多費率電能表設計策略分析

當前，由于電力供需矛盾十分突出，國家提倡能源的節約，尤其是電能的節約，制定措施推行分時(shí)電價(jià)和電力負荷控制裝置的應用。95年以來(lái)全面推行分時(shí)電價(jià)，這幾年也正是復費率電能表迅速發(fā)展的時(shí)期。電能表也不再是簡(jiǎn)單的電能計量，而是集計量、電能管理、事件記錄、自動(dòng)抄表功能于一體的高科技產(chǎn)品。隨著(zhù)計量芯片的推陳出新，功能日益強大，不僅具有完善的模擬采樣校驗功能，而且還引入了數字信號處理技術(shù)，可以計算多個(gè)電量參數，大大簡(jiǎn)化了多功能表的軟硬件設計。

圖1：?jiǎn)蜗鄰?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/費率">費率電能表系統框圖。

本單相多費率電能表采用ADI公司的ADE775X作為計量芯片，以及Microchip公司的MCU PIC16F7X作為主控芯片，系統框圖如圖1所示。本文主要以組成原理、模擬前端設計、主控MCU功能、PCB抗干擾設計和PCB的布線(xiàn)以及元器件質(zhì)量對電能表精度的影響等幾個(gè)方面進(jìn)行討論。

組成原理

接入線(xiàn)路后，電表通過(guò)分流電阻或電流互感器對信號進(jìn)行采樣，經(jīng)放大、乘法、積分、V/F變換、分頻功率驅動(dòng)等電路處理，利用ADE775x輸出標準脈沖，MCU(PIC16F7X)微控制處理器計量脈沖數或直接通過(guò)其SPI讀取有功電量并根據預先設定的時(shí)段運算出電量在LCD上顯示，并將數據結果保存到EEPROM。本表設有斷電數據自動(dòng)保存功能、時(shí)鐘不中斷等功能，采用專(zhuān)用POS機進(jìn)行紅外通訊或RS-485標準接口通訊連接，對時(shí)段、需量窗口寬度等參數設置，并可以察看分段電量和需量等，實(shí)現了單相四費率分時(shí)電能計量、預置、抄表等集線(xiàn)抄表網(wǎng)絡(luò )功能。

模擬前端設計

圖2給出了兩種電流信號采樣處理方式，一種經(jīng)過(guò)電流互感器接入采樣處理電路(如圖2a)，另一種是經(jīng)過(guò)分流電阻采樣處理電路(如圖2b)。本設計采用第二種方法獲取電流信號，電壓信號檢測一般采用簡(jiǎn)單的電阻衰減網(wǎng)絡(luò )分壓獲得(如圖2c)。

圖2. 模擬前端信號處理。

1.電流輸入

a. 電流互感器

電流互感器次級電流由次級繞阻輸出負載阻抗轉化為一個(gè)電壓量。值得注意的是，如果次級開(kāi)路，即不接負載，在次級會(huì )出現一個(gè)非常大的電壓，可能引起器件損壞。絕大多數電流互感器在50Hz/60Hz存在0.1°-1°相位漂移，導致電量測量誤差，尤其是在低功率因數時(shí)，這種相位漂移或相位誤差可以通過(guò)相位調整寄存器來(lái)糾正。

b. 分流電阻

使用分流電阻來(lái)實(shí)現電流至電壓的轉化是一種單相兩線(xiàn)電能表應用的低成本實(shí)現方法。兩線(xiàn)應用不需要隔離，分流電阻與電流互感器相比不僅沒(méi)有直流飽和問(wèn)題的困擾，而且相位響應線(xiàn)性度動(dòng)態(tài)范圍寬。盡管分流電阻并非純阻抗，存在一定的感性電抗，在50Hz/60Hz比較明顯，即與之相連的信號會(huì )存在一個(gè)超前相位漂移，但很容易用一個(gè)濾波網(wǎng)絡(luò )(R41/C11和R42/C21)來(lái)補償。

