【正文】 的結(jié)果中看，使用了兩年的機(jī)械式電能表幾乎都達(dá)不到計(jì)量精度要求，相當(dāng)比例的電能表計(jì)量誤差較大?，F(xiàn)代化的供、用電管理方法要求電能表具有分時(shí) 計(jì)價(jià)和自動(dòng)遠(yuǎn)程抄表等功能。用什么樣的電能表更有利于電能計(jì)量管理呢 。這種電能表由于運(yùn)用單片機(jī)技術(shù)在確保電子電能表的測(cè)量精度和各項(xiàng)功能齊全的前提下，縮小了整機(jī) 體積，使每戶分?jǐn)偟某杀敬蟠蠼档?。它的誕生得益 xxx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 6 于電子技術(shù)的發(fā)展。首先是成都曙達(dá)公司推出的機(jī)電一體式電能表，珠海恒通儀表有限公司在 1993 年率先推出的電子式單相電能表，寧夏寧光儀表有限公司推出了電子式三相有功電能表，湖南威勝電子有限公司也于同年推出了集有 功計(jì)量和無功計(jì)量于一表的電子式三相多功能電能表，填補(bǔ)了國內(nèi)空白。到 20xx 年，國 內(nèi)生產(chǎn)廠家已達(dá)到 600 多家，極大地滿足了市場(chǎng)的需求，這也進(jìn)一步推動(dòng)了電子式電能表的市場(chǎng)發(fā)展和產(chǎn)品性能的提高。 按原理分 類有：模擬乘法器型、數(shù)字乘法器型等。 準(zhǔn)確度等級(jí)高且穩(wěn)定 感應(yīng)式電能表的準(zhǔn)確度等級(jí)一般為 ~3 級(jí)，并且由于機(jī)械磨損，誤差很 xxx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 7 容易發(fā)生變化；而電子式電能表 可方便地利用各種補(bǔ)償技術(shù)輕易地做到較高的準(zhǔn)確度等級(jí)，一般為 ~1 級(jí)，并且誤差穩(wěn)定性很好。 頻率響應(yīng)范圍寬 感應(yīng)式電能表的頻率響應(yīng)范圍一般為 45~55Hz；而電子式多功能電能表的頻率響應(yīng)范圍為 40~20xxHz。感應(yīng)式電能表由于自身的局限，防竊電能力較差；電子式電能表從基本原理上 難 以實(shí)現(xiàn)一定的防竊電功能。 表 11 列出了兩種電能表的性能比較。 國外家用計(jì)費(fèi)用電子式電能表出現(xiàn)于 1983 年 ， 到 1988 年已實(shí)用化。在歐洲著名表廠創(chuàng)導(dǎo)下成立了 DLMS(計(jì)量部件描述語言消息規(guī)范 )用戶協(xié)會(huì) ， DLMS 已構(gòu)成 IEC 有關(guān)表計(jì)規(guī)約標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)。美國 Govzelnik 對(duì)這兩種乘法器的特點(diǎn)曾作比較。 計(jì)費(fèi)用電子式電能表在我國應(yīng)用和制造發(fā)展都很快 ， 從 20 世紀(jì) 90 年代開始到現(xiàn)在已大量使用只花了十多年就為廣大電力公用企業(yè)接受。 各地在普及實(shí)施分時(shí)電價(jià)的過程中 ， 大用戶 (大于 100kW)電能表大部分 xxx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 9 更新機(jī)械電子式電能表 ， 也有不少省局直接采用進(jìn)口的 級(jí)電子式電能表 ，總計(jì)已達(dá)數(shù)萬只。單相電子式電能表的專用芯片據(jù)報(bào)道1998 年全國產(chǎn)量 500 萬片 ， 而 20xx 年新一代芯片 ADE7755 在中國銷量超過1000 萬片。單相電子式預(yù)付費(fèi)用卡電能表也有相當(dāng)大裝用量。 