【正文】 江蘇、浙江兩省不完全統(tǒng)計(jì) ， 單相電子式電能表裝用量均大于 100 萬(wàn)臺(tái)。 數(shù)字乘法器 數(shù)字乘法器型電子式電能表是以微處理器為核心，將經(jīng)過(guò)采樣網(wǎng)絡(luò)變換的被測(cè)電壓和電流信號(hào)由 A/D 轉(zhuǎn)換器完成數(shù)字化處理，然后微處理器對(duì)數(shù)字化的被測(cè)對(duì)象進(jìn)行各種判斷、處理和運(yùn)算，從而可實(shí)現(xiàn)多種功能 。 有功電能的計(jì)量 作為電能表，最重要的功能就是電能計(jì)量。 xxx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 14 電能參 數(shù)的測(cè)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(hào)的有效值為： 201 ()T tU u t dT?? (2－ 17) 201 ()T tI i t dT?? (2－ 18) 式中 T 為信號(hào)周期。模塊和模塊之間又通過(guò) 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)。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。 電能計(jì)量模塊 ADE7755 芯片 ADE7755是美國(guó) AD公司于近年推出專用于功率 /電能測(cè)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。片內(nèi)的電壓監(jiān)控單元對(duì)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(dòng)和高可靠性工作。兩個(gè)引腳內(nèi)部都有 ESD 保護(hù)電路，這兩個(gè)引腳能承受士 6V 的過(guò)電壓，而不造成永久性損害?？赡艿脑鲆媸?1， 2， 8 和 16。 負(fù)載電流為基本電流 (10A)時(shí)，負(fù)載的功耗為 P=220x10=。 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。 穩(wěn)壓。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。 整流濾波。具體電路如圖 36 所示。 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。 SCF 校驗(yàn)頻率選擇。兩個(gè)引腳內(nèi)部都有 ESD 保護(hù)電路，這兩個(gè)引腳能承受士6V 的過(guò)電壓，而不造成永久性損害。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(hào)的直流分量，從而提高有功功率的計(jì)算精度。 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。單片機(jī)對(duì)存儲(chǔ)器里的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行寫(xiě)操作時(shí)，是將計(jì)量 芯片計(jì)量的數(shù)據(jù)保存到存儲(chǔ)器里的過(guò)程。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(kāi)關(guān)和顯示器等部分組成。 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(duì)含有諧波的電路的有功和無(wú)功功 率的計(jì)量，并進(jìn)而可推演出其它量的計(jì)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(kāi)放專用芯片的工作相對(duì)容易。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(lèi)。 1993 年由國(guó)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%。 世紀(jì)之交 ， 電力市場(chǎng)改革浪潮遍及全球 ， 各國(guó)電力公司都認(rèn)識(shí)到市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的核心是表計(jì)。 感應(yīng)式電能表要在 ％下才能啟動(dòng)并計(jì)量；而電子式電能表非常靈敏。 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(guó) 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(guó) GE 公司，但是價(jià)格非常昂貴。這是由機(jī)械表的結(jié)構(gòu)原理所決定的。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。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 。它由電能專用芯片來(lái)測(cè)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(duì)多個(gè)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(chǔ)、監(jiān)視與控制和數(shù)據(jù)傳輸?shù)取? 按功能分類(lèi)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。 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。 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(kāi)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。 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。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。 △ t 取得越小，則計(jì)算結(jié)果越準(zhǔn) 確。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。 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(mén)狗電路 ADE7755 電能計(jì)量芯片 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊 鍵盤(pán)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(kāi)。 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。 ADE7755的結(jié)構(gòu)原理圖如圖 33所示。在電能計(jì)量的應(yīng)用中應(yīng)使 HPF 選通。典型溫度系數(shù)為 30ppm/℃。