電子電度表帶來(lái)電力計量應用的變革

與傳統的機械電度表相比，電子電度表能實(shí)現記錄用電時(shí)間、預付費、自動(dòng)讀表三種重要的功能，而且具有精度高、低功耗、低功率因素檢測和精確的有功功率測量和防亂接行為檢測等功能特性。通過(guò)本文，你可以進(jìn)一步深入了解電子電度表如何實(shí)現這些功能特性，以及基于單片模擬前端芯片MCP3905/6和閃存微控制器PIC18F8490的電子電度表設計方案。

配電網(wǎng)絡(luò )的設計由兩個(gè)同等重要的部分構成：網(wǎng)絡(luò )的物理布線(xiàn)；測量用電量的電度表系統。電子電度表已經(jīng)成為那些新用戶(hù)增長(cháng)快速的地區的自然選擇，由于這些地區沒(méi)有沿用下來(lái)的機械式電度表，為充分利用電子方案所具備的新功能優(yōu)勢提供了理想的環(huán)境。

電子電度表的靈活性允許實(shí)現過(guò)去機械式電度表所做不到的三項重要的計費功能，即記錄用電時(shí)間、預付費、自動(dòng)讀表。

記錄用電時(shí)間技術(shù)的基礎是電度表具備記錄每天不同時(shí)間段的能耗，并針對每個(gè)時(shí)段采用不同費率的功能。這種功能是電力公司的重要工具，因為它有助于鼓勵用戶(hù)每天合理地使用電力、平衡能耗并降低用電高峰，從而優(yōu)化整個(gè)電網(wǎng)的使用。

圖1：MCP3905/6 與PIC18F8490微控制配合用于LCD顯示和 AMR功能。

預付費技術(shù)要求電度表實(shí)際控制供電，只要證明客戶(hù)提供的付款(通過(guò)磁卡、智能卡和其它技術(shù))嚴格達到授信額度的要求。顯然，電力公司因免去了現金的征收成本而獲益匪淺。

為了執行記錄用電時(shí)間和/或預付費功能，電子電度表采用時(shí)鐘和日歷精確地跟蹤用電時(shí)間，如一天的每一個(gè)小時(shí)和一周的每一天(周末通常都不是用電高峰期)。

自動(dòng)讀表(AMR)技術(shù)指的是電度表利用專(zhuān)用線(xiàn)路和/或現有的網(wǎng)絡(luò )基礎設施將讀數傳送到全自動(dòng)計費和通信中心的技術(shù)。目前，在各地區實(shí)現AMR的技術(shù)有如下幾種，包括：短距離RF應用，ZigBee協(xié)議開(kāi)始成為重要的競爭技術(shù)；長(cháng)距離RF應用，例如接入現有的蜂窩電話(huà)網(wǎng)絡(luò )；數據調制解調器，通過(guò)標準的電話(huà)線(xiàn)；電力線(xiàn)載波(PLC)，利用配電網(wǎng)絡(luò )實(shí)現短到中距離數據通信。

更常見(jiàn)的情況是采用部分自動(dòng)采集系統，因為這種方法提供了成本和可靠性的更佳折衷。在發(fā)展中地區尤其如此，那里在安裝電度表時(shí)還沒(méi)有完整的通信基礎設施，勞動(dòng)力可能仍然相對便宜。電力公司不需要電度表直接與計費中心通信，在同一建筑中一個(gè)或多個(gè)電度表的讀數被采集到一個(gè)點(diǎn)，在那里由工作人員通過(guò)連接電子讀表設備來(lái)讀取。電度表和電子讀表設備之間的數據傳輸可靠(優(yōu)于手工抄表)，速度、精度和整個(gè)抄表過(guò)程的總效率提高，這就證明采用AMR技術(shù)的可行性，即使采用這種方法有可能一次僅抄取一只電度表的讀數。部分自動(dòng)采集方案通常采用下列技術(shù)之一來(lái)實(shí)現與讀表設備之間的連接：串行端口(RS-485)用于聯(lián)網(wǎng)一個(gè)位置(如大樓)內的所有電度表；紅外連接用于實(shí)現到實(shí)際讀表設備的連接，通常通過(guò)電度表面板。

目前，在中國紅外連接應用已經(jīng)被編撰到針對電度表的專(zhuān)用DL/T645規范之中的情況，它定義的紅外協(xié)議物理層與其它常見(jiàn)的紅外應用有很大差異。

