Система высокоточных измерений параметров электрической энергии

УДК 534.441+004.9

СИСТЕМА ВЫСОКОТОЧНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

Г.И. Волович, А.Л. Новоселов

SYSTEM OF HIGH-PRECISION MEASUREMENT OF ELECTRIC ENERGY PARAMETERS

GA. Volovich, A.L. Novoselov

В статье приводится описание системы высокоточных измерений параметров электрической энергии. Представлена структурная схема устройства и описан алгоритм его работы. Проведен выбор основных элементов устройства: аналого-цифрового преобразователя, микроконтроллера и преобразователя интерфейсов. Также в статье представлен алгоритм работы персонального компьютера и описана производимая в нем цифровая фильтрация данных.

Ключевые слова: измерение параметров электрической энергии, цифровой фильтр, микроконтроллер.

The article describes the system of high-precision measurement of electric energy parameters. The block scheme of the device and algorithm of its work are presented. The selection of the primary device elements is held: analog-to-digital converter, microcontroller and interface converter. Also the article gives the algorithm of a PC operation and description of digital filtering conducted by PC.

Keywords: high-precision measurement, digitalfilter, microcontroller.

Система измерений параметров электрической энергии необходима дня любого промышленного предприятия. Она позволяет с высокой точностью определять параметры электроэнергии и как следствие уменьшать затраты на ее использование, что является чрезвычайно важной задачей для крупных предприятий. Поэтому необходимо разработать недорогой измерительный прибор, обладающий высокой точностью, надежностью и простотой в использовании. Предлагается система измерений, состоящая из входных цепей, аналого-цифрового преобразователя, микроконтроллера, преобразователя интерфейсов и персонального компьютера.

Использование современного быстродействующего персонального компьютера позволяет перенести всю обработку информации в компьютер и максимально упростить электрическую схему устройства. Таким образом, облегчается процесс сборки, настройки и ремонта, что значительно уменьшает стоимость устройства. Также использование персонального компьютера позволяет создать удобный пользовательский интерфейс и автоматизировать работу системы измерений.

1. Структурная схема системы измерений

Структурная схема системы измерений параметров электрической энергии представлена на рис. 1. Входные цепи предназначены для приведения исследуемых аналоговых сигналов к требованиям, предъявляемым к входным сигналам аналого-цифрового преобразователя. Точность всей системы измерений во многом зависит от параметров аналого-цифрового преобразователя, поэтому его выбору необходимо уделить самое пристальное внимание. Микроконтроллер должен обладать достаточным быстродействием, для того чтобы успевать считывать данные из аналого-цифрового преобразователя и передавать их в персональный компьютер в реальном масштабе времени, также он должен иметь необходимые для этого интерфейсы. Для согласования интерфейсов микроконтроллера и персонального компьютера служит преобразователь интерфейсов. И, наконец, персональный компьютер осуществляет прием и цифровую обработку данных, позволяет управлять устройством и отображает результат измерений на мониторе.

Волович Георгий Иосифович - д.т.н., профессор кафедры радиотехнических систем ЮУрГУ; §уо1о-vich@mail.ru.

Новоселов Алексей Леонидович — аспирант кафедры радиотехнических систем ЮУрГУ; rts@rts.susu.ac.ru.

Volovich George Iosifovich - PhD, professor of radio engineering system department of SUSU; gvolovich@mail.ru.

Novoselov Alexey Leonidovich - post-graduate student of radio engineering system department of SUSU; rts@rts.su-su.ac.ru.

Рис. 1. Структурная схема системы измерений

2. Выбор аналого-цифрового преобразователя

После преобразования во входных цепях исследуемые аналоговые сигналы поступают в аналого-цифровой преобразователь. В системе измерений параметров электрической энергии необходимо одновременно измерять шесть параметров, поэтому используется шестиканальный аналого-цифровой преобразователь. При проектировании системы мы использовали преобразователи АБ7657 и А073360. Функциональная схема АБ7657 показана на рис. 2.

Рис. 2. Функциональная схема А07657

Микросхема АБ7657 имеет следующие характеристики [1]:

• 6 независимых аналого-цифровых преобразователей;

• разрядность 14 бит;

• биполярные аналоговые входы;

• отношение сигнал/шум 86,5 дБ при частоте входного сигнала 50 Гц;

• максимальная частота выборок 250 кГц;

• мощность 140 мВт при частоте выборок 250 кГц и напряжении 5 В;

• внутренний источник опорного напряжения;

• параллельный и последовательный интерфейсы;

• режим пониженного энергопотребления.

А1>7657 содержит шесть независимых четырнадцатиразрядных аналого-цифровых преобразователей последовательного приближения, имеет хорошее отношение сигнал/шум и может работать с биполярными входными сигналами. Но частота дискретизации ограничивается скоростью передачи данных в персональный компьютер, при скорости 2 Мбит/с частота дискретизации составляет только 10 кГц, что не позволяет получить высокую точность измерений.

Функциональная схема А073360 показана на рис. 3.

Рис. 3. Функциональная схема А073360

Микросхема А073360 имеет следующие характеристики [2]:

• 6 независимых аналого-цифровых преобразователей;

• разрядность 16 бит;

• однополярные аналоговые входы;

• отношение сигнал/шум 77 дБ;

• максимальная частота выборок при использовании кварца 8,192 МГц: 1 МГц;

• мощность 80 мВт при напряжении 3 В;

• внутренний источник опорного напряжения;

• последовательный порт;

• программируемый коэффициент усиления.

