基于分流式电流传感器的三相智能电能表设计

论文摘要

随着智能电网的全面建设,对于智能电能表的技术要求也越来越高,目前市场上的三相智能电能表大都采用电磁式电流传感器对交流电流信号进行变换,这种电磁式电流传感器存在成本高,易直流饱和,测量范围小且易受外界电磁干扰等问题,而分流式电流传感器相比于电磁式电流传感器在成本、安装体积、抗直流饱和以及抗电磁干扰能力上都具有极大的优势,本文正是针对分流式电流传感器应用于三相智能电能表中的技术瓶颈,提出了一种通用性强、高可靠性的解决方案,并设计了一款符合技术标准要求的三相智能电能表产品,从而推动分流式电流传感器在三相智能电能中的应用,特别是在防强磁窃电方面的应用。本文首先介绍了课题研究背景,阐述了电能表中常用的几种电流传感器的工作原理与应用现状,并分析了分流式电流传感器应用于三相电能表中的技术瓶颈,然后针对这个技术瓶颈,总结分析了目前市场上已经提出的三种比较典型的解决方案的优缺点,并提出了一种可行性更强的解决方案。在硬件电路设计中,根据解决方案的电气隔离要求,设计了彼此独立的计量电源和系统电源;总结了交流信号采集过程中的抗干扰措施,并对传统锰铜分流器的结构进行了改良;深入剖析了SOC计量芯片MSP430FE425的工作原理及其性能特性;借鉴RS485总线思想,设计了本课题专用的数据通信接口模块;针对防窃电功能的需求,设计了用于电能表外部恒定磁场及交变磁场检测的强磁检测模块;根据四象限电能的定义,设计了对应的实时电能脉冲输出电路;最后介绍了远程抄表中最常用的GPRS模块和载波模块在电能表产品中应用。在系统软件设计中,采用了模块化设计思想,整个软件系统分为计量软件、数据通信接口软件、功能管理软件三部分。重点剖析了ESP430CE1底层计量程序的算法原理以及计量数据组织与处理的方法;制定了主控制MCU与三块SOC计量芯片之间的数据通信协议并详细说明了数据接口软件的设计过程。本文同时也总结分析了计量过程中主要误差的来源及其减少方法,详细说明了目前电能表产品中最常用的误差校正方法的数学实现原理,应用该误差校正方法设计了一款本课题专用的校表软件。最后,对产品样机进行了准确度实验和EMC实验,并进行了实验分析。交流电流线路直流和偶次谐波影响实验、外部交变磁场影响实验、外部连续恒定磁场影响实验这三种影响量误差实验的测试结果表明本课题所设计的三相电能表在抗直流饱和性能以及防强磁窃电性能上具有很大的突破,达到预期设计目标。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究背景
• 1.2 电能表用电流传感器研究与应用现状
• 1.2.1 霍尔电流传感器
• 1.2.2 Rogowski 线圈电流传感器
• 1.2.3 电磁式电流传感器
• 1.2.4 分流式电流传感器
• 1.3 基于分流式电流传感器的三相智能电能表研究现状
• 1.3.1 光电隔离方式解决方案
• 1.3.2 电容隔离方式解决方案
• 1.3.3 电感耦合隔离方式解决方案
• 1.4 课题来源与研究意义
• 1.4.1 课题来源及作者承担的科研任务
• 1.4.2 课题研究意义
• 1.5 论文主要研究内容
• 第2章 系统方案与硬件电路设计
• 2.1 系统技术指标要求与总体方案设计
• 2.1.1 系统技术指标要求
• 2.1.2 系统总体方案设计
• 2.2 电源模块设计
• 2.3 计量模块设计
• 2.3.1 交流信号采集电路
• 2.3.2 SOC 计量芯片
• 2.4 数据通信接口模块设计
• 2.5 功能管理模块设计
• 2.5.1 主控芯片MCU 介绍
• 2.5.2 人机界面设计
• 2.5.3 电能实时脉冲输出电路设计
• 2.5.4 强磁检测模块设计
• 2.5.5 远程抄表模块设计
• 第3章 系统软件设计与实现
• 3.1 系统软件构架
• 3.2 功能管理软件设计
• 3.3 计量软件设计
• 3.3.1 底层计量程序设计
• 3.3.2 计量数据处理与调度程序设计
• 3.4 数据通信接口软件设计
• 3.4.1 初始化设置
• 3.4.2 电力参数数据实时更新
• 3.4.3 校正参数更新
• 3.4.4 电能计量与实时电能脉冲
• 第4章 系统误差分析与校正
• 4.1 系统误差分析
• 4.1.1 误差主要来源及其减少方法
• 4.1.2 电能计量误差校正
• 4.2 校表软件设计
• 第5章 实验测试与分析
• 5.1 准确度实验
• 5.1.1 基本误差实验
• 5.1.2 影响量误差实验
• 5.2 电磁兼容实验
• 结论与展望
• 1.结论
• 2.展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A （攻读学位期间发表的学术论文）
• 附录B （攻读学位期间申请的国家专利）
• 附录C （攻读学位期间参加的科研项目）
• 附录D （产品实物图）