【正文】 管理最重要也是最基礎(chǔ)的用電數(shù)據(jù)仍采用原始落后的人工抄收的方法 ,不但勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低 ,而且還會(huì)存在抄表不到位、估抄、漏抄、錯(cuò)抄、錯(cuò)算及抄表周期長等問題 ,對(duì)竊電的防治更無從談起。在社會(huì)走向信息化 ,網(wǎng)絡(luò)化 ,電力系統(tǒng)大踏步現(xiàn)代化的今天 ,手工抄表更是與無人值班等高度的自動(dòng)化形成了鮮明對(duì)比 ,成為制約供電系統(tǒng)現(xiàn)代化管理的一大障礙。就系統(tǒng)的完整性而言 ,電力系統(tǒng)從發(fā)電 ,配電 ,傳輸一直到區(qū)域變電所已基本實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化管理 ,而唯獨(dú)用戶終端沒有和網(wǎng)絡(luò)連接上 ,造成了系統(tǒng)的不完整 ,直接或間接的影響了系 統(tǒng)潛能的發(fā)揮。 正是由于以上背景 ,智能電度表應(yīng)運(yùn)而生。所謂智能電表 ,就是應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù) ,通訊技術(shù)等 ,形成以智能芯片 (如 CPU)為核心 ,具有電功率計(jì)量計(jì)時(shí)、記費(fèi)、與上位機(jī)通訊、用電管理等功能的電度表。 目前 ,國內(nèi)智能電度表從結(jié)構(gòu)上大致可分為機(jī)電一體式和全電子式兩大類。機(jī)電一體式 ,即在原機(jī)械式電度表上附加一定的部件 ,使其既完成所需功能 ,又降低造價(jià)且易于安裝 ,一般而言其設(shè)計(jì)方案是在不破壞現(xiàn)行計(jì)量表原有物理結(jié)構(gòu) ,不改變其國家計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上加裝傳感裝置變成在機(jī)械計(jì)度的同時(shí)亦有電脈沖輸出的智能 表 ,使電子記數(shù)與機(jī)械記數(shù)同步 ,其計(jì)量精度一般不低于機(jī)械計(jì)度式計(jì)量表。這種設(shè)計(jì)方案采用原有感應(yīng)式表 第 頁 3 西華大學(xué) 電氣信息學(xué)院 智能化測控應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì) 報(bào)告 的成熟技術(shù) ,多用于老表改造。全電子式則從計(jì)量到數(shù)據(jù)處理都采用 以集成電路為 核心的電子器件 ,從而取消了電表上長期使用的機(jī)械部件 ,與機(jī)電一體化電度表相比具有電表體積減小 ,可靠性增加 ,更加精確 ,耗電減少 ,并且生產(chǎn)工藝大大改善 ,不必只在原有意義上的專業(yè)電度表廠生產(chǎn)等優(yōu)越性 ,最終會(huì)取代帶有機(jī)械部件的計(jì)量表。傳統(tǒng)的電表可以分為單向機(jī)電式，單向電子式，多向機(jī)電式，多向電子式。 電子式智能電表 ,是在電子式電 表的基礎(chǔ)上 ,近年來開發(fā)面世的高科技產(chǎn)品 ,它的構(gòu)成、工作原理與傳統(tǒng)的感應(yīng) 式電能表有 著很大的差別。感應(yīng)式電表主要是由鋁盤、電流電壓線圈、永磁鐵等元件構(gòu)成 ,其工作原理主要是通過電流線圈與可動(dòng)鉛盤中感應(yīng)的渦流相互作用進(jìn)行計(jì)量的。而電子式智能電表主要是 由電子元器件構(gòu)成 ,其工作原理是先通過對(duì)用戶供電電壓和電流的實(shí)時(shí)采樣 ,再采用專用的電能表集成電路 ,對(duì)采樣電壓和電流信號(hào)進(jìn)行處理 ,并轉(zhuǎn)換成與電能成正比的脈沖輸出 ,最后通過單片機(jī)進(jìn)行處理、控制 ,把脈沖顯示為用電量并輸出。 