Система высокоточных измерений параметров электрической энергии

АБ73360 содержит шесть независимых шестнадцатиразрядных сигма-дельта аналого-цифровых преобразователей с хорошим отношением сигнал/шум. Алгоритм внутренней децимации уменьшает частоту дискретизации до 4 кГц, что позволяет передавать данные в персональный компьютер со скоростью 1 Мбит/с.

При экспериментах с этими двумя аналого-цифровыми преобразователями лучшие результаты показала микросхема М)73360, это можно объяснить более высокой разрядностью и высокой частотой дискретизации с использованием алгоритма цифровой децимации.

3. Выбор микроконтроллера и преобразователя интерфейсов

Связь устройства с персональным компьютером осуществляется с помощью интерфейса ШВ. Интерфейс ШВ обеспечивает высокую скорость передачи данных, прост в использовании и позволяет динамически подключать и отключать устройство, поэтому является идеальным решением [3].

Для обеспечения связи микроконтроллера с шиной ШВ персонального компьютера используется преобразователь интерфейса ШВ в иАЛТ. Нами была выбрана микросхема ЕТ232К, она представляет собой однокристальный асинхронный двунаправленный преобразователь ШВ в последовательный интерфейс. Она включает в себя: ШВ-

приемопередатчик, иЛЯТ-контроллер и буферы, стабилизатор напряжения, умножитель частоты и другие функциональные узлы, которые делают ее готовым решением для быстрой и недорогой модернизации системы для работы с интерфейсом ШВ [4]. Микросхема способна передавать данные в обе стороны со скоростью до 2 Мбит/с, причем пользователю не требуется никаких знаний об устройстве и работе ШВ: поставляемые компанией ПЮ1 программные драйверы создают впечатление, что обмен идет через обычный СОМ-порт [3].

В устройстве используется микроконтроллер АТше§а16 фирмы «Айпе1». Это надежный микроконтроллер с быстродействием 16 МГц, имеющий ШВ и БР1 интерфейсы [5]. Интерфейс 8Р1 используется для связи с аналого-цифровым преобразователем А073360. Для передачи 4000 пакетов, состоящих из 6 шестнадцатиразрядных выборок аналого-цифрового преобразователя и одного контрольного байта, в персональный компьютер достаточно скорости передачи 1 Мбит/с. Так как микроконтроллер АТте§а16 поддерживает скорость интерфейса иАЯТ до 2 Мбит/с, то имеется двойной запас по скорости.

4. Цифровая обработка данных в персональном компьютере

Данные из микроконтроллера поступают в персональный компьютер, где осуществляется вся цифровая обработка. С помощью программы пользователь может управлять устройством, проводить

калибровку, просматривать и сохранять результаты измерений. Алгоритм работы персонального компьютера представлен на рис. 4.

Рис. 4. Алгоритм работы персонального компьютера

После установления режима работы, получения выборок с 6 каналов аналого-цифрового преобразователя и калибровки данные поступают в цифровой высокочастотный фильтр. Он необходим для устранения постоянной составляющей сигнала и имеет следующую передаточную характеристику:

Н

г-0,9985

Затем по мгновенным значениям фазных напряжений и токов вычисляются мгновенные значения линейных напряжений и активные мощности. После возведения в квадрат напряжений и токов данные сглаживаются цифровым втс-фильтром с передаточной характеристикой:

Среднеквадратические значения напряжений и токов, а также средние значения активных мощностей вычисляются после накопления 8000 выборок. Обработка данных происходит за 2 с, после чего значения выводятся на экран.

Заключение

Описанная в статье система высокоточных измерений параметров электрической энергии построена на базе персонального компьютера и небольшого электронного блока. Это позволило максимально упростить электронную часть устройства, возложив всю цифровую обработку данных на персональный компьютер. Использование в системе шестнадцатиразрядного сигма-дельта аналого-цифрового преобразователя с частотой дискретизации 1 МГц и алгоритмов цифровой фильтрации обеспечивает высокую точность измерений.

Связь с персональным компьютером осуществляется по шине USB со скоростью 1 Мбит/с, что позволяет проводить обработку данных в реальном масштабе времени и отображать результаты измерений 1 раз в 2 с. Персональный компьютер автоматизирует работу устройства и предоставляет пользователю удобный интерфейс. Все это делает разработанную систему хорошим решением для использования на предприятиях, нуждающихся в высокоточных измерениях электрической энергии.

Литература

1.250 kSPS, 6-Channel, Simultaneous Sampling Bipolar 16/14/12 Bit ADC AD7656/AD7657/ AD7658.

- 2006. - Режим доступа: http://www.analog.com, свободный.

2. Six-Input Channel Analog Front End AD73360.

- 2000. - Режим доступа: http://www.analog.com, свободный.

3.Агуров, П. В. Интерфейсы USB. Практика использования и программирования / П. В. Агуров.

- СПб.: БХВ-Петербург, 2004. - 576 с.

4.FT232R USB UART. - 2005. - Режим доступа: http://www.ftdchip.com, свободный.

5.ATmegal6 Controller. - 2002. - Режим доступа: http://www.atmel.com, свободный.

Поступила в редакцию 29 сентября 2007г.