xxx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 10 第 2章 電子式電能表電能計(jì)量基礎(chǔ) 電能的測(cè)量方式有電解式、感應(yīng)式、電子式，目前在實(shí)際應(yīng)用中最常用的為感應(yīng)式和電子式兩種。電子式電能表的電能測(cè)量單元種類繁多，其中乘法器是該單元的核心組成部分。初期的電子式電能表以時(shí)分割型為主的較多，目前的電子式電能表則以數(shù)字乘法器為主。從圖 21 可以看到各采樣點(diǎn)功率 ()kpt 為 ( ) ( ) ( )k A k A kp t u t i t? (2－ 1) 一個(gè)周期 T 內(nèi)平均功率 p 為 p = 11 1[ ( ) ( ) . . . ( ) ( ) . . . ( ) ( ) ]A A A k A k A n A nu t i t u t i t u t i t n?? = 11 ( ) ( )n A k A kk u t i tn?? (2－ 2) 即各采樣點(diǎn)功率 ()kpt 為 ( ) ( ) ( )k A k A kp t u t i t? (2－ 3) 則一周期內(nèi)平均功率 p 為 p = 11 ( ) ( )n A k A kk u t i tn?? (2－ 4) 令 1kkt t T?? ? ? ，則一個(gè)周期內(nèi)的電能 W 為 xxx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 11 11[ ( ) ( )]n kkkW u t i t tn???? (2－ 5) 若 0t?? ，則有 0 ( ) ( ) c o sT tW u t i t d T U I?? ? ? (2－ 6) 式 (2－ 5)說明將各采樣點(diǎn)的電流、電壓相乘積的累加和再乘以采樣周期就是平均電能。研究指出，利用高精度 A/D 轉(zhuǎn)換器，增加采樣次數(shù)就可以將電能計(jì)算得很準(zhǔn)確。這種電路的硬件部分元件多、體積較大；而其軟件也較復(fù)雜，因?yàn)閿?shù)據(jù)采集、計(jì)算、積分等都是通過數(shù)字電路來實(shí)現(xiàn)的。數(shù)字型乘 法器以 xxx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 12 A/D 變換原理也分為兩類；用逐次比較型 A/D 進(jìn)行采樣的數(shù)字乘法器和用 Δ Σ原理進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換的數(shù)字乘法器。 則在一個(gè)周期內(nèi)平均有功功率 p 為 0011( ) ( ) s in s in ( )TTt m m tp u t i t d U w tI w t dTT ?? ? ? ? ? 01 [ c o s c o s ( 2 ) ] c o sT tU I w t d U IT ? ? ?? ? ? ? ? (2－ 9) 一個(gè)周期內(nèi)的電能 W 為 0 ( ) ( ) c o sT tW u t i t d T U I?? ? ? (2－ 10) 各種乘法結(jié)構(gòu)的電能計(jì)量單元都是以式 (2－ 10)為理論基礎(chǔ)形成的。 無功電能的計(jì)量 無功電量反映了儲(chǔ)能元件 L 或 C 在一個(gè)周期內(nèi)能量交換的規(guī)模，即電能與磁場(chǎng)能或電場(chǎng)能交換的規(guī)模，其規(guī)模大小用能量交換的最大速率來表示。 下面就是解決上述問題的兩個(gè)方法： 1．?dāng)?shù)字移相法 式 (2－ 12)可變換為： c os ( 90 )Q UI ??? (2－ 13) 由式 (2－ 13)可以看出，用電壓采樣值乘以滯后電壓 90 的電流采樣值然后累加可以求得無功功率，即無功功率的離散化計(jì)算公式為： 11 ( ) ( )4NnNQ u n i nN???? (2－ 14) 這種計(jì)算稱為無功功率的簡單數(shù)字移相法，它要求被測(cè)信號(hào)為嚴(yán)格的正弦波情況，換句話說，它不能對(duì)含有諧波的電路進(jìn)行準(zhǔn)確的無功功率計(jì)量。 