【正文】 表在技術(shù)上從模擬乘法器到數(shù)字乘法器，性能越來(lái)越好，設(shè)計(jì)水平和生產(chǎn)工藝水平不斷提高，而價(jià)格越來(lái)越低，大規(guī)模批量生產(chǎn)工藝也非常成熟，已形成了一個(gè)非常有活力、欣欣向榮的產(chǎn)業(yè)。 按功能分類有：有功電子式電能表、無(wú)功電子式電能表、有功無(wú)功組合電子式電能表、有功復(fù)費(fèi)率電子式電能表、最大需量電子式電能表、多功能電子式電能表。特別是采用 A/D 轉(zhuǎn)換原理的電能表，其功能的擴(kuò)展十分方便；普通感應(yīng)式電能表受其結(jié)構(gòu)和原理的限制，要進(jìn)一步擴(kuò)展其功能很困難。在 ％下就可啟動(dòng)計(jì)量。 防竊電能力強(qiáng) 竊電是我國(guó)城鄉(xiāng)用電中一個(gè)無(wú)法回避的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。 便于安裝使用 感應(yīng) 式電能表的安裝有嚴(yán)格的要求；而電子式電能表采用靜止式的計(jì)量方式，因此不存在上述問(wèn)題，加上體積小、重量輕，便于使用。 20 世紀(jì)中葉 ， 開始隨著微電 子和信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展 ， 新技術(shù)有力的支持電能表的革新 ， 先是有高精度電子式標(biāo)準(zhǔn)電能表的出現(xiàn)滿足了校驗(yàn)技術(shù)要求 ，繼而 70 年代已開始商業(yè)化應(yīng)用電子式電能表于大工業(yè)用戶電能計(jì)量。特別是用戶選擇供應(yīng)商 和實(shí)時(shí)電價(jià) ， 要求表計(jì)有靈活、可靠的雙向通訊功能和不同制造商生產(chǎn)表計(jì)在電力市場(chǎng)技術(shù)支持系統(tǒng)中的兼容性 ，因而提出了標(biāo)準(zhǔn)化和兼容性問(wèn)題。 國(guó)際上電子式電能表經(jīng)過(guò) 50 多 年發(fā)展 ， 開始都是基于模擬量乘法器原理的 ， 在歷史上曾有過(guò)多種原理線路 ， 后來(lái)演變?yōu)闀r(shí)分割 (Time division)和霍爾效應(yīng) (Hall effect)兩種乘法器。 國(guó) 內(nèi)電子式電能表的發(fā)展概況 我國(guó) 20 世紀(jì) 70 年代開始用電子式標(biāo)準(zhǔn)電能表 ， 先是進(jìn)口后來(lái)到 80~90年代國(guó)內(nèi)已能商業(yè)化生產(chǎn) %級(jí)電子式標(biāo)準(zhǔn)電能表 ， 也已研制出更高準(zhǔn)確度等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)電能表。 MV90 多開發(fā)商表計(jì)數(shù)據(jù)采集、編 譯系統(tǒng)也已在運(yùn)行中表現(xiàn)其良好兼容性。這批表至今已連續(xù)運(yùn)行 6 年 以上 ， 基層用電管理部門歡迎 ， 因而裝用量增長(zhǎng)很快。以此可以推論全國(guó)裝用量應(yīng)不少于數(shù)百萬(wàn)臺(tái)。 通過(guò)軟件設(shè)計(jì)能夠使電能表運(yùn)行穩(wěn)定，可靠，同時(shí)具有一定的智能糾錯(cuò)功能。它是電子式電能表的關(guān)鍵，其測(cè)量精度直接決定電能表的精度和準(zhǔn)確度。模擬乘法器的又分為熱電轉(zhuǎn)換型、霍爾效應(yīng)型、時(shí)分割型等；數(shù)字乘法器則以微處理器為核心的高精度 A/D 型為代表。 利用作圖法可求得一個(gè)周期內(nèi)各采樣點(diǎn)的功率，圖 21 為分時(shí)采樣與采樣點(diǎn)功率。如果 100us 采樣一次，而工頻 50Hz 的交流電壓、電流的周期就是 20ms，則一個(gè)周期內(nèi)可采樣 200 次。 