shè)完善，其作用如圖1如示：

（1）實(shí)時(shí)監(jiān)控電網(wǎng)動(dòng)態(tài)，將電網(wǎng)的檢測(cè)數(shù)據(jù)通訊給上位機(jī)，再由上位機(jī)與供電系統(tǒng)進(jìn)行通訊，從而有效及時(shí)的保證電網(wǎng)的穩(wěn)定；

（2）當(dāng)出現(xiàn)雷電等突發(fā)狀況出現(xiàn)時(shí)，電網(wǎng)出現(xiàn)波動(dòng)異常，智能三相表將異常反饋給上位機(jī)，上位機(jī)能夠根據(jù)情況及時(shí)對(duì)電網(wǎng)供電設(shè)備進(jìn)行控制盒保護(hù)，防止出現(xiàn)生產(chǎn)中斷以及設(shè)備損壞的情況產(chǎn)生；

（3）智能三相表能夠掌握電網(wǎng)中設(shè)備的用電狀況，提供大量數(shù)據(jù)，企業(yè)可以根據(jù)這些數(shù)據(jù)制定更加經(jīng)濟(jì)環(huán)保的用電計(jì)劃。

2.2 智能電力儀表的設(shè)計(jì)原理

設(shè)計(jì)的智能三相表能夠測(cè)量電壓有效值，電流有效值，有功功率以及有功能量，無功功率以及無功能量等參數(shù)的測(cè)量。

（Ⅰ）電壓\\電流有效值

其通過對(duì)電壓\\電流采樣值進(jìn)行平方，開方以及數(shù)字濾波等一系列運(yùn)算得到。

（Ⅱ）有功功率以及有功能量

根據(jù)有功功率的公式P=，通過對(duì)去直流分量的電流電壓信號(hào)進(jìn)行乘法加法以及數(shù)字濾波等一系列數(shù)字信號(hào)處理后可得到有功功率。

（Ⅲ）無功功率以及無功能量

根據(jù)無功功率的計(jì)算公式，其計(jì)算與有功功率相似，區(qū)別只是電壓信號(hào)采用移相后90°后的信號(hào)。

無功能量的計(jì)算與有功基本一致，在此不再贅述。

除了上述的內(nèi)容之外，本文設(shè)計(jì)的智能三相表還能測(cè)量視在功率以及視在能量，電壓線頻率，電壓電流相角，電壓夾角，電壓電流相序檢測(cè)等，由于篇幅原因，就不一一介紹了[6]。

3.智能電力儀表的硬件實(shí)現(xiàn)

如圖2所示，在我們?cè)O(shè)計(jì)的智能電力儀表中通過傳感器及采樣電路對(duì)電力信號(hào)進(jìn)行采集、變換并送往計(jì)量專用芯片，由計(jì)量專用芯片得到各電力計(jì)量基本參數(shù)，CPU可通過通訊獲取所需基本參數(shù)，并進(jìn)行分析、計(jì)算，最終得到各電力真實(shí)值，例如三相電的線電壓，相電壓，相序等等。然后這些數(shù)據(jù)會(huì)通過顯示電路進(jìn)行顯示或發(fā)給rofibus專用芯片，該芯片會(huì)根據(jù)Profibus通訊協(xié)議完成和上位機(jī)的通訊。

如圖3所示，ATT7022B是我們所選用的計(jì)量專用芯片。ATT7022B是一顆高精度三相電能專用計(jì)量芯片，其能夠測(cè)量各相以及合相的有功功率、無功功率、有功能量以及無功能量，同時(shí)還能測(cè)量各相電流、電壓有效值、功率因數(shù)、相角、頻率等參數(shù)，充分滿足三相復(fù)費(fèi)率多功能電能表的需求，同時(shí)ATT7022B還提供一個(gè)SPI接口，方便與外部MCU之間進(jìn)行計(jì)量參數(shù)以及校表參數(shù)的傳遞，所有計(jì)量參數(shù)都可以通過SPI接口讀出，其內(nèi)部電壓監(jiān)測(cè)電路可以保證加電和斷電時(shí)正常工作。因此，該芯片完全滿足我所需要的設(shè)計(jì)要求。

