0 引言 目前，電力機車普遍使用感應(yīng)式電度表對機車用電進行計量，該表是在民用電度表的基礎(chǔ)上經(jīng)過簡單改進而來的。在實際使用中，機車電度表的計量數(shù)據(jù)和關(guān)口表的計量數(shù)據(jù)相差很大，根據(jù)供電段提供的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，兩者的誤差一般在6.7％～6.8％之間。造成這種情況主要有以下幾個原因：（1）線路的損耗；（2）原有的感應(yīng)式電度表只能計量基波的能量，對于諧波沒有計算在內(nèi)，因而造成了較大的誤差；（3）原有的感應(yīng)式電度表分辨率較低，其分辨率為100kW•h，在耗電小于100kW•h時無法進行用電的統(tǒng)計導(dǎo)致了計量的誤差；（4）人工抄表作業(yè)存在著較大的人為誤差；（5）機車的運行環(huán)境惡劣，由于振動的影響造成了感應(yīng)式電度表計量不準確。本文討論的數(shù)字式電度表采用了先進的數(shù)字計量技術(shù)，計量結(jié)果包括了基波成分和各高次諧波成分，實現(xiàn)了對電能的精確計量，同時通過微控制器將能量計量的分辨率提至更高。此外，新型的數(shù)字式電度表將取代不能測量無功的感應(yīng)式電度表，對正反向有功，正反向無功進行準確的計量和記錄，為電力部門提供更詳盡準確的用電數(shù)據(jù)，同時也使電力機車用電管理更加科學(xué)化、合理化，運營成本更低。 1 電能測量原理 數(shù)字式電度表采用全數(shù)字測量技術(shù)，通過采樣、濾波，再經(jīng)過一系列的數(shù)字信號處理后獲得如下電能值： （1）有功平均功率的計算： 各相的有功功率是通過高通濾波器去除電流、電壓采樣數(shù)據(jù)中的直流分量后，再進行乘法、加法、數(shù)字濾波等一系列數(shù)字信號處理后得到的。無功功率的計算方法與有功類似，只是電壓信號經(jīng)過移相90°之后，再將功率信號對時間進行積分。 2 硬件結(jié)構(gòu) 數(shù)字式電度表通過微控制器對專用電能芯片、LCD模塊、存儲器、通訊模塊等設(shè)備的控制，實現(xiàn)了各種參數(shù)的準確測量、數(shù)據(jù)安全記錄、全軟件校表、友好的人機界面，以及總線通訊傳輸。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。 2.1 測量部分 數(shù)字式電度表測量部分的核心采用了一顆高精度的電能計量專用芯片ATT7022A。在輸入動態(tài)工作范圍（1000∶1）內(nèi)，非線性測量誤差小于0.1％，有功測量滿足0.2s、0.5s，無功測量滿足2級、3級，可準確測量到含21次諧波的有功、無功和視在功率。芯片內(nèi)部集成了6路二階sigma-delta A／D轉(zhuǎn)換器，參考電壓電路，以及所有功率、能量、有效值、功率因數(shù)，以及頻率測量的數(shù)字信號處理電路。它能夠測量有功功率、無功功率、視在功率、正反向有功能量，正反向無功能量，以及電壓電流有效值、功率因數(shù)、相角、頻率等參數(shù)，通過ATT7022A提供的SPI接口與微控制器交換測量數(shù)據(jù)和設(shè)置參數(shù)。除此以外，ATT7022A還支持全數(shù)字域的增益、相位校正，即純軟件校表。芯片提供有功、無功校表脈沖輸出，通過光耦接到標準表進行誤差校正。 2.1.1 ADC輸入 ATT7022A內(nèi)部集成了6路16位ADC，采用雙端差分輸入。輸入最大的正弦信號有效值為1V。通常將電壓通道的ADC輸人選在0.5V左右，電流通道的ADC輸人選擇在0.1V左右，片內(nèi)參考電壓輸出2.4V。ADC結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。 2.1.2 互感器采集通道 電力機車電網(wǎng)電壓為25000V，額定電流為60A，最大電流為300A，通過機車互感器將電壓轉(zhuǎn)換成220V，電流轉(zhuǎn)換成1.5A（6A）。