【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 電能表，先是依靠進(jìn)口，到 8090 年代國(guó)內(nèi)已經(jīng)能夠生產(chǎn) %級(jí)電子式電能表。經(jīng)過十多年的發(fā)展，現(xiàn)在我國(guó)的電能表技術(shù)水平在大部分領(lǐng)域已經(jīng)達(dá)到國(guó)外同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平。在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)下，人們對(duì)電能的計(jì)量的準(zhǔn)確度越來越高，對(duì)用電的管理要實(shí)現(xiàn)智能化和自動(dòng)化，這些都是感應(yīng)式電能表無能為力的。近年來，高準(zhǔn)確度、多功能、長(zhǎng)壽命且能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表的多功能全電子式電能表的出現(xiàn)，為電子式電能表取代感應(yīng)式電能表創(chuàng)造了條件。3. 國(guó)外電能表技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀國(guó)外電能表技術(shù)的發(fā)展主要集中在電子式電能表的計(jì)量芯片上，而計(jì)量芯片的核心是乘法算法的實(shí)現(xiàn)方式。目前，乘法器與相關(guān)算法的實(shí)現(xiàn)主要有三種方式： 1. 采用硬件搭建構(gòu)成內(nèi)部運(yùn)算乘法器： 2. 通過外部 MCU 軟件編程實(shí)現(xiàn)乘法運(yùn)算處理： 3. 采用 DSP 或?qū)Ｓ糜?jì)量芯片實(shí)現(xiàn)乘法處理，如采用 ADC+DSP+MCU+計(jì)量軟件或?qū)Ｓ糜?jì)量部件+MCU 的解決方案，前者如由 ATMEL 公司的 AT73C500 和AT73C501 制成的電能表，后者如由 TI 公司 MSP430F42x 制成的電能表。電能表未來的發(fā)展趨勢(shì)是計(jì)量部分模塊化，并能直接給出所有高精度的測(cè)量參數(shù)，以及控制部分功能擴(kuò)展。在電能表的制造技術(shù)上，越來越多的新技術(shù)得到使用，如 EDA(電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化)、CAM(計(jì)算機(jī)輔助制造)、CAT(計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試)、SMT(表面貼裝技術(shù))等。 本章小結(jié)本選題所要研制的單相多功能電能表擬解決以往此類電表普遍存在的精度差、功能有限、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本偏高等問題，本課題選擇美國(guó)德州儀表公司(TI)的MSP430 單片機(jī)作為電能表的微處理器，MSP430 是超低功耗的 16 位單片機(jī)，采用精簡(jiǎn)指令集。它具有豐富的片內(nèi)外設(shè)，功能強(qiáng)大，并且具有很低的電能消耗，特別適合在電池供電的設(shè)備中運(yùn)用，圖 12 是本選題開發(fā)的電能表的結(jié)構(gòu)原理圖。本單相多功能電表由輸入轉(zhuǎn)換部分、單片機(jī)部分、通信部分和輸出部分組成。其中，電壓電流經(jīng)輸入轉(zhuǎn)換變成單片機(jī)可以處理的信號(hào)，單片機(jī)采用9MSP430X3XX，通信采用紅外通信方式，輸出部分則是有關(guān)數(shù)據(jù)送 LCD 顯示和脈沖輸出。在研制過程中，精度、可靠性、功耗是側(cè)重點(diǎn)，并充分考慮產(chǎn)品化的需要，采取了一些有利于推廣的措施。參照電能表的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，本電能表實(shí)現(xiàn)以下功能： 電壓回路電流回路脈沖M S P 4 3 0存儲(chǔ)器L C D時(shí)鐘通信電源圖 12 多功能電能表結(jié)構(gòu)：對(duì)市電的電壓，電流采樣處理，得到電壓有效值，電流有效值，有功功率和無功功率等電能參數(shù)；：每天有 3 種費(fèi)率可供選擇；：具有日歷、計(jì)量和閏年自動(dòng)切換功能；：利用紅外通信方式，與電能表手持抄錄器交換數(shù)據(jù)；：可顯示上月、本月總電量及各費(fèi)率時(shí)段的電量。