通常我們把智能電表計(jì)量一度電時(shí) A\D 轉(zhuǎn)換器所 發(fā)出的脈沖 個(gè)數(shù)稱之為脈沖常數(shù) ,對(duì)于智能電表來說 ,這是一個(gè)比較重要的常數(shù) ,因?yàn)?A/D 轉(zhuǎn)換器在單位時(shí)間內(nèi)所發(fā)出脈沖數(shù)個(gè)的多少 ,將直接決定著該表計(jì)量的準(zhǔn)確度。目前智能電表大多都采用一戶一個(gè) A/D 轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)原則 ,但也有些廠家生產(chǎn)的多用戶集中式智能電表采用多戶共用一個(gè) A/D 轉(zhuǎn)換器 ,這樣對(duì)電能的計(jì)量只能采用分時(shí)排隊(duì)來進(jìn)行 ,勢必造成計(jì)量準(zhǔn)確度的下降 ,這點(diǎn)在設(shè)計(jì)選型時(shí)應(yīng)該注意。 由于采用了電子集成電路的設(shè)計(jì) ,再加上具有遠(yuǎn)傳通信功能 ,可以與電腦聯(lián)網(wǎng)并采用軟件進(jìn)行控制 ,因此與感應(yīng)式電表相比 ,智能電表不管在性能還 是操作功能上都具有很大的優(yōu)勢。 (1)功耗 :由于智能電表 采用電子元件設(shè)計(jì) 方式 ,因此一般每塊表的功耗僅有06w~07w 左右 ,對(duì)于多用戶集中式的智能電表 ,其平均到每戶的功率則更小。而一般每只感應(yīng)式電表的功耗為 17w 左右。 (2)精度 :就表的誤差范圍而言 ,20 級(jí)電子式電能表在 5%~400%標(biāo)定電流范圍內(nèi)測量的誤差為 177。2%, 而且目前普遍應(yīng)用的都是精確等級(jí)為 10 級(jí) ,誤差更小。感應(yīng)式電表的誤差范圍則為 +086%~ 57%, 而且由于機(jī)械磨損這種無法克服的缺陷 ,導(dǎo)致感應(yīng)式 第 頁 4 西華大學(xué) 電氣信息學(xué)院 智能化測控應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì) 報(bào)告 電能表越走越慢 ,最終誤差越來越 大。國家電網(wǎng)曾對(duì)感應(yīng)式電表進(jìn)行抽查 ,結(jié)果發(fā)現(xiàn) 50%以上的感應(yīng)式電表在用了 5 年以后 ,其誤差就超過了允許的范圍。 (3)過載、工頻范圍 :智能電表的過載倍數(shù)一般能達(dá)到 6~8 倍 ,有較寬的量程。目前8~10 倍率的表成正為越來越多用戶的選擇 ,有的甚至可以達(dá)到 20 倍率的寬量程。工作頻率也較寬 ,在 40HZ~1000HZ 范圍。而感應(yīng)式電表的過載倍數(shù)一般僅為 4 倍 ,且工作頻率范圍僅為 45~55HZ 之間。 (4)功能 :智能電表由于采用了電子表技術(shù) ,可以通過相關(guān)的通信協(xié)議與計(jì)算機(jī)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng) ,通過編程軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件的控制管理。因 此智能電表不僅有體積小的特點(diǎn) ,還具有了遠(yuǎn)傳控制 (遠(yuǎn)程抄表、遠(yuǎn)程斷送電 )、復(fù)費(fèi)率、識(shí)別惡性負(fù)載、反竊電、預(yù)付費(fèi)用電等功能 ,而且可以通過對(duì)控制軟件中不同參數(shù)的修改 ,來滿足對(duì)控制功能的不同要求 ,而這些功能對(duì)于傳統(tǒng)的感應(yīng)式電表來說都是很難或不可能實(shí)現(xiàn)的。 第 頁 5 西華大學(xué) 電氣信息學(xué)院 智能化測控應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì) 報(bào)告 長期以來 ,我國生產(chǎn)的交流電度表均為感應(yīng)式機(jī)械電度表 ,幾十年來不得不采用人工抄讀電表的原始方式。目前全國大部分電力公司、電業(yè)局完成了用電營業(yè)計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用。