該輸出的邏輯狀態(tài)隨 CF 輸出脈沖同時(shí)變化。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 。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。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。 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。 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。利用分壓電阻 R00~R09組成線電壓衰減網(wǎng)絡(luò)。該引腳應(yīng)連接到印刷電路板的數(shù)字 接地面。無(wú)論用內(nèi)部還是外部基準(zhǔn)源，該引腳都使用 100uF 鉭電容和 100nF 瓷介電容對(duì) AGND 進(jìn)行去耦。該引腳提供 ADE7755 模擬電路的電源，正常工作電源電壓應(yīng)保持在 5V 士 5%，為使電源的紋波和噪聲減小到最低程度，該引腳應(yīng)使用 10 uF 電容并聯(lián) 100nF 瓷介電容進(jìn)行去耦。 被測(cè)電壓、電流轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后，接下來(lái) 的信號(hào)處理都由數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)。通道 l 有一個(gè) PGA，其增益可選擇為 1， 2， 8 或 16。 電源模塊為整個(gè)電能表硬件系統(tǒng)正常工作供電，它通過(guò)電能變換將主電網(wǎng)中的 220V 交流降壓，整流為 5V 的直流。 （ 2） 在線路中將會(huì)引起較大的電壓跌落和功率損失。 一般周期信號(hào)電路的有功功率由式 (2－ 9)表示。這種測(cè)量方法的誤差來(lái)源主要有采樣頻率、 A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度，取樣電路及其后的放大線路元器件的分散性造成的幅值和相位誤差。以下對(duì)電子式電能表工作原理進(jìn)行介紹，并介紹基于Δ ∑ A /D 轉(zhuǎn)換器的數(shù)字乘法器的工作原理以及基本電能量的計(jì)量原理和電能參數(shù)的計(jì)算方法。 隨著電力市場(chǎng)化改革的不斷深入 ， 我國(guó)網(wǎng)、省電網(wǎng)各級(jí)關(guān)口表在各級(jí)電能計(jì)量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)建設(shè) ， 大部分已更新為電子式電能表。 表 11 感應(yīng)式電能表與電子式電能表的性能比較 類(lèi)別 感應(yīng)式電能表 電子式電能表 準(zhǔn)確度（級(jí)別） ～ ～ 頻率范圍（ Hz） 45～ 55 40～ 20xx 啟動(dòng)電流 bI bI 外磁場(chǎng)影 響 大 小 國(guó) 內(nèi) 外 電子式電能表的發(fā)展概 況 國(guó)外 電子式電能表的發(fā)展概況 電力工業(yè)發(fā)展初期曾用電解化學(xué)原理電能表計(jì)量收費(fèi) ， 1890 年 ， 發(fā)明了感應(yīng)式電磁原理電能表沿用至今已有 100 多年。 電子式電能表的特點(diǎn) 在短短的十幾年時(shí)間內(nèi)，電子式電能表得到如此大的發(fā)展，是因?yàn)榕c普通感應(yīng)式電能表相比，在性能和功能方面有很大的優(yōu)勢(shì)。并且這種電能表能夠通過(guò)低壓電力線載波擴(kuò)頻通信接口組成遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)，便于供電部門(mén)對(duì)居民的用電情況進(jìn)行實(shí)時(shí)抄收、數(shù)據(jù)匯總和監(jiān)控，為電力部門(mén)進(jìn)行現(xiàn)代化管理提供一種有效的手段。 ADE7755。國(guó)家采取多費(fèi)率用電政策，以消峰填谷，平衡用電。據(jù)山東省技術(shù)監(jiān)督局 20xx 年底對(duì)該省機(jī)械式電能表進(jìn)行抽查的結(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。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。 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。 國(guó)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。 各地在普及實(shí)施分時(shí)電價(jià)的過(guò)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(wàn)只。電子式電能表的電能測(cè)量單元種類(lèi)繁多，其中乘法器是該單元的核心組成部分。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(guò)數(shù)字電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 下面就是解決上述問(wèn)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(wú)功功率，即無(wú)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(wú)功功率的簡(jiǎn)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(shuō)，它不能對(duì)含有諧波的電路進(jìn)行準(zhǔn)確的無(wú)功功率計(jì)量。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。 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊是所有電能信息的存儲(chǔ)單元。 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。 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。通道 1 有一個(gè) PGA。 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。其輸出頻率反映瞬時(shí)有功功率的大小。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 。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。C33 為降壓電容，相當(dāng)于降壓變壓 器。 阻容降壓型直流穩(wěn)壓電源具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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)。 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