【正文】 系統(tǒng)電源設計的負載電流容量為 10mA，輸入電源為220V/50Hz。 系統(tǒng)電源的硬件電路 電子式電能表交流電供電通常有工頻電源、阻容電源、開關電 源三種方式。 整流濾波。 系統(tǒng)電源的工作原理 電子式電能表交流電供電通常有工頻電源、阻容電源、開關電源三種方式。具體電路如圖 36 所示。分流器的材料為錳銅合金，阻值為 250u? 。 xxx 大學學士學位論文 22 1 F1， F2 低頻邏輯輸出引腳，其輸出頻率反映平均有功功率的大小。該輸出沒有被鎖存，當再次檢測到正功率時，該引腳輸出復位。 SCF 校驗頻率選擇。片內基準電壓標稱值為 ? 8%。兩個引腳內部都有 ESD 保護電路，這兩個引腳能承受士6V的過電壓，而不造成永久性損害。當該引腳輸入高電平時，通道 l(電流通道 )內的HPF 被選通，該濾波器所涉及的相位響應在 45Hz 至 1kHz 范圍內在片內己得到補償。電流通道（通道 V1）的 ADC 的前端有可編程增益放大器 PGA（ programmable gain amplifier），其輸出經相位校正電路（消除高通濾波器的相位）和高通濾波器 HPF（ highpass filter）以濾掉電流信號的直流分量，從而提高有功功率的計算精度。 另外， ADE7755內部的空載闡值特性保證了它在空載時沒有潛動。 xxx 大學學士學位論文 18 本設計選擇電流互感器 (CT)作為電流傳感器?？紤]成本等因素，本設計中電壓采樣選用電阻分壓的接法，電流取樣選用電流互感器 。單片機對存儲器里的數(shù)據(jù)信息進行寫操作時，是將計量 芯片計量的數(shù)據(jù)保存到存儲器里的過程。主要完成對電能量的計量，將模擬電能信息轉化為單片機可以讀取并且操作的數(shù)字電能信息。數(shù)字型乘法器的實現(xiàn)電路可由單片機、 A/D 轉換器、采樣保持器、多路模擬開關和顯示器等部分組成。 功率因素作為電力系統(tǒng)中的一個重要指標，其大小體現(xiàn)了電網運行質量的高低，是電力部門調節(jié)電網時重點參考的數(shù)據(jù)。 分別求出有效值 U 、 I ，然后求出視在功率 S UI? ，則有： 22Q S P?? (2－ 15) 這種方法只要滿足采樣定理，在原理上可以實現(xiàn)對含有諧波的電路的有功和無功功 率的計量，并進而可推演出其它量的計量。若以△ t 的時間間隔對電壓和電流進行采樣，用 N 表示每周期采樣的次數(shù) (即 T=N*△ t)，則有功電量公式可以表示為： 1 ( ) ( )TkW u k i k???? (2－ 11) 式中 ()uk 、 ()ik 分別代表電壓、電流的第 k 次采樣值， N 為采樣總點數(shù)，計算機軟件就可按公式 2－ 11 計算出被測的有功能量。 由于計算機技術的發(fā)展和 ASIC 技術的應用，使開放專用芯片的工作相對容易。這種方法通過模數(shù)轉換 器 (也稱 A/D 轉換器 )把交流電壓、電流模擬量轉換為數(shù)字量。由此大體可分為以模擬乘法器為核心和以數(shù)字乘法器為核心兩類。 通過硬件的設計使電能表完成比較準確的電能計量，使電表在環(huán)境惡劣的情況下具有一定抗干擾能力。 1993 年由國內廠商試制成功單相電子式電能表后 ， 1994 年起在華東試用 2020 只 ， 第一年故障率小于 1%。由于數(shù)字技術的迅速發(fā)展 ， 目前已有趨勢全部更新為 A/D 轉換 ， 計算機處理方法 ， 這樣也更有利于實施負荷控制、記錄電能質量、負荷曲線、發(fā)展表計的通信功能和確保高準確度。 世紀之交 ， 電力市場改革浪潮遍及全球 ， 各國電力公司都認識到市場競爭的核心是表計。電子式電能表采用 CPU 作為管理功能的核心，可以實現(xiàn)大量的事件記錄、監(jiān)控功能，如：失壓、失流、過壓、過流、編程、開蓋、電壓合格率等；這些是感應式電能表所缺少的。 感應式電能表要在 ％下才能啟動并計量；而電子式電能表非常靈敏。 按接入方式分類有：經互感器接入式電子式電能表、直接接入式電子式電能表。 在 20 世 紀 80 年代末、 90 年代初，電子技術發(fā)展迅速，電子式電能表也取得了飛躍的發(fā)展， 國 外大公司推出了全電子式多功能電能表，如斯倫貝謝、LANDISG、 GYR 和美國 GE 公司，但是價格非常昂貴。 