單相、三相多功能電能表及網(wǎng)絡(luò )電能表原理及設

單相、三相多功能電能表及網(wǎng)絡(luò )電能表原理及設計

中國目前已成為世界電能計量行業(yè)最具有活力的市場(chǎng)。城鄉電網(wǎng)改造結束后，電能表市場(chǎng)需求從高速增長(cháng)期逐步向平穩發(fā)展期過(guò)渡，居民新增表、網(wǎng)改輪換表以及對外出口的推動(dòng)使電能表仍有巨大的市場(chǎng)容量。同時(shí)電能表也從普通功能型向長(cháng)壽命、高精度、分時(shí)段、多功能、網(wǎng)絡(luò )化等高科技含量和高附加值的方向發(fā)展。

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單相多功能電能表

本文介紹的方案的電能計量芯片選用美國ADI公司的ADE7753。ADE7753集成了2路16位Δ-ΣADC、高性能DSP、電壓基準及溫度傳感器等電路，在1000:1動(dòng)態(tài)范圍內誤差小于0.1%；提供有功、無(wú)功及視在電能、電壓、電流有效值及波形采樣等數據；功率、相位及輸入失調可實(shí)現數字校準；在環(huán)境條件變化很大和長(cháng)時(shí)間使用條件下，采用專(zhuān)利技術(shù)的ADC及DSP仍能保證高精度。實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)選用EPSON公司的RX8025，單片機每隔一段時(shí)間根據環(huán)境溫度的變化對RX8025的內置晶體進(jìn)行補償，以實(shí)現高穩定高精度的實(shí)時(shí)時(shí)鐘。

下面對基于以上芯片方案在單相多功能電能表應用中的一些關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行討論。

1．如何選擇電流傳感器

電流傳感器具有多種選擇，各自具有不同的特點(diǎn)：電流互感器(CT)的優(yōu)點(diǎn)是信號大、精度高、信號完全隔離，缺點(diǎn)是成本高、存在相差，并且在大電流或電網(wǎng)中存在直流分量時(shí)容易飽和；錳銅分流器的優(yōu)點(diǎn)是成本低，不受直流分量影響，缺點(diǎn)是信號小，存在寄生電感，并且不隔離；di/dt微分電流傳感器徹底消除了錳銅分流器不隔離、存在寄生電感的缺點(diǎn)，也消除了傳統的電流互感器的相位誤差和大電流時(shí)過(guò)飽和的缺點(diǎn)，而且成本非常低廉。

2．如何實(shí)現防竊電功能

ADE7753只有1路電流通道，要實(shí)現防竊電功能，必須使用模擬開(kāi)關(guān)在零線(xiàn)和火線(xiàn)CT之間進(jìn)行切換。使ADE7753工作于LINE CYCLE(整數電壓周期)工作模式(LINCYC=2)，計算電能及電流等數據。隔一段時(shí)間把電流切換到另一通道，比較兩路的電流大小是否超出一定值，如超出則給出竊電標志，電能按電流較大的通道計算。切換期間的電能數據使用上個(gè)LINCYC數據。

3．如何對無(wú)功電能進(jìn)行補償

ADE7753的無(wú)功計算是將電流移相90°與電壓進(jìn)行相乘得到的。由于移相存在有微小角差，要得到高精度的無(wú)功電能，可進(jìn)行相位補償。補償公式：Q=S×Sin(f+D)=S×Sinf×CosD+S×Cosf×SinD=Qr+Pr×C，即相位補償只需將有功寄存器值乘一常數加到無(wú)功寄存器值上即可。當電網(wǎng)頻率發(fā)生變化時(shí)，移相器的角差也會(huì )發(fā)生線(xiàn)性變化，此時(shí)無(wú)功電能的頻率補償方法是：Q(f0)=Q(fl)×fl/f0，其中f0為基準頻率、fl為電網(wǎng)頻率。

4．如何輸出無(wú)功電能脈沖

圖2：三相多功能電能表框圖。

ADE7753只有有功的電能脈沖輸出，無(wú)功電能脈沖必須由MCU發(fā)出。有兩種方法：1.

