【正文】 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。 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。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 。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。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)。通過跳線將邏輯輸入引腳 G1， G0都置高電平來設(shè)定通道 1的增益為 16，此時(shí)輸入最大電壓為 30mV 。 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。該輸出的邏輯狀態(tài)隨 CF 輸出脈沖同時(shí)變化。該引腳的邏輯輸入電平確定 CF 引腳的輸出頻率。典型溫度系數(shù)為 30ppm/℃。 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。在電能計(jì)量的應(yīng)用中應(yīng)使 HPF 選通。 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的結(jié)構(gòu)原理圖如圖 33所示。如圖 32 所示通道 1 的共模電壓是 AGND，它是通過負(fù)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(bǔ)作用。 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(fù)輸入端。 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)交換的場所， RS485 通信模塊實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)與上位機(jī)的通信。 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。 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。在實(shí)際應(yīng)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(shè)備不能充分利用。 最大需量的計(jì)算 最大需量定義為一個月內(nèi)平均 30分鐘或 15 分鐘內(nèi)消耗的功率的最大值。 △ t 取得越小，則計(jì)算結(jié)果越準(zhǔn) 確。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。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(nèi)可采樣 200 次。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。 通過軟件設(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功能。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 ， 因而裝用量增長很快。 國 內(nèi)電子式電能表的發(fā)展概況 我國 20 世紀(jì) 70 年代開始用電子式標(biāo)準(zhǔn)電能表 ， 先是進(jìn)口后來到 80~90年代國內(nèi)已能商業(yè)化生產(chǎn) %級電子式標(biāo)準(zhǔn)電能表 ， 也已研制出更高準(zhǔn)確度等級的標(biāo)準(zhǔn)電能表。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，因此不存在上述問題，加上體積小、重量輕，便于使用。在 ％下就可啟動計(jì)量。 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(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。 國內(nèi)電子式電能表產(chǎn)品是 20 世紀(jì) 90 年代出現(xiàn)的。它由電能專用芯片來測量各用戶的電能，采用單片機(jī)作為數(shù)據(jù)處理中心，基本型的多用戶電能表可同時(shí)實(shí)現(xiàn)對多個用戶進(jìn)行電能集中計(jì)量與管理，其功能有 :電能計(jì)量、功率計(jì)量、多費(fèi)率電價(jià)計(jì)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? 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(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜龐大，用傳統(tǒng)的方法已無法實(shí)現(xiàn)當(dāng)代供電和用電管理系統(tǒng)的需要。在單片機(jī)的核心控制下，實(shí)現(xiàn)了電子式電能表電能分時(shí)段計(jì)量、數(shù)據(jù)通信等功能 。但是價(jià)格低廉、運(yùn)行穩(wěn)定、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)的電子式電能表還有待開發(fā)。隨著單片機(jī)技術(shù)的日益發(fā)展，以單片機(jī)為主控芯片的電子式電能表的生產(chǎn)已成規(guī)模。軟件分為啟動前的動態(tài)自檢程序，計(jì)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。這是由機(jī)械表的結(jié)構(gòu)原理所決定的。 本課題從一個嶄新的角度出發(fā)，將微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)結(jié)合運(yùn)用于實(shí)踐，把目前分散計(jì)量的電能表數(shù)據(jù)通過單片機(jī)進(jìn)行集中采集處理，研究設(shè)計(jì)了一種適合我國城鎮(zhèn)居民用電計(jì)量的多用戶單相電子電能表。 在 20 世 紀(jì) 80 年代末、 90 年代初，電子技術(shù)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(jià)格非常昂貴。 按接入方式分類有：經(jīng)互感器接入式電子式電能表、直接接入式電子式電能表。 感應(yīng)式電能表要在 ％下才能啟動并計(jì)量；而電子式電能表非常靈敏。電子式電能表采用 CPU 作為管理功能的核心，可以實(shí)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(yīng)式電能表所缺少的。 世紀(jì)之交 ， 電力市場改革浪潮遍及全球 ， 各國電力公司都認(rèn)識到市場競爭的核心是表計(jì)。由于數(shù)字技術(shù)的迅速發(fā)展 ， 目前已有趨勢全部更新為 A/D 轉(zhuǎn)換 ， 計(jì)算機(jī)處理方法 ， 這樣也更有利于實(shí)施負(fù)荷控制、記錄電能質(zhì)量、負(fù)荷曲線、發(fā)展表計(jì)的通信功能和確保高準(zhǔn)確度。 1993 年由國內(nèi)廠商試制成功單相電子式電能表后 ， 1994 年起在華東試用 20xx 只 ， 第一年故障率小于 1%。 