【正文】 性能和可靠性比機械表并不優(yōu)越很多。電子式電能表由于其構(gòu)成不同于機械電能表而得名。 電能開發(fā)及利用的加快，對電能管理和電能表性能提出了更高的要求， 感應(yīng)系電能表準(zhǔn)確度等級不夠高，為使電能計量儀器儀表適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)代化和電能管理現(xiàn)代化迅速發(fā)展的需要，電子式電能表應(yīng)運而生。選擇內(nèi)部基準(zhǔn)電源，在基準(zhǔn)電源輸出端加上一個濾波電 容 C20，防止外界干擾。光耦器件是用來隔離 MCU 電路的。 C17 是通過 K10 的合開來選擇是否作用于系統(tǒng)的，它是補償電流信號本身不平衡造成 ADE7755 計量電能出現(xiàn)比較大的誤差，因此通過人為造成不平衡，使得系統(tǒng)達到平衡的目的 。通過電阻分壓確保 ADE7755電壓通道中信號電壓在其工作范圍內(nèi) [6]。 ADE7755 內(nèi)部包括兩路數(shù)模轉(zhuǎn)換器（對來自電壓、電流傳感器的電壓信號進行數(shù)字化轉(zhuǎn)換，在電流通道中還設(shè) 計了 PGA 電路，同時還在電流通道中設(shè)置了HPF 電路濾掉直流分量），一個基準(zhǔn)電壓源（其標(biāo)稱值為 ，一般無需外接基準(zhǔn)）和用來計算有功功率的信號處理電路。 圖 電能計量原理框圖 1 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 電能計量 2 用戶供電線路分支是與高壓配電系統(tǒng)相連接的，要對這個高壓供電系統(tǒng)分支的電能進行計量，首先要通過電壓信號源器件將高電壓信號成正比地變?yōu)榈碗妷盒盘?，通過電流信號源器件將大電流成正比地變?yōu)樾‰娏餍盘?；然后通過傳輸線將這個低電壓、小電流信號傳輸給電能量采樣、測量、計算、顯示、存儲器件。隨著我國加入 WTO、融入國際大市場的步伐，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的自動化程度及勞動生產(chǎn)率已大大提高，降低產(chǎn)品的電能成本已成為廣大電力用戶追求的目標(biāo) [3]。 涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。 關(guān)鍵詞：電能表 電子式 單相式 RS485 多功能 1 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 摘要 II Abstract Electricity is the national economy, the industrial, mercial, and people39。電能表作為測量電能的專用儀表其性能直接影響著電能管理的效率，為使 電能計量儀器儀表適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)代化和電能管理現(xiàn)代化飛速發(fā)展的需求電子式電能表應(yīng)運而生。1 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 摘要 I 摘要 電能是國民經(jīng)濟、工業(yè)、商業(yè)、等人民生活的重要二次能源，電能在現(xiàn)代社會中是普遍使用的，所以電能計量裝置在發(fā)、供、用電的地位是十分重要的。 100 多年來，隨著電力系統(tǒng)、所有以電能為動力的產(chǎn)業(yè)的發(fā)展以及電能管理系統(tǒng)的不斷完善，電能表的結(jié)構(gòu)和性能也經(jīng)歷了不斷更新、優(yōu)化的發(fā)展過程。 該設(shè)計對電能表的功能及分類作了簡單的介紹，讓讀者對電能表有個基本的了解，知道它是如何產(chǎn)生的及它的發(fā)展情況，它有什 么用途，對單相電子式電能表的硬件結(jié)構(gòu)作了詳細(xì)的描述，分別從電源電路、計量電路、通訊電路、管理電路及其它部分電路四大部分著手介紹了各部分的原理及電路圖，并對它們分別作了講解。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何 其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。