圖 21 分時(shí)采樣與采樣點(diǎn)功率 數(shù)字型乘法器的實(shí)現(xiàn)電路可由單 片機(jī)、 A/D 轉(zhuǎn)換器、采樣保持器、多路模擬開關(guān)和顯示器等部分組成。這種專用電能計(jì)量模塊不僅集成了乘法器、 P/F 變換電路，而且還包含有其他電路，如相位調(diào)整電路、電源檢測(cè)電路、接口電路等，采用這些模塊只需配以少量的外圍電路就能實(shí)現(xiàn)滿足不同需要的電子式電能表。電能計(jì)量包括有功電能和無(wú)功電能的計(jì)量，其中有功電能計(jì)量可簡(jiǎn)單地描述如下： 設(shè)在 t 時(shí)刻負(fù)載兩端的交流電壓和流過(guò)負(fù)載的交流電流的表達(dá)式為： ( ) s i n 2 s i nmu t u w t U w t?? (2－ 7) ( ) s i n ( ) 2 s i n ( )mi t i w t I w t??? ? ? ? (2－ 8) 其中 ()ut t? 時(shí)刻電壓瞬時(shí)值； ()it t? 時(shí)刻電流瞬時(shí)值； ()um? 電壓峰值；()Im? 電流峰值； U? 電壓有效值； I? 電流有效值； ?? 電壓與電流相位差；w? 角頻率。 △ t 取得越小，則計(jì)算結(jié)果越準(zhǔn) 確。 在這里會(huì)面臨以下兩個(gè)有待解決的問(wèn)題： 1) 如何得到式 (2－ 12)的離散化表達(dá)式； 2) 因?yàn)榉钦译娐返臒o(wú)功功率不能簡(jiǎn)單地體現(xiàn)為電壓波形與電流波形之間的相位差，因此不能以 sinUI ? 表示，在這種情況下如何求得非正弦電路的無(wú)功功率。 最大需量的計(jì)算 最大需量定義為一個(gè)月內(nèi)平均 30分鐘或 15 分鐘內(nèi)消耗的功率的最大值。 式 (2－ 17)、 (2－ 18)離散化得： 1 201 ()NnU u nN??? ? (2－ 19) 1 201 ()NnI i nN??? ? (2－ 20) 式中 ()un 和 ()in 分別為被測(cè)電壓、電流信號(hào)經(jīng)采樣保持、模數(shù)轉(zhuǎn)換后的離散序列。在實(shí)際應(yīng)用中，如果功率因素太 低，表示輸出功率中無(wú)功功率所占比例很大，會(huì)有如下所列的不良后果 : （ 1） 電源設(shè)備不能充分利用。 本章小 結(jié) 電子式電能表中起主要作用的是電能測(cè)量單元，其作用是將輸入電壓與電 xxx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 15 流變換成與功率成一定比例關(guān)系的脈沖信號(hào)，送至分頻和計(jì)數(shù)。 電能的測(cè)量包括有功電能的測(cè)量和無(wú)功電能的測(cè)量以及最大需量的測(cè)量。各個(gè)硬件模塊具體如下： L N 圖 31 電能表總體設(shè)計(jì)方案框圖 89C52 單片機(jī)是整個(gè)電子式電能表硬件的核心部分，它是電能表的 “ 大腦 ” ， 外圍所有的硬件模塊都是在它的協(xié)調(diào)控制下完成工作的。 電能采樣模塊是將電能表硬件系統(tǒng)與主電網(wǎng)進(jìn)行隔離，使強(qiáng)電和弱電分實(shí)時(shí)時(shí)鐘 電流采樣 電源模塊 電壓采樣 看門狗電路 ADE7755 電能計(jì)量芯片 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊 鍵盤及顯示控制電路 RS485 通信模塊 89C52 單片機(jī) 紅外通信模塊 xxx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 17 開。 實(shí)時(shí)時(shí)鐘為復(fù)費(fèi)率電能表提供準(zhǔn)確的時(shí)間信息，以便于實(shí)現(xiàn)不同費(fèi)率下電能的計(jì)量。 RS485 通信模塊和紅外通信模塊是電能表與外界設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的場(chǎng)所， RS485 通信模塊實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)與上位機(jī)的通信。 