但作為用電管理最重要也是最基礎(chǔ)的用電數(shù)據(jù)仍采用原 始落后的人工抄收的方法 ,不但勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低 ,而且還會(huì)存在抄表不到位、估抄、漏抄、錯(cuò)抄、錯(cuò)算及抄表周期長等問題 ,對(duì)竊電的防治更無從談起。在社會(huì)走向信息化 ,網(wǎng)絡(luò)化 ,電力系統(tǒng)大踏步現(xiàn)代化的今天 ,手工抄表更是與無人值班等高度的自動(dòng)化形成了鮮明對(duì)比 ,成為制約供電系統(tǒng)現(xiàn)代化管理的一大障礙。就系統(tǒng)的完整性而言 ,電力系統(tǒng)從發(fā)電 ,配電 ,傳輸一直到區(qū)域變電所已基本實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化管理 ,而唯獨(dú)用戶終端沒有和網(wǎng)絡(luò)連接上 ,造成了系統(tǒng)的不完整 ,直接或間接的影響了系統(tǒng)潛能的發(fā)揮。正是由于以上背景 ,智能電度表應(yīng)運(yùn) 而生。所謂智能電表 ,就是應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù) ,通訊技術(shù)等 ,形成以智能芯片 (如ＣＰＵ )為核心 ,具有電功率計(jì)量計(jì)時(shí)、記費(fèi)、與上位機(jī)通訊、用電管理等功能的電度表 。 機(jī)電一體式 ,即在原機(jī)械式電度表上附加一定的部件 ,使其既完成所需功能 ,又降低造價(jià)且易于安裝 ,一般而言其設(shè)計(jì)方案是在不破壞現(xiàn)行計(jì)量表原有物理結(jié)構(gòu) ,不改變其國家計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上加裝傳感裝置 ,變成在機(jī)械計(jì)度的同時(shí)亦有電脈沖輸出的智能表 ,使電子記數(shù)與機(jī)械記數(shù)同步 ,其計(jì)量精度一般不低于機(jī)械計(jì)度式計(jì)量表。這種設(shè)計(jì)方案 采用原有感應(yīng)式表的成熟技術(shù) ,多用于老表改造。 第 頁 6 西華大學(xué) 電氣信息學(xué)院 智能化測控應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì) 報(bào)告 圖 典型的機(jī)電一體式的電表的信號(hào)采集圖 圖 是一個(gè)典型的機(jī)電一體式的電表的信號(hào)采集圖。電量來自電表表盤的旋轉(zhuǎn)在表盤上貼一反光標(biāo)志 ,當(dāng)標(biāo)志轉(zhuǎn)至發(fā)光二極管處 ,其光線被反射到電表的光敏管上 ,使其導(dǎo)通 ,產(chǎn)生一個(gè)電脈沖 ,此脈沖即可作為一個(gè)信號(hào)源送到外部的信號(hào)處理電路中實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。此類電表的功能較單一，而且精度還依賴于舊表。 （基于 ATT7022B的智能電表的設(shè)計(jì)） 隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展以及配電網(wǎng)自動(dòng)化 系統(tǒng)的實(shí)施，進(jìn)一步促進(jìn)了電能質(zhì)量問題的研究及其檢測裝置的研制，以往采用多個(gè)采樣模塊加上多路轉(zhuǎn)換開關(guān)和高分辨率的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器構(gòu)成一個(gè)同步采樣模塊的方式逐漸被帶 DSP功能的專用高精度計(jì)量芯片所替代。與傳統(tǒng)電表相比，本文方案采用低功耗單片機(jī) STC89C51 和炬力公司的三相電能專用計(jì)量芯片 ATF7022B 來實(shí)現(xiàn)防竊電電能表，具有高精度、低功耗、防竊電等特點(diǎn)，用 RS485 通信可以方便遠(yuǎn)程抄表，遠(yuǎn)程校表等功能。 