不斷讀取電能值進(jìn)行累加，達到脈沖當量時(shí)即發(fā)出脈沖；2. MCU根據功率值，定時(shí)發(fā)出脈沖。前者受讀數據間隔及MCU速率影響，會(huì )造成精度有一定跳動(dòng)；后者的脈沖跳動(dòng)很小，但要占用MCU的定時(shí)器資源。

5．為何選用RF通訊而不是紅外通訊

紅外通訊在實(shí)際應用中存在一些缺點(diǎn)：通訊距離小于10米、具有方向限制、通訊速率低、易受太陽(yáng)光、日光等光線(xiàn)干擾影響通訊。這里選用了ADI公司的RF芯片ADF7020，它克服了紅外通訊的缺點(diǎn)，其通訊距離可超過(guò)200米、無(wú)方向限制、波特率可達9,600、抗干擾強，并可通過(guò)軟件協(xié)議進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)。

三相多功能電能表

精度為0.5級和0.5S的三相多功能電能表可以采用ADE7758。ADE7758內部集成了6路16位Δ-ΣADC、高性能DSP、電壓基準及溫度傳感器等電路，在1000:1動(dòng)態(tài)范圍內誤差小于0.1%；提供有功、無(wú)功及視在電能、電壓、電流有效值及波形采樣等數據；三相三線(xiàn)/三相四線(xiàn)兼容；DSP內部對無(wú)功電能進(jìn)行了補償；提供獨立的有功電能及無(wú)功電能脈沖輸出。這些功能特點(diǎn)大大減少了MCU的軟件開(kāi)發(fā)工作量。

三相多功能電能表面臨以下的問(wèn)題：不斷增加的功能要求(四象限有功、無(wú)功電能計量、諧波分析、智能抄表、用電管理及負荷控制等)；不斷提高的精度要求；不斷升級的通訊協(xié)議；越來(lái)越嚴格的成本控制。下面介紹采用Blackfin高性能DSP處理器實(shí)現的0.2級三相多功能電能表的方案。

高精度電能表對處理器的要求：乘法速度快，能滿(mǎn)足每個(gè)周期160點(diǎn)6個(gè)通道的計算；比較大的RAM空間，可以輕松完成FFT(傅立葉變換)和其它濾波處理；具有比較高的數據接口，6個(gè)通道8kHz采樣數據能順利傳輸到處理器；能夠方便增加功能，滿(mǎn)足電能表不斷變化的需求；電磁兼容性好，產(chǎn)品做出來(lái)不僅指標高，還要耐用；開(kāi)發(fā)環(huán)境好，能比較快上市；比較低的成本，與進(jìn)口表相比具有優(yōu)勢。采用Blackfin高性能DSP處理器解決方案可以滿(mǎn)足以上要求:可以使用過(guò)采樣提高精度；可以使用高速采樣提高諧波精度；可以使用系統資源獲得高穩定的校表輸出；可以使用豐富的內存資源對被測量作細微補償。A/D轉換采用了AD73360，它能保證6路模擬信號同時(shí)采樣，且在變換過(guò)程中延遲很小，非常適合三相電能的采樣。

網(wǎng)絡(luò )電能表

這是一種基于西門(mén)子公司TC45無(wú)線(xiàn)模塊的無(wú)線(xiàn)抄表系統解決方案。本方案通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò )實(shí)現對電力抄表系統的數據傳輸和智能控制。

圖3：系統框圖。

系統充分利用了TC45支持GPRS、內嵌TCP/IP協(xié)議、能夠進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)等智能化特性，通過(guò)TC45模塊建立GPRS無(wú)線(xiàn)通信鏈路，進(jìn)行基于TCP/IP的數據傳輸，實(shí)現了IP地址設定、電能表數據無(wú)線(xiàn)抄讀、電能表數據定時(shí)存儲、遠程I/O端口控制、報警通知、充電管理、停電數據保護、自動(dòng)重啟、三相供電、實(shí)時(shí)時(shí)鐘等十大功能。系統中所有數據傳輸均嚴格遵循多功能電能表通信規范，即645標準，具有良好的可移植性和可擴展性。

系統由多功能電能表、TC45模塊擴展板和服務(wù)器端組成，如圖3所示。擴展板電路向客戶(hù)開(kāi)放。TC45模塊的串口2經(jīng)光隔離RS485接口與電能表連接，實(shí)現了抄讀等數據通信和對電能表的智能控制。具體實(shí)現：模塊接收服務(wù)器端通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò )傳達的數據，經(jīng)過(guò)分析，相關(guān)查詢(xún)指令通過(guò)串口2傳輸給電能表，電能表接收到查詢(xún)命令后，反饋回相關(guān)的信息，然后經(jīng)過(guò)模塊的分析校驗以及相應的處理后，回送到服務(wù)器端。模塊的通用I/O接口通過(guò)中間電路，實(shí)現繼電器拉閘和報警等智能處理。一旦有斷電、超溫等報警事件發(fā)生，TC45端將作相應的事件記錄，然后向服務(wù)器發(fā)出相應的報警信息。