2. 電壓輸入

電壓輸入可以直接連接到線(xiàn)路電壓輸入端，通過(guò)增加一個(gè)簡(jiǎn)單的電阻分壓網(wǎng)絡(luò )衰減至合適的范圍，再接至計量芯片ADE775X。電壓通道由于其相對信號較大且要求的動(dòng)態(tài)范圍小，通常配置為單端輸入，如圖2c。V2P允許的最大輸入電壓對地應該不超過(guò)±0.5V，衰減網(wǎng)絡(luò )設計應易于修改。但是為保持通道1、通道2的相位響應一致，電阻R56(1kΩ)不應該改變。

主控MCU部分設計

圖3. RS485通訊接口設計。

1.器件選擇

如圖1，主控MCU部分不僅需要準確采集實(shí)時(shí)有功脈沖信號，產(chǎn)生計量脈沖信號(采用同一信號源作為電量累計和計量，這很重要)，而且需要根據實(shí)時(shí)時(shí)鐘切換費率，保存分時(shí)電量及月電量切換，按照需求顯示電量以及相關(guān)數據。另外，由于一年中溫差顯著(zhù)，對實(shí)時(shí)時(shí)鐘的頻偏不能滿(mǎn)足要求，因此需要實(shí)時(shí)檢測溫度變化，補償實(shí)時(shí)時(shí)鐘頻偏，以滿(mǎn)足各地對時(shí)間偏差的要求。為保證電量不丟失，還需要掉電檢測，及時(shí)保存電量。按照以上要求我們選擇MICROCHIP PIC16F76。為方便軟硬件設計，在外設上我們需用不同設備號I2C接口器件，如數據存儲24LC16、實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片RX-8025(帶校正功能)、溫度檢測芯片TCN75、LCD驅動(dòng)芯片PCF8576C。

2.通訊接口設計

另外提供兩路物理上完全獨立的通訊接口(RS485和紅外)，供校表、編程和抄表用。在RS485接口設計中采用無(wú)間斷收發(fā)切換設計，改變了傳統三線(xiàn)方式接口設計。如圖3。
掉電處理的兩點(diǎn)建議 #e#3. 掉電處理的兩點(diǎn)建議

硬件上，MCU供電電源整形電解電容的容量應該根據掉電檢測開(kāi)始至完成電量存儲所需正常工作電壓所需的時(shí)間間隔來(lái)確定，建議使用2,200uF/16V電解電容。

軟件上一旦檢測到掉電，關(guān)閉中斷，所有不需用的輸入輸出口應遵循電流消耗最少的原則，置為輸入或輸出相應的電平，以保證有足夠的能量保存電量以及相關(guān)的信息。軟件設計流程如圖4所示。

抗EFT/EMI設計的幾點(diǎn)參考

圖4：主程序流程框圖。

為了通過(guò)EFT高壓快速脈沖測試，設計中應該值得考慮的是：

a. 信號輸入端引線(xiàn)串接磁珠電感和磁環(huán)，雙絞線(xiàn)接入;

b. 市電相線(xiàn)和零線(xiàn)間接入壓敏電阻及脈沖吸收電容;

c. PCB布線(xiàn)時(shí)，高壓線(xiàn)路和相關(guān)區域需保持適當的安全距離，各路電源正負線(xiàn)路雙面交叉走線(xiàn)。

為了通過(guò)EMI，設計中應該考慮：PCB大面積鋪地布銅;模擬部分走線(xiàn)盡可能短;考慮芯片自身的電磁屏蔽。

PCB的布線(xiàn)以及元器件質(zhì)量對電能表精度的影響

由于電能表工作環(huán)境較為惡劣，電流電壓回路與市電沒(méi)有隔離，且市電線(xiàn)路上諧波及浪涌干擾十分嚴重，環(huán)境溫度變化范圍大。所以模擬回路電氣參數的穩定，模擬部分PCB板設計和地線(xiàn)、電源線(xiàn)的布局尤其重要。

1.PCB布線(xiàn)的基本原則：

電流電壓部分走線(xiàn)應盡可能短;

地線(xiàn)鋪設面積盡可能大些;

數字地模擬地采用一點(diǎn)串接磁珠連接，有效防止數字地干擾串入模擬地。

2.元器件選擇原則：模擬部分元器件使用高精度SMT元件。