21max 21tttpdPtt?? ? (2－ 16) 其中 2t ,1t 為時(shí)刻， 2t ,1t 的差等于 15 或 30 分鐘 。 N 為一個(gè)工頻周期內(nèi)的采樣點(diǎn) 數(shù)。 功率因素越低，電源設(shè)備所能發(fā)生的有功功率越小，其容量將不能充分利用。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。 電壓電流的有效值以及功率 是電能測(cè)量的重要參數(shù)。單片機(jī)通過燒制在其中的各種程序，控制著其他硬件模塊的工作狀態(tài)。將主網(wǎng)中 的大電壓，大電流轉(zhuǎn)化為小電壓，小電流，以便提供給計(jì)量芯片進(jìn)行信號(hào)處理。 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊是所有電能信息的存儲(chǔ)單元。當(dāng)上位機(jī)發(fā)出命令要求上傳數(shù)據(jù)時(shí)，單片機(jī)就將數(shù)據(jù)通過 RS485 通信模塊送出。 電壓電流采樣模塊 一方面為了將電子式電能表的計(jì)量芯片與電力線隔離，另 一方面又要完成電壓電流的采樣。 通道 1 的最大差動(dòng)峰值電壓應(yīng)小于 470mV(有效值為 330mV)。 表 31 電流通道增益選擇表 G1 G0 增益 最大差動(dòng)信號(hào) 0 0 1 ? 470mV 0 1 2 ? 235mV 1 0 8 ? 60mV 1 1 16 ? 30mV V1P 和 V1N 引腳上的最大差動(dòng)電壓為 470mV，在這兩個(gè)引腳上的差動(dòng)信號(hào)必須以一個(gè)共模端作為參考點(diǎn)，如 AGND。 CT 的變比和負(fù)載電阻 Rb 的大小根據(jù)差動(dòng)峰值電壓而定。 具有量程寬 (負(fù)載能力可達(dá) 46倍Ib)， 精確 度高 (在 1%500%Ib動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)誤差小于 %)，內(nèi)部具有掉電、上電自動(dòng)復(fù)位電等性能優(yōu)點(diǎn)。 ADE7755主要由模擬信號(hào)處理電路和數(shù)字信號(hào)處理電路兩部分組成。 Fl和 F2 提供 平均功率信息； CF 提供正比有功功率的瞬時(shí)功率信息，送至 MCU 的接口用可于校表或電能計(jì)量； ； ； ； REV，可用于防竊電。 LPF 輸出的數(shù)字量經(jīng)數(shù)字 頻率轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生輸出頻率 Fl， F2 和 CF。該引腳提供 ADE7755 數(shù)字電路的電源，正常工作電源電壓 應(yīng)保持在 5V 士 5%，該引腳應(yīng)使用 10uF 電容并 聯(lián) 100nF 瓷介電容進(jìn)行去耦。 AVDD 模擬電源引腳。通道 1 有一個(gè) PGA。完全差動(dòng)輸入方式，正常工作最大信號(hào)電平為 ? 660mV。當(dāng)為低電平時(shí)， ADC 和數(shù)字電路保持復(fù)位狀態(tài)，在 RESET 的下降沿，清除 ADE7755 內(nèi)部寄存器。外部基準(zhǔn)源可以直接連接到該引腳上。 為了有效地抑制噪聲，模擬接地面與數(shù)字接地面只應(yīng)有一點(diǎn)連接。 1 S1， S0 這兩個(gè)引腳的邏輯輸入用來選擇數(shù)字 /頻率轉(zhuǎn)換系數(shù)。 1 CLKOUT 把一個(gè)石英晶體接在 CLKIN 和 CLKOUT 之間，為 ADE7755 提供一個(gè)時(shí)鐘源。 1 DGND 這是 ADE7755 數(shù)字電路 (即乘法器，濾波器和數(shù)字頻率轉(zhuǎn)換器 )的接地參考點(diǎn)。