本人授權(quán) 大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 在電力市場的整體運作中，電能計量裝置的讀數(shù)作為電力產(chǎn)品貿(mào)易結(jié)算的依據(jù)，已經(jīng)越來越受到貿(mào)易雙方的重視，是貿(mào)易雙方經(jīng)濟核算的重要指標(biāo)。 電能計量原理框圖如圖所示。它是為單相兩線制系統(tǒng)設(shè)計的，用來生產(chǎn)低成本、高精度單相電能表。 電壓拾取電路實際上是一個分壓電路，將火線和零線（負(fù)荷電壓）分壓： R23/（ R9+R10+R11+R12） ，輸入到測量芯片輸入端 8 腳。 1 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 電能計量 3 圖 電壓拾取電路 圖 電流拾取電路 1 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 電能計量 4 在電流拾取電路中， R2 C15 和 R2 C16 組成兩個一階低通濾波器，濾除電流通道中的高頻分量。 REVP 輸出（腳 20）指示電能方向，電能通過光耦輸出。 電路中 DVDD 和 AVDD 通過 C1 C1 R28 組成的濾波電路連接在一起濾除干擾。測量直流電能的電能表多采用電動系測量機構(gòu)，而用于測量交流電能的電能表則采用感應(yīng)系測量機構(gòu)。 電子式電能表其測量部分完全由電子元件構(gòu)成，而且內(nèi)部時鐘部分、電源部分、顯示部分等均由電子元器件構(gòu)成。它的誕生也是得益于電子技術(shù)的發(fā)展。 電子式電能表的一般結(jié)構(gòu)與原理 電子式電能表通常由以下幾個部分組成：電源部分、顯示部分、測量部分、管理部分、外部設(shè)備 [7]。電源部分非常重要，它是電子式電能表工作的動力源，一般由線性或開關(guān)穩(wěn)壓電路構(gòu)成。一般由單片機或嵌入式計算機構(gòu)成其核心。 下面是電子式電能表的原理框圖工作原理框圖 圖 電能表的原理框圖 電子式電能表的功能與分類 1． 計量功能 電子式電能表的計量功能 具體地又分為累計和實時計量兩部分。 3． 控制功能 主要的控制功能為時段與負(fù)荷控制。 定長時間也稱為需量周期，一般為 1 60 min。 功率 1 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 時間 (min) 圖 功率分布 如圖所示，電能表從 0 min 開始計算需量，每 5 min 計算一次最大需量，當(dāng)?shù)?0 min 計算時達到最大值。最大需量為一個月的最大值，過月時，要求將當(dāng)月最大值保留到上月，而當(dāng)前最大值清零重新開始計量。有功電能表計量用戶實際消耗的電能 W 有， 這些電能已經(jīng)不可逆轉(zhuǎn)的變成了機械能、熱能、光能、化學(xué)能、生物能等 [5]。因此在電費結(jié)算時要對功率因數(shù)進行考核。 五．按準(zhǔn)確度等級分，可分為 、 、 、 、 、 、 、 、 級等等。 各種電能表的比較 感應(yīng)式電能 表 已有 100 多年的歷史，其工藝成熟，價格低廉，過載能力強，可靠性好，可視性好，但由于元件磨損、灰塵增多、電磁性能變差等因素的影響，準(zhǔn)確度等級不高，不易實現(xiàn)自動化，可是目前國內(nèi)乃至國外，尤其是在農(nóng)村電網(wǎng)及三相低壓中，感應(yīng)式電能表還占有相當(dāng)大的市場。該表型的電能采樣，仍然有感應(yīng)式母表完成，這部分的結(jié)構(gòu)與一般感應(yīng)式電能表相同，用字輪顯示電度數(shù)。 (a) (b) (c) 圖 電源部分結(jié)構(gòu) 在計量部分， ADE7755 芯片是一個數(shù)模混合的電路，因此設(shè) 計比較困難，要想達到良好的計量效果，要采取一定的抗干擾措施，如數(shù)字地和模擬地在 PCB 板上單點連接，特別是在對電流、電壓采樣的電路直接接在外部線路上，干擾比較嚴(yán)重。 電子式電能計量儀表 中必須有電壓和電流輸入電路。 1．錳銅片分流器 以錳銅片作為分流電阻 RS，當(dāng)大電流 i(t)流過時會產(chǎn)生相應(yīng)的成正比的微 弱電壓 Ui(t)，其數(shù)學(xué)表達式為 Ui(t)＝ i(t)R 式 該小信號 Ui(t)送入乘法器，作為測量流過電能表的電流 i(t)。其原理框圖如圖 所示。電子式電能表內(nèi)使用的分壓器一般為電阻網(wǎng)絡(luò)或電壓互感器。 