其它重要的功能特性

提高精度：電子電度表可以輕松地達到0.2%的精度，而機械電度表的典型精度是2%。因此，一個(gè)單一的電子硬件平臺能滿(mǎn)足大量電度表應用的需求，能提高產(chǎn)量并降低成本。

圖2：專(zhuān)用的32kHz振蕩器和定時(shí)器用于RTCC應用。

低功耗：電力行業(yè)通常接受耗電量最多為2W的電度表方案。顯然，即使如此少的耗電量，當安裝量達到數百萬(wàn)只時(shí)，仍會(huì )導致巨大的電力成本。

低功率因素檢測和精確的有功功率測量：近年來(lái)，電機、公路照明和其它低功率因素應用的耗能比例增幅巨大(據稱(chēng)僅電機就占平均負載的40%)，由于無(wú)功功率成分(未測量)浪費了寶貴的電能，給電力設施帶來(lái)了沉重的負擔。

防亂接行為檢測：反接電度表實(shí)施盜電在某些地區可能相當猖獗，因此現在的電度表都專(zhuān)門(mén)設計了識別盜電的功能，例如：負載接地-檢測回路電流(和不平衡負載)；電流路徑逆轉-檢測改接電度表的企圖；永久磁鐵線(xiàn)圈飽和-利用分路和不同通道上的線(xiàn)圈并比較結果；主電壓斷開(kāi)-能檢測到主電壓斷開(kāi)，還能提供次電壓源。

電子電度表便于檢測

為了滿(mǎn)足電力行業(yè)的需要，并幫助設計先進(jìn)的電子電度表，一些半導體制造商已經(jīng)開(kāi)發(fā)了更為新穎、簡(jiǎn)單和靈活的解決方案。這些方案中的第一個(gè)配套電路就是將執行電壓和電流乘積需要的所有模擬功能集成到單片模擬前端(AFE)之中，例如Microchip技術(shù)公司的 MCP3905/6器件，這種電度表AFE的功能包括：

兩個(gè)16位delta-sigma A/D轉換器提供高達1000:1的動(dòng)態(tài)范圍(在MCP3906中)和0.1%的典型精度；

提供極小的28引腳SSOP封裝，當工作在-40到+85℃溫度范圍內時(shí)，它僅僅消耗5mA的典型電流(功耗的典型值是25mW或僅僅是2W預算的一小部分)，參考熱漂移僅僅為15ppm/℃；

可編程增益放大器與電流感應通道的高靈敏度相結合，允許使用很低的分路電阻值(低于200μΩ)；

當檢測到負功率的情況(線(xiàn)路反接)時(shí)，提供反接自動(dòng)報警。

MCP3905/6只要幾個(gè)外部元件就能實(shí)現完整和廉價(jià)的單相電度表設計。而如果將其與先進(jìn)的閃存微控制器如PIC18F8490配合使用(圖1)，則可增強性能。

PIC18系列高性能8位微控制器有100多個(gè)基于閃存技術(shù)的型號，配備了對電度表應用至關(guān)重要的各種功能和外設，以PIC18F8490為例，可用的功能包括：

直接與MCP3905/6 AFE(具有調頻有功功率輸出)接口的輸入捕獲和比較邏輯；

片上LCD顯示驅動(dòng)器，允許對復雜LCD顯示(高達192段顯示)實(shí)現低功耗和廉價(jià)的控制；

16KB增強型閃存程序存儲器，允許在線(xiàn)(生產(chǎn))編程和校準及方便的現場(chǎng)固件升級；

靈活的編碼保護機制，為實(shí)現計費和AMR應用所使用的密碼提供必要的安全措施；

用于功率管理的納瓦技術(shù)，允許電度表以非常低的功耗工作，以維持電度表的使用壽命，并在執行AMR和記費功能時(shí)維持高性能；

片上低功耗32 kHz振蕩器用做實(shí)時(shí)鐘和日歷，以支持“用電時(shí)間”和其它先進(jìn)的計費功能(圖2)；

靈活的異步串行端口，能夠支持RS485及DL/T645紅外自動(dòng)電度表讀表應用；

靈活的同步串行端口，支持連接到外部使用I2C 和/或SPI協(xié)議的非易失性存儲器件(串行EEPROM)；

片上10位A/D轉換器，支持防反接功能和/或溫度感應功能；

斷電檢測和低壓檢測電路，提高魯棒性并增加防反接功能。