智能型量测开关的原理与应用.pdf
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1、130日用电器/Electrical Appliances技术创新/Technology and Innovation智能型量测开关的原理与应用段艳艳1 郭伟萍2 仲 超2(1.浙江德力西国际电工有限公司 杭州 310024;2.杭申集团有限公司杭州之江开关股份有限公司 杭州 311234)摘要:智能型量测开关是将电度表计量功能与智能塑壳断路器“合二为一”的一种智能电器,它用高端带谐波分析的计量芯片和 M4 核 CPU 组合成一个高精度计量与具有“长延时反时限保护、短延时定时限保护、瞬时保护的塑壳断路器”组合成一个整体,实现高精度电能计量、三段保护的智能电器。关键词:电度计量;三段保护;量测开
2、关;谐波分析Abstract:Intelligent measuring switch is a kind of intelligent electrical appliance that combines the measuring function of watt-hour meter with intelligent molded case circuit breaker(MCCB).It uses high-end measuring chip with harmonic analysis and Cortex-M4 CPU to form a high-precision measu
3、ring device,and combines it with molded case circuit breaker with long delay inverse time protection,short delay fixed time protection and instantaneous protection to realize high-precision electric energy measurement and three-stage protection.Key words:electricity metering;three-segment protection
4、;measuring switch;harmonic analysisTheory and Application of Intelligent Measuring Switch引言随着大规模集成电路技术的不断提升,高端计量芯片例如“ATT70 xxx”具有七通道 19 位-ADC,差动输入,可对三通道电压(UA、UB、UC)、四通道电流(IA、IB、IC、IN)进行高精采样,并进行各 41 次谐状分析,以及有功功率、无功功率、视在功率,有功电能,无功电能、功率因数,频率等测量;可用脉冲输出进行远距离传输核显示,并可进行三相三线,三相四线以及正、负功率测量。与 CPU 之间用高速 SPI 接口
5、通信。当采用数据完成后以中断(IRQ)方式告诉 CPU 可以读数;当不需要采样时,可进入休眠模式以减少系统功耗。CPU 选用 HC32xxxxx(M4,168 MHz 时钟,100 Pin,512 KB Flash,192 KB SRAM),3.3 V 供电。CPU 功能是通过 SPI 接口和 I/O 口与计量芯片之间通信,并通过保护互感器测量电流(IA、IB、IC、IN)进行三段保护,通过 HPLC(宽带载波)通信实现与负载电度表远距离通信组网。也可以通过 4G 或 5G 网关或LORA 无通信组网。以及 LCD 显示、键盘接口、脱扣断电等。1 ATT70 xxx 计量芯片与 CPU 之间联
6、系以及外部接口ATT70 xxx 计量芯片与 CPU 之间联系以及外部接口如图 1 所示。1.1 计量芯片与 CPU 之间的联系1)IRQ 中断:当计量芯片采样数据完成时,发出中2023 年 7 月/Jul.2023 131技术创新/断请求,CPU 响应后读数。如:电压、电流、功率、电能、频率、功率因数以及电压、电流各 41 次谐波频谱等。CPU 通过 SPI 接口(/CS=0)与计量芯片芯片通信读数。2)I/O 口信息:CPU 用输出口控制 SLEP 引脚实现工作(1)或休眠(0),以减少功耗。CPU 用输出口可控制 SEL 引脚实现三相三线或三相四线的转换。CPU 用输入口读取 REVP
7、的功率+-方向。即可知功率输入或输出。1.2 计量芯片的电压与电流采样1)电压采样:-ADC,19 位分辨率,差动输入。方法1:2 mA/2 mA 电压型电流互感器,如图2。三相四线制,AC220 V,AC300 V 满量程。R0:高精度金属氧化膜电阻。R1:1206 封装贴片电阻。R0:高精度金属氧化膜电阻。2)电流采样:IA、IB、IC、IN 4CH 差动输入。图 1 ATT70 xxx 计量芯片与 CPU 之间联系以及外部接口二级精密电流采样互感器如图 4。CT1:80 A 800 A/5 A,次级输出 5 A,1.2 倍满量程,10 In/1 s 不损坏。CT2:5 A/5 mA,次级
8、输出 5 mA,1.2 倍满量程,10 In/1 s不损坏。R0:高精度金属氧化膜电阻。图 2 电压采样方法图 3 电压采样方法132日用电器/Electrical Appliances技术创新/Technology and InnovationCT1 与 CT2 之间传输距离 L 10 m。采样用同轴电缆或带屏蔽层的超五类双绞屏蔽线传输,传输距离:L 10 m。1.3 计量芯片的电压、电流各 41 次谐波分析通过 SPI 接口,传递给 CPU 的 LCD 液晶屏上显示电压、电流各 41 次谐波棒图。2 保护型 CPU 的外部接口CPU 的外部接口如图 5 所示。2.1 保护型互感器电流采样、
9、供电电路保护型互感器电流采样、供电电路,如图 6、图 7 所示。互感器变比:1 In/60 mA大通道放大:(212)In/(120720)mA,反相放大。小通道放大:(0.42.0)In/(24120)mA,同相放大,大小两级串联。采样电阻:高精度金属氧化膜电阻。KL=KH*KL (1)式中:KH 一为电流通道第一级增益;图 6 保护型互感器电流采样、供电电路图 4 二级精密电流采样互感器图 5 CPU 的外部接口2023 年 7 月/Jul.2023 133技术创新/KL 一为电流通道第二级增益;KL 一为电流通道总增益。2.2 保护型控制器三段保护特性2.2.1 长延时反时限保护:呈 I
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