其輸出頻率反映瞬時(shí)有功功率的大小。 圖 35 電能計(jì)量電路 線路電壓 220V， 基本電流 I為 10A，最大電流 40A，動(dòng)態(tài)范圍 400： 1(規(guī)定準(zhǔn)確度的電流范圍為 2%I~Imax，即 200mA~40A)； 計(jì)度器的電表常數(shù) C 為100imp/kWh，即 ADE7755發(fā) 100個(gè)脈沖，計(jì)度器記錄 1kWh電能 ； 經(jīng) CF輸出脈沖常數(shù)為 1600imp/kWh的電能脈沖 ； 為滿足電流通道的動(dòng)態(tài)范圍且留有充分的余量，選用 250 u? 的分流器 ； 通過它將負(fù)載電流轉(zhuǎn)換為電壓，接到 V1P和 V1N引腳。 利 用 分 壓 電 阻 網(wǎng) 絡(luò) 將 220V 線 路 電 壓 降 到 ， 則 分 壓 比 為(220/):1=908:1。最大負(fù)載電流時(shí)經(jīng)分流器產(chǎn)生的電壓為 =，小于 30mV的最大值。與可調(diào)電位器調(diào)整相比，這種方法檢修和調(diào)節(jié)更方便、快捷，最重要的是更穩(wěn)定可靠 。 AT89C52 是一個(gè)低電壓，高性能 CMOS 8 位單片機(jī)，片內(nèi)含8kbytes 的可反復(fù)擦寫的 Flash 只 讀程序存儲(chǔ)器和 256bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM），器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8 位中央處理器和 Flash 存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的 AT89C52 單片機(jī)可為您提供許多較復(fù)雜系統(tǒng)控制應(yīng)用場(chǎng)合 。 P0~P3 為可編程通用I/O 腳，其功能用途由軟件定義，在本設(shè)計(jì)中， P0 端口 (32~39 腳 )被定義為 N1 功能控制端口，分別與 N1 的相應(yīng)功能管腳相連接， 13 腳定義為 IR 輸入端， 10 腳和 11 腳定義為 I2C 總線控制端口，分別連接 N1 的 SDAS(18 腳 )和 SCLS(19腳 )端口 ， 12 腳、 27 腳及 28 腳定義為握手信號(hào)功能端口，連接主板 CPU 的相應(yīng)功能端，用于當(dāng)前制式的檢測(cè)及會(huì)聚調(diào)整狀態(tài)進(jìn)入的控制功能。阻容降壓電源主要由降壓限流、整流濾波、穩(wěn)壓三部分組成，原理框圖如圖 37 所示。當(dāng)合上電源（如220VAC/50Hz）的瞬間，有可能是電源的正或負(fù)半周的峰峰值，此時(shí)瞬間電流會(huì)很大，因此需串聯(lián)一個(gè)限流電阻，以保證電路的安全。采用半波整流時(shí)，1 Fu 電容可得到的電流平均值為 0 . 4 4 0 . 4 4 2 2 0 2 3 . 1 4 5 0 0 . 0 0 0 0 0 1 3 0CVI m AZ? ? ? ? ? ? ? ? ? (3－ 3) 式中， V 為電網(wǎng)電壓； CZ 為降壓電容的容抗。 阻容降壓型直流穩(wěn)壓電源具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、成本低、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、穩(wěn)定可靠、高效等特點(diǎn)。 單相電子式 電能表的直流穩(wěn)壓電源單元分別以相線、零線為參考地，分兩路各自經(jīng)降壓限流、整流濾波和穩(wěn)壓等電路之后，輸出兩路 5V 電源供信號(hào)采集單元工作，同時(shí)輸出 供信息管理單元工作，如圖 38 所示。C33 為降壓電容，相當(dāng)于降壓變壓 器。 因 電 能 表 工 作 電