1、高精度抽油机综合电量测量方案研究【摘要】随着物联网的发展，油田数字化逐步在全国各大油田推广。抽油机作为油田抽油提供能量的重要设备，其运行过来中三相电压、电流、功率等关键参数的监测对于实时了解抽油井工作状态，提高才有效率有着重要意义。本文以高精度电量计量芯片 ADE7878 为核心，详细介绍了电机电量测试系统实现电机三相电压、电流、功率等参数采集硬件电路设计。 【关键词】油田数字话 抽油机 高精度电量计量 一、概述 抽油机是油田开采的耗电大户，抽油机电量计量成为油田重要的测试功能之一。它主要是测量抽油机的三相电压、电流和功率等参数，尤其是电流图和功率图对油田用户分析抽油机工矿担负着重要的作用。传
2、统的油田电量测试常采用电压表和电流表的方式测量，存在测试精度差、测试不同步、无法实现电测试等问题。 采用新型的电量专用测量芯片来设计抽油机电机的综合电量测试系统，可以全面的测量电机运行的主要参数，保证测试数据的同步性，实现电量计量等功能。本文介绍基于 ADE7878 的设计的电机综合变量器方案，可以方便地实现以上功能。 二、指标要求 对抽油机电机综合电量变送器的主要要求如下： 三相电压测试范围：（0750）V，最大测量误差不大于 1%FS； 三相电流测试范围：（0100）A，最大测试误差不大于 1%FS； 有功功率测试范围：（0100）kW，最大测试误差不大于 1%FS； 供电电压：三相交流（
3、304456）V，输入功率小于 20W； 采样频率：连续采样电参数的数据输出频率不少于 10 次每秒。 三、总体方案 （一）系统组成、功能和配置 电机综合电量测试系统组成主要包括电路板、电流互感器、测试控制电缆等组成。 （二）主要指标分析 三相电压、电流要求不大于 1%FS，而 ADE7878 技术资料上的理论测试精度为 0.2%FS。经过 ADE7878 芯片评估板 EVAL-ADE7878EBZ 试验验证，精度为 0.37%FS。验证方法是采集三相电压中的一相，采样频率为 1 次/15s。 要求中三相供电电源在变化 20%即（304456）V 的情况下仍能正常工作，而此时电源电路经整流、滤
4、波输出的直流电压范围为（9.614.2）V，因考虑强电弱电隔离设计，本次电源选型方案中增加了隔离电源 DC/DC 模块。 四、电路设计方案 （一）电源电路设计 设备采用交流 380V 输入带有 220V 抽头的变压器，输出为交流8.5V，经整流、滤波电路后输出直流 12V。12V 一路经线性稳压源 LM1117输出 3.3V 为 CPU 电路、通讯电路等供电；另一路经隔离 DC/DC 输出5V，5V 经线性稳压源 LM1117 稳压输出 3.3V 为三相计量电路供电。 （二）电量测量芯片设计 电机电量测试系统采用 ADI 公司的三相计量芯片 ADE7878 为核心进行三相电参测试。三相电流测试
5、采用 4000：1 电流互感器进行电流信号的取样，三相电压使用电阻分压式进行信号取样。 ADE7878 是一款高精度、三相电能计量 IC，采用串行接口，并提供三路灵活的脉冲输出。该器件内置多个二阶-型模数转换器（ADC） 、数字积分器、基准电压源电路及所有必需的信号处理电路，实现总（基波和谐波）有功/视在功率测量和有效值计算，以及基波有功/无功功率测量。此外，ADE7878 可以计算相位和零线电流以及相位电压上的谐波均方根、有功/无功/视在功率，以及所有相位的各谐波上功率因数和谐波失真。同时可针对所有电流和电压计算总谐波失真（THD） 。一个固定功能数字信号处理器（DSP）负责实现这种信号处理
6、。DSP 程序存储在内部ROM 存储器中。 ADE7878 适合测量各种三线、四线的三相配置有功、无功和视在功率，例如 Y 形或三角形等。各相均具有系统校准功能，即均方根失调校正、相位校准和增益校准。CF1、CF2 和 CF3 逻辑输出可提供许多功率信息：总有功/视在功率、电流有效值的和值或基波有功/无功功率。 ADE7878 具有波形采样寄存器，允许访问所有 ADC 输出。这些器件还提供电能质量监测，如瞬时低压或高压检测、瞬时高电流变化、线电压周期测量以及相电压与电流之间的角度等。ADE7878 可以利用 SPI 或 I2C两个串行接口进行通信。ADE7878 提供 40 引脚 LFCSP
7、无铅封装，与ADE7854、ADE7858、ADE7868 和 ADE7880 器件引脚兼容。 （三）CPU 系统设计 本方案中的 CPU 系统选择 NXP 公司的 ARM 芯片 LPC1763，它是 ARM Cortex-M3 内核，此种微控制器在集成度高和低功耗的嵌入式应用中得到广泛应用。 ARM 单片机 LPC1763 具有如下特点： 可在高至 100MHz 的频率下运行。 具有在系统编程（ISP）和在应用编程（IAP）功能的 512KB 片上Flash 程序存储器。 64KB 片内 SRAM； 4 个 UART 接口，1 个 SPI 控制器，3 个 I2C 总线接口。 100 脚 LQFP 封装（14141.4mm） 。 单个 3.3V 电源（2.4V3.6V）供电，温度等级为工业级，范围为-4085。 五、结论 本方案设计的电机综合电量变送器经过样机制造，油田现场试验后得知，满足油田对电量计量的基本要求。特别是成本优势、体积紧凑、电流图和功率图同步测试功能上优势明显，得到油田用户的认可，已投入批量应用。