本課題從一個嶄新的角度出發(fā)，將微電子技術、計算機技術和通信技術結合運用于實踐，把目前分散計量的電能表數(shù)據(jù)通過單片機進行集中采集處理，研究設計了一種適合我國城鎮(zhèn)居民用電計量的多用戶單相電子電能表。這是由機械表的結構原理所決定的。軟件分為啟動前的動態(tài)自檢程序，計量電量的電能脈沖采集程序，數(shù)據(jù)信息處理和交換的數(shù)據(jù)存儲程序，通訊中斷子程序。隨著單片機技術的日益發(fā)展，以單片機為主控芯片的電子式電能表的生產已成規(guī)模。但是價格低廉、運行穩(wěn)定、可靠性高、抗干擾能力強的電子式電能表還有待開發(fā)。在單片機的核心控制下，實現(xiàn)了電子式電能表電能分時段計量、數(shù)據(jù)通信等功能 。 隨著我國電力的發(fā)展和人們生活中家用電器的普及，用電量日益增大，并月用電的高峰和低谷存在較大的差距 ； 電力系統(tǒng)網絡結構日益復雜龐大，用傳統(tǒng)的方法已無法實現(xiàn)當代供電和用電管理系統(tǒng)的需要。它由電能專用芯片來測量各用戶的電能，采用單片機作為數(shù)據(jù)處理中心，基本型的多用戶電能表可同時實現(xiàn)對多個用戶進行電能集中計量與管理，其功能有 :電能計量、功率計量、多費率電價計算、數(shù)據(jù)顯示與查詢、數(shù)據(jù)存儲、監(jiān)視與控制和數(shù)據(jù)傳輸?shù)取? 國內電子式電能表產品是 20 世紀 90 年代出現(xiàn)的。 按功能分類有：有功電子式電能表、無功電子式電能表、有功無功組合電子式電能表、有功復費率電子式電能表、最大需量電子式電能表、多功能電子式電能表。在 ％下就可啟動計量。 便于安裝使用 感應 式電能表的安裝有嚴格的要求；而電子式電能表采用靜止式的計量方式，因此不存在上述問題，加上體積小、重量輕，便于使用。特別是用戶選擇供應商 和實時電價 ， 要求表計有靈活、可靠的雙向通訊功能和不同制造商生產表計在電力市場技術支持系統(tǒng)中的兼容性 ，因而提出了標準化和兼容性問題。 國 內電子式電能表的發(fā)展概況 我國 20 世紀 70 年代開始用電子式標準電能表 ， 先是進口后來到 80~90年代國內已能商業(yè)化生產 %級電子式標準電能表 ， 也已研制出更高準確度等級的標準電能表。這批表至今已連續(xù)運行 6 年 以上 ， 基層用電管理部門歡迎 ， 因而裝用量增長很快。 通過軟件設計能夠使電能表運行穩(wěn)定，可靠，同時具有一定的智能糾錯功能。模擬乘法器的又分為熱電轉換型、霍爾效應型、時分割型等；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。如果 100us采樣一次，而工頻 50Hz 的交流電壓、電流的周期就是 20ms，則一個周期內可采樣 200 次。這種專用電能計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，如相位調整電路、電源檢測電路、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現(xiàn)滿足不同需要的電子式電能表。 △ t 取得越小，則計算結果越準 確。 最大需量的計算 最大需量定義為一個月內平均 30 分鐘或 15分鐘內消耗的功率的最大值。在實際應用中，如果功率因素太 低，表示輸出功率中無功功率所占比例很大，會有如下所列的不良后果 : （ 1） 電源設備不能充分利用。 電能的測量包括有功電能的測量和無功電能的測量以及最大需量的測量。 電能采樣模塊是將電能表硬件系統(tǒng)與主電網進行隔離，使強電和弱電分實時時鐘 電流采樣 電源模塊 電壓采樣 看門狗電路 ADE7755 電能計量芯片 數(shù)據(jù)存儲模塊 鍵盤及顯示控制電路 RS485 通信模塊 89C52 單片機 紅外通信模塊 xxx 大學學士學位論文 17 開。 RS485 通信模塊和紅外通信模塊是電能表與外界設備進行數(shù)據(jù)交換的場所， RS485 通信模塊實現(xiàn)了單片機與上位機的通信。 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輸入， V1P 為正輸入端， V1N 為負輸入端。如圖 32 所示通道 1 的共模電壓是 AGND，它是通過負載電阻的中間抽頭接到 AGND 上的，對 V1P 和V1N 上的模擬電壓起到互補作用。 ADE7755的結構原理圖如圖 33所示。 