LILT RK tiRtitu ??? )()()(LLi(t)N 2i T (t)R L U i (t)1 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 單相電子式電能表的硬件設(shè)計 13 圖 典型電阻網(wǎng)絡(luò)線路圖 2．電壓互感器 采用互感器的最大優(yōu)點是可實現(xiàn)一次側(cè)和二次側(cè)的電氣隔離，并可提高電能表的抗干擾能力，缺點是成本高。理想的乘法器的輸出特性方程式可表示為 U0（ t）＝ KUX(t)UY(t)， 式 式中 K—— 是乘法器的增益。若一個輸入端能夠適應(yīng)正、負(fù)兩極性電壓，而另一個輸入端只能適應(yīng)單一極性電壓的乘法器，則稱為二象限乘法器。 （一）時分割乘法器 時分割模擬乘法器的工作過程實質(zhì)上是一個對被測對象進行調(diào)寬調(diào)幅的工作 過程。 采用三角波作為節(jié)拍信號的電壓型時分割乘法器的電路原理下所示。積分輸出電壓 u1 和三角波發(fā)生器產(chǎn)生的節(jié)拍三角波電壓 u2 都加到電平比較器上，當(dāng) u1u2 時，電平比較器輸出低電平， S S2 分別接﹣ UN、﹣ uy；當(dāng) u1u2 時，電平比較器輸出高電平， S S2 分別接﹢ UN、﹢ uy；當(dāng) u1＝ u2 時，為比較器轉(zhuǎn)換狀態(tài)。 由于三角波電壓繼續(xù)向上變化，致使 u1u2，于是電平比較器輸出高電平， S1接通﹣ UN，積分器輸出電壓 u1 轉(zhuǎn)而逐漸向上變化（ bc 段），達到 c 點時， u1＝ u2，緊接著三角波電壓繼續(xù)下降， u1u2，電平比較器輸出低電平， S1 接通﹢ UN，電壓 u1 再次向下變化 …… 。 u x積分器輸出u 1角波 u 2比較器輸出u 3零電平U ouTT 1T 2t 1t 2t 3abc 圖 三角波信號的時分割乘發(fā)器波形圖 2．調(diào)幅功能單 元 開關(guān) S2 在 比較器的控制下與S1同時動作，在 T1期間接通﹢ uy，輸出電壓 u為﹢ uy，在 T2期間接通﹣ uy，輸出電壓 u變?yōu)椹?uy。與其他類型的模擬乘法器相比，時分割模擬乘法器的制造技術(shù)比較成熟且工藝性好，原理較為先進，具有更好的線性度，其最突出的優(yōu)點是具有較高的準(zhǔn)確度級別，可達到 級，基本上解決了如何提高準(zhǔn)確度的問題?？梢灶A(yù)計，應(yīng)用數(shù)字乘法器技術(shù)來完成功率／電能測量的前景十分廣闊。 微處理器控制雙通道 A／ D 轉(zhuǎn)換，同時對電壓、電流進行采樣，由微處理器完成相乘功能并累計電能。 A／ D 轉(zhuǎn)換器的準(zhǔn)確度一般較高，其轉(zhuǎn)換誤差可以忽略。為此采用軟件鎖相技術(shù)將采樣頻率自動地鎖定在輸入信號頻率的 N 倍上，這樣可以在輸入頻率 發(fā)生變化時自動調(diào)整采樣間隔，使時鐘的漂移變化也不會給測量帶來誤差。運放 N 和電容C 組成積分器，上下電平比較器有兩個比較電平 U U2。根據(jù)積分器輸入、輸出電壓關(guān)系 式 得到輸出電壓 U0 的頻率 式 即輸出頻率 f與輸入電壓 U1 成正比。這兩種脈沖信號在送入計數(shù)器計數(shù)之前，需要先送入分頻器進行分頻，以降低脈沖頻率 [8]。這是因為集成電路器件工作可靠性、抗干擾能力、功率消耗、電路保安和機械尺寸等一系列指標(biāo)均優(yōu)于分立元器件組成的電路。分頻后的標(biāo)準(zhǔn)時鐘脈沖信號，如圖 B 點的波形也送至控制門，于是控制門打開，將計數(shù)脈沖輸出，得到如圖 C 點的波形。不能以馬馬虎虎的態(tài)度去解決。然后通過并聯(lián)穩(wěn)壓集成電路 LM317，同時調(diào) 整 R R2 的比值，以得到所需的電壓值 — 。 RS— 485 通訊接口距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強、半雙工通信以及可以實現(xiàn)總線方式傳送數(shù)據(jù)，非常簡單實用，在電能表通信中得到了廣泛的使用。JP2 接口是要進行瞬變脈沖和靜電干擾的。具有定時功能和鬧鐘功能。這種存儲器的數(shù)據(jù)寫入是通過提高電壓來完成的，其存儲器內(nèi)部有電壓泵起著泵高電壓的作用。 掉電檢測電路是一個 R4 R44 組成的分壓電路， C23 用來濾波，提高抗干擾性。 以上是電能表硬件各部分獨立的電路原理圖。下面逐一介紹以下各部分的功能： 圖 程序數(shù)據(jù)模塊 程序數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模塊是對程序中的數(shù)