0 引言 目前，電力機(jī)車普遍使用感應(yīng)式電度表對(duì)機(jī)車用電進(jìn)行計(jì)量，該表是在民用電度表的基礎(chǔ)上經(jīng)過簡單改進(jìn)而來的。在實(shí)際使用中，機(jī)車電度表的計(jì)量數(shù)據(jù)和關(guān)口表的計(jì)量數(shù)據(jù)相差很大，根據(jù)供電段提供的統(tǒng)計(jì)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(gè)原因：（1）線路的損耗；（2）原有的感應(yīng)式電度表只能計(jì)量基波的能量，對(duì)于諧波沒有計(jì)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(shí)無法進(jìn)行用電的統(tǒng)計(jì)導(dǎo)致了計(jì)量的誤差；（4）人工抄表作業(yè)存在著較大的人為誤差；（5）機(jī)車的運(yùn)行環(huán)境惡劣，由于振動(dòng)的影響造成了感應(yīng)式電度表計(jì)量不準(zhǔn)確。本文討論的數(shù)字式電度表采用了先進(jìn)的數(shù)字計(jì)量技術(shù)，計(jì)量結(jié)果包括了基波成分和各高次諧波成分，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電能的精確計(jì)量，同時(shí)通過微控制器將能量計(jì)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(cè)量無功的感應(yīng)式電度表，對(duì)正反向有功，正反向無功進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)量和記錄，為電力部門提供更詳盡準(zhǔn)確的用電數(shù)據(jù)，同時(shí)也使電力機(jī)車用電管理更加科學(xué)化、合理化，運(yùn)營成本更低。 1 電能測(cè)量原理 數(shù)字式電度表采用全數(shù)字測(cè)量技術(shù)，通過采樣、濾波，再經(jīng)過一系列的數(shù)字信號(hào)處理后獲得如下電能值： （1）有功平均功率的計(jì)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(jìn)行乘法、加法、數(shù)字濾波等一系列數(shù)字信號(hào)處理后得到的。無功功率的計(jì)算方法與有功類似，只是電壓信號(hào)經(jīng)過移相90°之后，再將功率信號(hào)對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分。 2 硬件結(jié)構(gòu) 數(shù)字式電度表通過微控制器對(duì)專用電能芯片、LCD模塊、存儲(chǔ)器、通訊模塊等設(shè)備的控制，實(shí)現(xiàn)了各種參數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)量、數(shù)據(jù)安全記錄、全軟件校表、友好的人機(jī)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(cè)量部分 數(shù)字式電度表測(cè)量部分的核心采用了一顆高精度的電能計(jì)量專用芯片ATT7022A。在輸入動(dòng)態(tài)工作范圍（1000∶1）內(nèi)，非線性測(cè)量誤差小于0.1％，有功測(cè)量滿足0.2s、0.5s，無功測(cè)量滿足2級(jí)、3級(jí)，可準(zhǔn)確測(cè)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(cè)量的數(shù)字信號(hào)處理電路。它能夠測(cè)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(cè)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(biāo)準(zhǔn)表進(jìn)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(hào)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(jī)車電網(wǎng)電壓為25000V，額定電流為60A，最大電流為300A，通過機(jī)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(shí)采用互感器實(shí)現(xiàn)了測(cè)量系統(tǒng)和被測(cè)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?；ジ衅鞑杉ǖ廊鐖D3所示。 2.2 控制部分 考慮到電力機(jī)車運(yùn)行時(shí)電磁環(huán)境惡劣，電磁干擾強(qiáng)，數(shù)字式電度表采用了抗干擾能力強(qiáng)，性能可靠的FreeScale 16位微處理器進(jìn)行控制。經(jīng)過驗(yàn)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(jī)車各種工況下正常運(yùn)行；同時(shí)，該微控制器運(yùn)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(shí)也增強(qiáng)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(chǔ)器有著快速的存取速度和高達(dá)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(kuò)展顯示內(nèi)容，改善人機(jī)接口界面，系統(tǒng)配置了高可靠性的寬溫型LCD，128X64點(diǎn)陣為用戶提供了更詳細(xì)的信息；通過系統(tǒng)提供的RS485接口，可以對(duì)電度表進(jìn)行校準(zhǔn)參數(shù)設(shè)置和測(cè)量數(shù)據(jù)讀取。 3 軟件結(jié)構(gòu) 數(shù)字式電度表在實(shí)際使用中要求有長期可靠運(yùn)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(cuò)性能是影響系統(tǒng)運(yùn)行的重要方面。控制軟件采用傳統(tǒng)的前后臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，主循環(huán)中任務(wù)執(zhí)行由任務(wù)標(biāo)志控制，確保任務(wù)執(zhí)行的實(shí)時(shí)性，采用定時(shí)器中斷來控制數(shù)據(jù)的定時(shí)讀取以及顯示內(nèi)容的定時(shí)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(zhǔn)數(shù)據(jù)的安全存儲(chǔ)是控制軟件的2個(gè)重要部分。在SPI傳輸方面，采用ATT7022A提供的SPI校驗(yàn)寄存器來實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)和校表數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸；在安全存儲(chǔ)方面，通過數(shù)據(jù)加密，存儲(chǔ)分區(qū)以及數(shù)據(jù)備份來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)加密如圖5所示。數(shù)據(jù)加密確保了MCU同存儲(chǔ)器之間數(shù)據(jù)的正確傳輸。在數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)方面，為了防止同存儲(chǔ)地址被頻繁寫入導(dǎo)致存儲(chǔ)器損壞，將存儲(chǔ)器地址進(jìn)行劃分，并在讀寫非常頻繁的部分采用多個(gè)地址循環(huán)寫入。對(duì)于讀寫頻繁的電能低位數(shù)據(jù)，分配了48個(gè)地址對(duì)其進(jìn)行循環(huán)讀寫；大大減小了存儲(chǔ)器的負(fù)荷，對(duì)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(chǔ)塊對(duì)其進(jìn)行備份，以確保數(shù)據(jù)的正確存儲(chǔ)。 4 軟件校驗(yàn)及測(cè)試結(jié)果 ATT7022A支持純軟件校驗(yàn)，將校驗(yàn)臺(tái)的輸出接人數(shù)字式電度表，通過RS485和上位機(jī)校驗(yàn)軟件即可對(duì)數(shù)字式電度表進(jìn)行校驗(yàn)，如圖6所示。 表1列出了采用ATT7022A的機(jī)車專用電子式單相交流電度表的基本誤差測(cè)試數(shù)據(jù)，該電度表的設(shè)計(jì)精度為有功1級(jí)，無功2級(jí)，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(jī)車專用數(shù)字式電度表實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字能耗計(jì)量，該表大大減小了電力機(jī)車電能計(jì)量的誤差，并能準(zhǔn)確提供正反向有功、無功的電能數(shù)據(jù)，同時(shí)具有軟件校驗(yàn)功能及友好的人機(jī)接口。該電度表已在蘭州局迎水橋機(jī)務(wù)段試運(yùn)行了3個(gè)月以上，累計(jì)計(jì)量電能30萬KW•h，計(jì)量準(zhǔn)確、性能穩(wěn)定，為電力部門提供了詳盡準(zhǔn)確的用電數(shù)據(jù)。