顯示模塊可以將用電信息，時(shí)段信息，實(shí)時(shí)日期等清楚地顯示在液晶屏上，供用戶和抄表人員參考。 電流通道 線路電流傳感器的輸出電壓接到 ADE7755 的通道 Vl，該通道采用完全差動(dòng)輸入， V1P 為正輸入端， V1N 為負(fù)輸入端。這使傳感器接口的 設(shè)計(jì)大為簡(jiǎn)單。如圖 32 所示通道 1 的共模電壓是 AGND，它是通過(guò)負(fù)載電阻的中間抽頭接到 AGND 上的，對(duì) V1P 和V1N 上的模擬電壓起到互補(bǔ)作用。采用單 +5V電源供電、低功耗 (典型值 15mW)的 CMOS芯片。 ADE7755的結(jié)構(gòu)原理圖如圖 33所示。 ADE7755 的主要特點(diǎn)有： ，在 500： 1 的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)誤差小于 %，技術(shù)指標(biāo)超過(guò)了IEC1036 標(biāo)準(zhǔn)的要求 ， 支持 50/60Hz。 HPF 輸出的數(shù)字量與電壓通道（通道 V2）的 ADC 轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量相乘后所得的乘積，經(jīng)低通濾波器 LPF（ lowpass filter），獲取有功功率分量。 ADE7755 芯片引腳功能 ADE7755 芯片有 24 引腳的 DIP 和 SSOP 兩種封裝形式，引腳排列圖如下： 圖 34 ADE7755 引腳排列圖 DVDD 數(shù)字電源引腳。在電能計(jì)量的應(yīng)用中應(yīng)使 HPF 選通。完全差動(dòng)輸入方式，正常工作最大信號(hào)電平為士 470mV。 V2P， V2N xxx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 21 通道 2(電 壓通道 )的正，負(fù)模擬輸入引腳。 RESET 復(fù)位引腳。典型溫度系數(shù)為 30ppm/℃。模擬接地面是所有模擬電路的接地參考點(diǎn)，如抗混疊濾波器，電流和電壓傳感器等。該引腳的邏輯輸入電平確定 CF 引腳的輸出頻率。 1 CLKIN 外部時(shí)鐘可從該引腳接入，也可把一個(gè)石英晶體接在 CLKIN 和 CLKOUT之間，為 ADE7755 提供 時(shí)鐘源，規(guī)定時(shí)鐘頻率為 。該輸出的邏輯狀態(tài)隨 CF 輸出脈沖同時(shí)變化。 1 CF 頻率校驗(yàn)輸出引腳。 電能計(jì)量電路設(shè)計(jì) 單相電子式電能表的電能計(jì)量電路 如圖 35所示。乘以電表常數(shù)得 I情況下的輸出頻率 1fF 為 1 2 . 2 1 0 0 / 3 6 0 0 0 . 0 6 1 1 1fF P C H z? ? ? ? ? （ 3－ 1） 從最大電流為 40A并留有足夠余量出發(fā)，則此時(shí)最高輸出頻率為 1 8 . 8 1 0 0 / 3 6 0 0 0 . 2 4 4 4 4fF P C H z? ? ? ? ? （ 3－ 2） 本設(shè)計(jì)選擇 CF的脈沖常數(shù)為 1600imp/kWh，通過(guò)跳線將邏輯輸入引腳SCF， S1， S0的電平分別置 “ 低 ” 、 “ 高 ” 、 “ 低 ” 來(lái)設(shè)定。通過(guò)跳線將邏輯輸入引腳 G1， G0都置高電平來(lái)設(shè)定通道 1的增益為 16，此時(shí)輸入最大電壓為 30mV 。在對(duì)電表進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，采 用逐次逼近的方法 ： 通過(guò)跳線接通或斷開來(lái)改變串聯(lián)電阻的總阻值，直到在 V2N引腳得到合適的電壓值，從而使 CF引腳輸出精 確的 1600imp/kWh的電能脈沖。由于電能表本身要求功耗低和體積小，所以本機(jī)系統(tǒng)使用的是 ATMEL 公司的AT89C52 單片機(jī)。 