如圖4所示，是CPU和Profibus之間的連接。

其中CPU選用的是ATmega128/128L，而Profibus專用芯片選用的是SPC3。Atmega128是一款基于AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗CMOS 8位單片機(jī)通過在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行一條指令A(yù)Tmega8可以取得1MIPS/MHz的性能。

而SPC3集成了OSI模型的第一層（特別是模擬傳輸RS485驅(qū)動(dòng)器）和第二層的執(zhí)行總線FDL以及接口服務(wù)和管理協(xié)議。余下的第二層功能如用戶接口、數(shù)據(jù)管理等、就需要通過軟件來實(shí)現(xiàn)[1，2]。

4.智能電力儀表的軟件實(shí)現(xiàn)

本次設(shè)計(jì)中主要需要完成的軟件設(shè)計(jì)包含以下幾個(gè)部分：（1）對(duì)于ATT7022B計(jì)量芯片的編程，以此來達(dá)到計(jì)算出電力參數(shù)的目的；（2）對(duì)于CPU的程序設(shè)計(jì)，本文中主要介紹對(duì)于其接收和輸出參數(shù)的軟件結(jié)構(gòu)；（3）對(duì)于SPC3的程序編寫，本文中會(huì)介紹其與上位機(jī)的通訊實(shí)現(xiàn)以及數(shù)據(jù)交換診斷的實(shí)現(xiàn)。本文中重點(diǎn)介紹Profibus的應(yīng)用，因此以下重點(diǎn)介紹的是關(guān)于CPU的數(shù)據(jù)交互的實(shí)現(xiàn)，以及Profibus專用芯片的數(shù)據(jù)交互的實(shí)現(xiàn)。

（1）ATmega128/128L接收和輸出參數(shù)的程序?qū)崿F(xiàn)

圖5主要是ATmega128/128L接收計(jì)量芯片發(fā)出數(shù)據(jù)的軟件實(shí)現(xiàn)框圖，而圖6是ATmega128/128L向SPC3發(fā)送數(shù)據(jù)的示意圖。當(dāng)CPU需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換時(shí)，就會(huì)調(diào)用上述兩種中斷程序，當(dāng)數(shù)據(jù)交換完畢后，完成中斷，回到主程序。

（2）SPC3的通訊程序?qū)崿F(xiàn)

圖7主要是設(shè)計(jì)中SPC3與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和診斷的軟件實(shí)現(xiàn)。

5.結(jié)語

本設(shè)計(jì)中的智能電力儀表，能夠在波特率范圍9.6KBd~12MBd下，通過Profibus總線和上位機(jī)進(jìn)行通信，Profibus總線技術(shù)具有高效，可靠等特性。因此解決了原先企業(yè)產(chǎn)品中使用普通電力儀表帶來的監(jiān)控滯后以及誤差等問題。同時(shí)，又由于本設(shè)計(jì)中的電力儀表使用的計(jì)量芯片和CPU也具有高效的計(jì)算速度，因此可以使計(jì)量的速度更加快，計(jì)量中的誤差更加小，從而進(jìn)一步增強(qiáng)的智能電力儀表的可靠性。通過在實(shí)際產(chǎn)品中的測(cè)試，本設(shè)計(jì)中的智能電力儀表能夠在惡劣的工業(yè)環(huán)境中良好的景象工作，符合設(shè)計(jì)要求，并滿足工礦企業(yè)的實(shí)際需求，到達(dá)了我們的設(shè)計(jì)目的。

目前由于形勢(shì)的需要，國家政府的大力推動(dòng)，智能電力儀表的開發(fā)與生產(chǎn)正在國內(nèi)廣泛的開展，并且涌現(xiàn)出大量的企業(yè)以及科技單位來從事研究這些項(xiàng)目，可見這個(gè)領(lǐng)域具有十分廣闊的空間和市場(chǎng)。但是，由于我們開拓這塊領(lǐng)域的時(shí)間相比國外還有滯后，因此我們的技術(shù)水平還有待提高，我們還需要進(jìn)一步摸索和學(xué)習(xí)，但是相信前景是美好和光明的。

參考文獻(xiàn)

[1]SPC3. Siemens PROFIBUS Controller User Description，Siemens，1996.

[2]SIEMENS.SPC3 User Description [R].1996.

[3]周志敏，紀(jì)愛華.Profibus總線系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].中國電力出版社，2009.