通過硬件的設(shè)計(jì)使電能表完成比較準(zhǔn)確的電能計(jì)量，使電表在環(huán)境惡劣的情況下具有一定抗干擾能力。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。這種方法通過模數(shù)轉(zhuǎn)換 器 (也稱 A/D 轉(zhuǎn)換器 )把交流電壓、電流模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。 由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和 ASIC 技術(shù)的應(yīng)用，使開放專用芯片的工作相對容易。若以△ t 的時(shí)間間隔對電壓和電流進(jìn)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(diǎn)數(shù)，計(jì)算機(jī)軟件就可按公式 2－ 11 計(jì)算出被測的有功能量。 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(shí)現(xiàn)對含有諧波的電路的有功和無功功 率的計(jì)量，并進(jìn)而可推演出其它量的計(jì)量。 功率因素作為電力系統(tǒng)中的一個重要指標(biāo)，其大小體現(xiàn)了電網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量的高低，是電力部門調(diào)節(jié)電網(wǎng)時(shí)重點(diǎn)參考的數(shù)據(jù)。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。主要完成對電能量的計(jì)量，將模擬電能信息轉(zhuǎn)化為單片機(jī)可以讀取并且操作的數(shù)字電能信息。單片機(jī)對存儲器里的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行寫操作時(shí)，是將計(jì)量 芯片計(jì)量的數(shù)據(jù)保存到存儲器里的過程。考慮成本等因素，本設(shè)計(jì)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 。 xxx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 18 本設(shè)計(jì)選擇電流互感器 (CT)作為電流傳感器。 另外， ADE7755內(nèi)部的空載闡值特性保證了它在空載時(shí)沒有潛動。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(jīng)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(jì)算精度。當(dāng)該引腳輸入高電平時(shí)，通道 l(電流通道 )內(nèi)的HPF 被選通，該濾波器所涉及的相位響應(yīng)在 45Hz 至 1kHz 范圍內(nèi)在片內(nèi)己得到補(bǔ)償。兩個引腳內(nèi)部都有 ESD 保護(hù)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。片內(nèi)基準(zhǔn)電壓標(biāo)稱值為 ? 8%。 SCF 校驗(yàn)頻率選擇。該輸出沒有被鎖存，當(dāng)再次檢測到正功率時(shí)，該引腳輸出復(fù)位。 xxx 大學(xué)學(xué)士學(xué)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。分流器的材料為錳銅合金，阻值為 250u? 。具體電路如圖 36 所示。 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(guān)電源三種方式。 整流濾波。 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(guān)電 源三種方式。系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)的負(fù)載電流容量為 10mA，輸入電源為220V/50Hz。降壓限流電路由 C3 R3 D D6 組成。 穩(wěn)壓。降壓電容應(yīng)選用無極性的金屬膜電容。 RST/Vpd(9 腳 )為復(fù)位輸入端口，外接電阻電容組成的復(fù)位電路。這種電路的特點(diǎn)是，即使當(dāng)衰減程度改變時(shí)，通道 1和通道 2之間仍然保持相位匹配。 負(fù)載電流為基本電流 (10A)時(shí)，負(fù)載的功耗為 P=220x10=。數(shù)字接地面是所有數(shù)字電路的接地參考點(diǎn)?？赡艿脑鲆媸?1， 2， 8 和 16。 AGND 這是 ADE7755 模擬電路 (即 ADC 和基準(zhǔn)源 )的接地參考點(diǎn)，該引腳應(yīng)連接到印刷電路板的模擬接地面。兩個引腳內(nèi)部都有 ESD 保護(hù)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。 NC 不連接 V1P， V1N 通道 l(電流通道 )的正，負(fù)模擬輸入引腳。片內(nèi)的電壓監(jiān)控單元對模擬電壓連 續(xù)監(jiān)控，以 xxx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 20 保證在上電時(shí) ADE7755 正確啟動和高可靠性工作。 xxx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 19 圖 33 ADE7755 結(jié)構(gòu)原理 圖 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路 ADC（ analog digital converter）是唯一的模擬電路，其他信號處理電路部分如相位校正環(huán)節(jié)、高通濾波器、乘法器、低通濾波器和數(shù)字 頻率轉(zhuǎn)換電路都是數(shù)字電路，從而保證了芯片強(qiáng)大的抗干擾能力和電能計(jì)量的高精度。 電能計(jì)量模塊 ADE7755 芯片 ADE7755是美國 AD公司于近年推出專用于功率 /電能測量的低成本集成電路，其技術(shù)指標(biāo)滿足 GB/T172151998標(biāo)準(zhǔn)規(guī) 定的準(zhǔn)確度等要求。如表 31 所示。紅外通信模塊實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)與抄表器之間數(shù)據(jù)交換。在掉電的情況下，為了保證時(shí)鐘的連續(xù)性和準(zhǔn)確性，還有專用的電池供電。模塊和模塊之間又通過 MCU 統(tǒng)一地聯(lián)系在一起，共同形成了功能強(qiáng)大的職能電能表系統(tǒng)。 在線路中cosPI u ??,cos? 越低，則通過線路的 I 就越大，導(dǎo)線的能量損失和導(dǎo)線電抗電壓降落就越大，線路的功率損失增加，則降 低了使用效率，造成有功電能的浪費(fèi)，而線路的電壓降增加，會使負(fù)載兩端電壓降低，影響正常使用。 xxx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 14 電能參 數(shù)的測量原理 電壓電流有效值的計(jì)算 根據(jù)電工原理，周期性變化的電壓、電流信號的有效值為： 201 ()T tU u t dT?? (2－ 17) 201 ()T tI i t dT??