VCC(40腳 )和 VSS(20 腳 )為供電端口，分別接 +5V 電源的正負(fù)端。為減小體積和降低成本，單相電子式防竊電電能表采用阻容降壓直流穩(wěn)壓電源。降壓電容相當(dāng)于普通的降壓變壓器，電 容值越大，容抗越小，流過(guò)的電流越大。整流有半波整流和全波整流兩種方式。阻容降壓方式電源的內(nèi)阻很大，經(jīng)整流濾波 后的直流 電壓隨負(fù)載電流的微小變化發(fā)生很大的波動(dòng)，因此，需經(jīng)三端穩(wěn)壓塊進(jìn)行穩(wěn)壓，以響應(yīng)負(fù)載電流大小的變化。為減小體積和降低成本，單相電子式防竊電電能表采用阻容降壓直流穩(wěn)壓電源。電網(wǎng)電壓220VAC 經(jīng) C33 降壓、 R33 限流和 D4（或 D6）穩(wěn)壓后得到交流電壓 12VAC。因采用半波整流，流經(jīng) C33 的電流為負(fù)載電流的 2 倍，為留有余量，取 30mA ，則 C33 的 容 量 為 uF 。 C33 的選擇根據(jù)負(fù)載的電流容量和交流電的工作頻率而定。 負(fù)載 穩(wěn)壓 整流濾波 降壓限流 220VAC xxx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 26 圖 37 系統(tǒng)電源管理單元電路 降壓限流電路。但因無(wú)電氣隔離，使用阻容降壓電源時(shí)，需要注意以下三點(diǎn)： 未和 220V 交流高壓隔 離，電路設(shè)計(jì)注意隔離措施； 限流電容須接于火線，耐壓值大于 400V，須串聯(lián)防浪涌、沖擊電阻（注意功率大?。┖筒⒙?lián)放電電阻； 注意穩(wěn)壓管功耗，嚴(yán)禁穩(wěn)壓管斷開運(yùn)行。 采用全波整流時(shí)， 1 Fu 電容可得到的電流平均值為 0 . 8 9 0 . 8 9 2 2 0 2 3 . 1 4 5 0 0 . 0 0 0 0 0 1 6 0CVI m AZ? ? ? ? ? ? ? ? ? (3－ 4) 雖然全波整流方式電流大，但是因?yàn)楦〉?，穩(wěn)定性和安全性比半波整流型差， 所以單相電子式 電能表設(shè)計(jì)采用半波整流方式。電容在電路中只是吞吐能量，而不消耗能量，所以阻容降壓型電源轉(zhuǎn)換效率可達(dá) 90%以上。 xxx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 25 圖 37 阻容降壓電源原理框圖 降壓限流。 AT89C52 有以下主要特點(diǎn) ： 1. 兼容 MCS51 指令系統(tǒng) 8k 可反復(fù)擦寫 (1000 次） Flash ROM 2. 32 個(gè)雙向 I/O 口 256x8bit 內(nèi)部 RAM 3. 3 個(gè) 16 位可編程定時(shí) /計(jì)數(shù)器中斷 時(shí)鐘頻率 024MHz 4. 2 個(gè)串行中斷 可編程 UART 串行通道 5. 2 個(gè)外部中斷源 共 6 個(gè)中斷源 6. 2 個(gè)讀寫中斷口線 3 級(jí)加密位 7. 低功耗空閑和掉電模式 軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能 xxx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 24 圖 36 單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng) 電源模塊 電能表的電源管理模塊應(yīng)解決以下四個(gè)問(wèn)題： 1. 將 50Hz的電網(wǎng) 220V 交流電壓變成電能表所需的直流低電壓 5V； 2. 將電能表與外界交流電網(wǎng)實(shí) 現(xiàn)電氣隔離，避免電網(wǎng)噪聲的侵入； 3. 提供后備電池，確保電網(wǎng)停電時(shí)重要數(shù)據(jù)不丟失； 4. 將電網(wǎng)瞬時(shí)的掉電信號(hào)提供給單片機(jī)進(jìn)行處理。 AT89C5