0 引言 目前，電力機車普遍使用感應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上經過簡單改進而來的。在實際使用中，機車電度表的計量數據和關口表的計量數據相差很大，根據供電段提供的統計數據，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）原有的感應式電度表只能計量基波的能量，對于諧波沒有計算在內，因而造成了較大的誤差；（3）原有的感應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計導致了計量的誤差；（4）人工抄表作業存在著較大的人為誤差；（5）機車的運行環境惡劣，由于振動的影響造成了感應式電度表計量不準確。本文討論的數字式電度表采用了先進的數字計量技術，計量結果包括了基波成分和各高次諧波成分，實現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，新型的數字式電度表將取代不能測量無功的感應式電度表，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據，同時也使電力機車用電管理更加科學化、合理化，運營成本更低。 1 電能測量原理 數字式電度表采用全數字測量技術，通過采樣、濾波，再經過一系列的數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、電壓采樣數據中的直流分量后，再進行乘法、加法、數字濾波等一系列數字信號處理后得到的。無功功率的計算方法與有功類似，只是電壓信號經過移相90°之后，再將功率信號對時間進行積分。 2 硬件結構 數字式電度表通過微控制器對專用電能芯片、LCD模塊、存儲器、通訊模塊等設備的控制，實現了各種參數的準確測量、數據安全記錄、全軟件校表、友好的人機界面，以及總線通訊傳輸。系統結構框圖如圖1所示。 2.1 測量部分 數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。在輸入動態工作范圍（1000∶1）內，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。芯片內部集成了6路二階sigma-delta A／D轉換器，參考電壓電路，以及所有功率、能量、有效值、功率因數，以及頻率測量的數字信號處理電路。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、相角、頻率等參數，通過ATT7022A提供的SPI接口與微控制器交換測量數據和設置參數。除此以外，ATT7022A還支持全數字域的增益、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，片內參考電壓輸出2.4V。ADC結構框圖如圖2所示。 2.1.2 互感器采集通道 電力機車電網電壓為25000V，額定電流為60A，最大電流為300A，通過機車互感器將電壓轉換成220V，電流轉換成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了測量系統和被測系統之間的電氣隔離，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境惡劣，電磁干擾強，數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成應用系統，大大提高了系統的集成度，減小了系統的體積，同時也增強了系統的抗干擾能力。系統還配置了2 K字節的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，為系統提供可靠的數據記錄；為了擴展顯示內容，改善人機接口界面，系統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；通過系統提供的RS485接口，可以對電度表進行校準參數設置和測量數據讀取。 3 軟件結構 數字式電度表在實際使用中要求有長期可靠運行及電能數據的安全記錄，因此控制軟件的穩定性和容錯性能是影響系統運行的重要方面。控制軟件采用傳統的前后臺系統結構，主循環中任務執行由任務標志控制，確保任務執行的實時性，采用定時器中斷來控制數據的定時讀取以及顯示內容的定時切換，主程序結構框圖4所示。 MCU與ATT7022A的SPI接口的可靠性和電能數據及校準數據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校驗寄存器來實現測量數據和校表數據的準確傳輸；在安全存儲方面，通過數據加密，存儲分區以及數據備份來實現數據的安全存儲。數據加密如圖5所示。數據加密確保了MCU同存儲器之間數據的正確傳輸。在數據的存儲方面，為了防止同存儲地址被頻繁寫入導致存儲器損壞，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寫入。對于讀寫頻繁的電能低位數據，分配了48個地址對其進行循環讀寫；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據，通過劃分不同的存儲塊對其進行備份，以確保數據的正確存儲。 4 軟件校驗及測試結果 ATT7022A支持純軟件校驗，將校驗臺的輸出接人數字式電度表，通過RS485和上位機校驗軟件即可對數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據，該電度表的設計精度為有功1級，無功2級，額定電壓為220V，額定電流為1.5A，脈沖常數為6400imp／kVA•h。 5 結論 基于ATT7022A的機車專用數字式電度表實現了全數字能耗計量，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、無功的電能數據，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、性能穩定，為電力部門提供了詳盡準確的用電數據。