HPF 輸出的數(shù)字量與電壓通道（通道 V2）的 ADC 轉換后的數(shù)字量相乘后所得的乘積，經低通濾波器 LPF（ lowpass filter），獲取有功功率分量。在電能計量的應用中應使 HPF 選通。 V2P， V2N xxx 大學學士學位論文 21 通道 2(電 壓通道 )的正，負模擬輸入引腳。典型溫度系數(shù)為 30ppm/℃。該引腳的邏輯輸入電平確定 CF 引腳的輸出頻率。該輸出的邏輯狀態(tài)隨 CF 輸出脈沖同時變化。 電能計量電路設計 單相電子式電能表的電能計量電路 如圖 35所示。通過跳線將邏輯輸入引腳 G1， G0都置高電平來設定通道 1的增益為 16，此時輸入最大電壓為 30mV。由于電能表本身要求功耗低和體積小，所以本機系統(tǒng)使用的是 ATMEL 公司的AT89C52 單片機。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。整流有半波整流和全波整流兩種方式。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。因采用半波整流，流經 C33 的電流為負載電流的 2 倍，為留有余量，取 30mA ，則 C33 的容量為 uF 。 C33 的選擇根據(jù)負載的電流容量和交流電的工作頻率而定。但因無電氣隔離，使用阻容降壓電源時，需要注意以下三點： 未和 220V交流高壓隔 離，電路設計注意隔離措施； 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（注意功率大小）和并聯(lián)放電電阻； 注意穩(wěn)壓管功耗，嚴禁穩(wěn)壓管斷開運行。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換效率可達 90%以上。 AT89C52 有以下主要特點 ： 1. 兼容 MCS51 指令系統(tǒng) 8k 可反復擦寫 (1000 次） Flash ROM 2. 32 個雙向 I/O 口 256x8bit 內部 RAM 3. 3 個 16 位可編程定時 /計數(shù)器中斷 時鐘頻率 024MHz 4. 2 個串行中斷 可編程 UART 串行通道 5. 2 個外部中斷源 共 6 個中斷源 6. 2 個讀寫中斷口線 3 級加密位 7. 低功耗空閑和掉電模式 軟件設置睡眠和喚醒功能 xxx 大學學士學位論文 24 圖 36 單片機最小應用系統(tǒng) 電源模塊 電能表的電源管理模塊應解決以下四個問題： 1. 將 50Hz 的電網 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實 現(xiàn)電氣隔離，避免電網噪聲的侵入； 3. 提供后備電池，確保電網停電時重要數(shù)據(jù)不丟失； 4. 將電網瞬時的掉電信號提供給單片機進行處理。 單片機最小應用系統(tǒng) 單片機最小應用系統(tǒng)是電能表的核心部分。 為了給 ADE7755提供必要的電流和電壓轉換，本設計采用簡單的電阻分壓 xxx 大學學士學位論文 23 網絡和分流器來實現(xiàn)。常用于儀表校驗。 1 REVP 當檢測到負功率時，即電壓和電流信號的相位差大于 900 時，該引腳輸出邏輯高電平。星形接地方法有助于使數(shù)字電流噪聲遠離模擬電路。 REFin/out 基準電壓的輸入， 輸出引腳。這兩個引腳相對于 AGND 的最大信號電平為士 1V。 AC/DC 高通濾波器 HPF 選擇引腳。 ADE7755 內有兩個 Σ Δ 結構的采樣頻率為 900kHz 的 ADC，將電流調理信號和電壓調理信號轉換成數(shù)字量。當發(fā)生短路、開路和旁路的情況時，除了具有輸出指示外，還能以原精度繼續(xù)計量。 最大共模信號為 100mV。前置模擬電壓和電流取樣電路一般有兩種，一種是通過電阻分壓和分流的方法獲得的，另一種是通過電壓互感器和電流互感器的方法獲得。單片機對存儲器里的數(shù)據(jù)信息進行讀操作時，將信息讀出后送給其它模塊使用。 ADE7755 是電能計量芯片，在整個硬件電路中發(fā)揮著重要的作用。乘法器是電能測量單元的核心組成部分。 功率因素的計算 功率因素是指負載上的有功功率與視在功率的比值，即： cos PS?? (2－ 21) 式中的 ? 就是電壓與電流之間的相位角。 2．視 在功率法 實際運用中，電網還存在一些諧波成分，用 (2－ 14)計算無功功率將產生較大誤差，因此應該用下述方法進行無