ATT7022B 的功能及結(jié)構(gòu) ATT7022B 是一款多功能防竊電三相電能計(jì)量專 用芯片，該芯片適用于三相三線和三相四線的應(yīng)用。它集成了 7 路二階 sigmadeatlADC，其中 3 路用于三相電壓采樣， 3路用于電流采樣，還有 1 路可用于零線電流或其他防竊電參數(shù)的采樣、輸出采樣數(shù)據(jù)和有效值，使用方便。它集成了參考電壓電路以及所有包括基波、諧波和全波的各項(xiàng)電參數(shù)測量的數(shù)字信號(hào)處理電路，能夠測量各相及合相包括基波、諧波和全波的有功功率、無功功率、視在功率、有功能量以及無功能量，同時(shí)還能測量頻率、各相電流及電壓有效值、功率因數(shù)、相角等參數(shù)，提供兩種視在能量 (PQS， RMS)。 第 頁 7 西華大學(xué) 電氣信息學(xué)院 智能化測控應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì) 報(bào)告 圖 電能表硬件組成框圖 因?yàn)槲沂请娏I(yè)的學(xué)生 ，所以對(duì)機(jī)械方面的知識(shí)不了解。在設(shè)計(jì)智能電表的過程中變不可能采用 機(jī)電一體式 來設(shè)計(jì)，故而采用 全電子式（基于 ATT7022B 的智能電表的設(shè)計(jì)） 來完成本次本次課程設(shè)計(jì)。況且，采用全電子是來設(shè)計(jì)智能電表有很多的優(yōu)點(diǎn)，比較容易完成。所以經(jīng)過最終的思考選擇了采用全電子式來設(shè)計(jì)智能電表。 ATT7022B 高 精 度 多 功 能 防 竊 電 基 波 諧 波 三 相 電 能 專用計(jì)量芯片 電流采樣輸入 STC89C51 單 片 機(jī) LCD 顯示模塊 電壓采樣輸入 第 頁 8 西華大學(xué) 電氣信息學(xué)院 智能化測控應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì) 報(bào)告 ATF7702B 的 電壓 電流 采樣輸入電路如圖 所 示，該部分電路主要由電流、電壓互感器、抗混疊濾波器和參考電壓輸入電路組成。從互感器出來的信號(hào)，經(jīng)過濾波處理后 ， 消除了干擾信號(hào)，再疊加上一個(gè)參考電壓信號(hào)，即可送入 ATT022B 的 A／ D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣 。 其中三相電壓輸入電路中元件參數(shù)相同。根據(jù)電壓互感器二次電壓是 0． 5V還是幾伏來確定電壓信號(hào)輸入回路中的電阻和電位器。原則是電位器兩端的電壓能調(diào)整到不超過 ATT7022B 最大輸入電壓有效值范圍。 本系統(tǒng)選用 220／ 電壓互感器 。三相電流輸入電路中元件參數(shù)也相同。如果不需要檢測零線電流，可以不安裝零線電流互感器 ，而將對(duì)應(yīng)的兩個(gè)輸入端短接起來。零線電流互感器根據(jù)零線電流大小的實(shí)際情況進(jìn)行選擇。所有的電流互感器都要根據(jù)二次電流是 多少 來確定電流互感器二次線圈并接的電阻。原則是二次電流在該電阻上的壓降不超過 ATT7022B 電流輸入最大有效值。本系統(tǒng)選用的是 （ 6） /5mA 的電流互感器。 輸入電路中的電阻值如圖 中所示 圖 ATF7702B 的 電壓 電流 采樣輸入電路 第 頁 9 西華大學(xué) 電氣信息學(xué)院 智能化測控應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì) 報(bào)告 在信號(hào)采樣、輸入電路設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的幾點(diǎn)問題 芯片各輸入引腳的 VxP 和 VxN 的直流偏置電壓為 2． 45V 左右，偏置電壓由芯片的第 1l 腳 REFOUT 提供，也可由外電路提供，否則不能準(zhǔn)確計(jì)量。為保證測量精度，芯片第 5 腳外接濾波電