為了滿足ATT7022A電壓和電流ADC通道的輸入要求，用電壓和電流互感器將輸入電壓變換為0.5V左右，將輸入電流變換為0.1V左右，同時采用互感器實現(xiàn)了測量系統(tǒng)和被測系統(tǒng)之間的電氣隔離，輸入通道采用差分輸入抑制共模干擾。互感器采集通道如圖3所示。 2.2 控制部分 考慮到電力機車運行時電磁環(huán)境惡劣，電磁干擾強，數(shù)字式電度表采用了抗干擾能力強，性能可靠的FreeScale 16位微處理器進行控制。經(jīng)過驗證，該微處理器在抗干擾能力和可靠性方面具有良好的性能，能在電力機車各種工況下正常運行；同時，該微控制器運算速度高、片上資源豐富，只需要很少的外圍電路即可構(gòu)成應(yīng)用系統(tǒng)，大大提高了系統(tǒng)的集成度，減小了系統(tǒng)的體積，同時也增強了系統(tǒng)的抗干擾能力。系統(tǒng)還配置了2 K字節(jié)的CMOS EEPROM FM24C16，該存儲器有著快速的存取速度和高達100萬次的擦寫次數(shù)，為系統(tǒng)提供可靠的數(shù)據(jù)記錄；為了擴展顯示內(nèi)容，改善人機接口界面，系統(tǒng)配置了高可靠性的寬溫型LCD，128X64點陣為用戶提供了更詳細的信息；通過系統(tǒng)提供的RS485接口，可以對電度表進行校準參數(shù)設(shè)置和測量數(shù)據(jù)讀取。 3 軟件結(jié)構(gòu) 數(shù)字式電度表在實際使用中要求有長期可靠運行及電能數(shù)據(jù)的安全記錄，因此控制軟件的穩(wěn)定性和容錯性能是影響系統(tǒng)運行的重要方面?？刂栖浖捎脗鹘y(tǒng)的前后臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，主循環(huán)中任務(wù)執(zhí)行由任務(wù)標志控制，確保任務(wù)執(zhí)行的實時性，采用定時器中斷來控制數(shù)據(jù)的定時讀取以及顯示內(nèi)容的定時切換，主程序結(jié)構(gòu)框圖4所示。 MCU與ATT7022A的SPI接口的可靠性和電能數(shù)據(jù)及校準數(shù)據(jù)的安全存儲是控制軟件的2個重要部分。在SPI傳輸方面，采用ATT7022A提供的SPI校驗寄存器來實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)和校表數(shù)據(jù)的準確傳輸；在安全存儲方面，通過數(shù)據(jù)加密，存儲分區(qū)以及數(shù)據(jù)備份來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全存儲。數(shù)據(jù)加密如圖5所示。數(shù)據(jù)加密確保了MCU同存儲器之間數(shù)據(jù)的正確傳輸。在數(shù)據(jù)的存儲方面，為了防止同存儲地址被頻繁寫入導(dǎo)致存儲器損壞，將存儲器地址進行劃分，并在讀寫非常頻繁的部分采用多個地址循環(huán)寫入。對于讀寫頻繁的電能低位數(shù)據(jù)，分配了48個地址對其進行循環(huán)讀寫；大大減小了存儲器的負荷，對于讀寫不太頻繁的高位電能數(shù)據(jù)，通過劃分不同的存儲塊對其進行備份，以確保數(shù)據(jù)的正確存儲。 4 軟件校驗及測試結(jié)果 ATT7022A支持純軟件校驗，將校驗臺的輸出接人數(shù)字式電度表，通過RS485和上位機校驗軟件即可對數(shù)字式電度表進行校驗，如圖6所示。 表1列出了采用ATT7022A的機車專用電子式單相交流電度表的基本誤差測試數(shù)據(jù)，該電度表的設(shè)計精度為有功1級，無功2級，額定電壓為220V，額定電流為1.5A，脈沖常數(shù)為6400imp／kVA•h。 5 結(jié)論 基于ATT7022A的機車專用數(shù)字式電度表實現(xiàn)了全數(shù)字能耗計量，該表大大減小了電力機車電能計量的誤差，并能準確提供正反向有功、無功的電能數(shù)據(jù)，同時具有軟件校驗功能及友好的人機接口。該電度表已在蘭州局迎水橋機務(wù)段試運行了3個月以上，累計計量電能30萬KW•h，計量準確、性能穩(wěn)定，為電力部門提供了詳盡準確的用電數(shù)據(jù)。