1．服務(wù)器端軟件實(shí)現

首先，服務(wù)器向模塊發(fā)送帶有IP地址的短消息，然后等待模塊端與服務(wù)器的連接。一旦連接成功，即可以向模塊端發(fā)送查詢(xún)實(shí)時(shí)數據，讀取定時(shí)抄讀文件以及遠程I/O控制等命令。然后，對接收到的反饋信息進(jìn)行校驗，并作相應的處理與顯示。同時(shí)服務(wù)器也開(kāi)啟連接查詢(xún)功能，以確保與模塊端的通信連接暢通。

2．模塊端軟件實(shí)現

初始化及通信連接：該部分是在模塊端程序運行時(shí)首先執行的部分，對模塊進(jìn)行初始化操作，然后等待服務(wù)器端的IP短消息，從中提取出IP地址，然后向服務(wù)器端發(fā)起連接。一旦連接成功，模塊開(kāi)始等待服務(wù)器端發(fā)送來(lái)的相應命令。

數據接收和發(fā)送：當連接成功后，該部分負責與服務(wù)器端的數據通信，以及與電能表的數據通信。

數據分析處理：當接收到服務(wù)器端的控制查詢(xún)命令后，先進(jìn)行校驗，然后分析該指令，執行相應的操作。當從電能表端收到信息時(shí)，對數據進(jìn)行校驗，然后提取有用的信息，轉換成發(fā)送給服務(wù)器的數據格式，然后交由數據接收和發(fā)送部分發(fā)送數據。

智能控制：通過(guò)TC45的GPIO接口，對電能表進(jìn)行控制，包括斷電、超溫、開(kāi)關(guān)等報警控制處理，記錄相應數據后，向服務(wù)器端發(fā)送報警信號，同時(shí)也接收服務(wù)器端的遠程控制命令，做相應LED的開(kāi)關(guān)。

定時(shí)抄讀：該部分定時(shí)對電能表進(jìn)行抄讀，然后將數據以文件形式保存在模塊的閃存中，以便服務(wù)器端在需要的時(shí)候讀取定時(shí)的抄讀數據。

圖4：模塊硬件框圖。

連接保護：定時(shí)地接受服務(wù)器端的連接查詢(xún)命令，以確保鏈路的正常工作。一旦發(fā)生連接斷開(kāi)，則程序等待服務(wù)器端的IP短消息，進(jìn)行再次連接。

3．模塊端硬件實(shí)現

模塊端的硬件實(shí)現如下：三相變壓器整流后的直流電源經(jīng)DC/DC變換后提供給充電電路對鋰電池進(jìn)行充電；充電鋰電池向TC45提供工作電源，使TC45在斷電時(shí)有充足時(shí)間進(jìn)行現場(chǎng)保存；IGT電路對電池及供電電壓進(jìn)行判斷以向TC45模塊發(fā)出啟動(dòng)信號；LDO電路提供外圍電路的工作電壓；電源監視電路當供電電壓低于設定值時(shí)向TC45發(fā)出斷電報警信號；溫度開(kāi)關(guān)電路當外界溫度超出設定范圍時(shí)關(guān)斷DC/DC電源并向TC45發(fā)出超溫報警信號；RS485接口用于與多功能電能表相連；遙控電路用于繼電器、信號燈等開(kāi)關(guān)信號的開(kāi)合控制；遙信電路當輸入開(kāi)關(guān)信號發(fā)生變化時(shí)向TC45發(fā)出事件報警信號；RTC電池用于向TC45的實(shí)時(shí)鐘電路提供電源。

西門(mén)子公司最新推出了代替TC45的無(wú)線(xiàn)模塊TC65及MC55。TC65與TC45一樣使用JAVA平臺開(kāi)發(fā)，內嵌TCP/IP協(xié)議，但資源更豐富：1.7Mb FLASH、400kb RAM，并提供GPIO、SPI、I2C、USB等各種外圍接口。MC55是一種低成本的內置完整TCP/IP協(xié)議的GPRS模塊，它通過(guò)串口使用AT命令與MCU接口，相對JAVA更加接近電能表設計工程師的開(kāi)發(fā)習慣。

本文小結

近幾年來(lái)，隨著(zhù)新技術(shù)的不斷涌現以及生產(chǎn)工藝的革新，電能表的產(chǎn)品結構發(fā)生了很大變化，不斷從低附加值向高附加值過(guò)渡，技術(shù)含量大大增加。電能表不再僅作為單一儀表而存在，已由單一的計量抄表功能向模塊化、智能化、多功能、系統化和多元化發(fā)展。