10第二章 總體方案 電能表實(shí)際上就是一個(gè)自動(dòng)化測(cè)控系統(tǒng)，設(shè)計(jì)時(shí)需要一個(gè)總體設(shè)計(jì)方案，以便后面具體設(shè)計(jì)工作的開展。 測(cè)量的概念及原理 人們借助于專門的設(shè)備，通過實(shí)驗(yàn)方法對(duì)客觀事物取得數(shù)量信息的過程稱為測(cè)量。它與計(jì)量的區(qū)別在于：計(jì)量是以確定值為目的的一組操作。一般認(rèn)為，以國(guó)家法定計(jì)量單位為計(jì)值單位進(jìn)行的測(cè)量屬計(jì)量的范疇。 按被測(cè)量值的獲取方法，測(cè)量可以分為三類：直接測(cè)量、間接測(cè)量和組合11測(cè)量法。 直接測(cè)量法是不需對(duì)被測(cè)量有函數(shù)關(guān)系的其它量進(jìn)行測(cè)量而獲得被測(cè)量值的一種方法。 間接測(cè)量法是通過對(duì)被測(cè)量有函數(shù)關(guān)系的二個(gè)或三個(gè)以上的相關(guān)量的測(cè)量而得到被測(cè)量值的測(cè)量方法。組合測(cè)量法是當(dāng)各未知量能以某些可測(cè)量的組合形式表示(或改變測(cè)量條件未獲得這種不同的組合)時(shí)，根據(jù)直接測(cè)量和間接測(cè)量所得的數(shù)據(jù)，通過一組聯(lián)立方程而求出各未知量的數(shù)據(jù)。 電能參數(shù)的測(cè)量 電壓、電流測(cè)量周期性電壓、電流的瞬時(shí)值是隨時(shí)變化的，所以一般用有效值表征它們的作功能力并度量其“大小” ，如電流有效值的定義是一個(gè)周期性電流的作功能力和直流電流的作功能力相比，則有：在相同時(shí)間 T 內(nèi)周期電流 I 流過電阻 R 所做的功與直流電流 I 流過電阻所做功相等，就稱此直流電流的量值為此周期電流的有效值。直流電流 I 流過電阻 R 在時(shí)間 T 內(nèi)所做的功為：IW2?周期性電流 l 流過電阻 R，在時(shí)間 T 內(nèi)，電流 l 所作的功為：dtir?02根據(jù)以上定義 ，即21?RTItiT20?于是，周期電流 1 的有效值為： (式 21)??TdtiI02同理，電壓有效值 V 為： tuT?021(式 22)12上面兩式(21)和(22 )式，即是對(duì)電流、電壓求均方根值的運(yùn)算。根據(jù)周期性連續(xù)函數(shù)有效值的定義，將電壓、電流函數(shù)離散化，得 (式 23)??NnuV12)( (式 24))(12iIn?式中 u(n)和 I(n)分別表示被測(cè)電壓、電流信號(hào)離散采樣值。 功率測(cè)量電路由有源元件和無源元件組成，有源元件包括電源和反電動(dòng)勢(shì)，而無源元件可以分成兩類：一類是耗能元件電阻 R，另一類是儲(chǔ)能元件電感 L 和電容 C，工作中的電路中時(shí)時(shí)刻刻都在進(jìn)行著電能和其它形式能量的相互轉(zhuǎn)換。在含有儲(chǔ)能元件電感 L 或電容 C 的正弦交流電路里，電阻元件(以及反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載)的端電壓與端電流方向總是相同的，其瞬時(shí)功率都為正，它把電能轉(zhuǎn)化成其它形式的能量。而電感和電容上電壓與電流的瞬時(shí)值在一個(gè)周期里有半個(gè)周期二者的方向相同，電能轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)能或電場(chǎng)能儲(chǔ)存在電感或電容內(nèi)：另外半個(gè)周期中電壓與電流的實(shí)際方向是相反的，磁場(chǎng)能或電場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為電能回饋電路。所以，儲(chǔ)能元件能量的轉(zhuǎn)換是雙向的、可逆的，在一個(gè)周期內(nèi)的平均功率等于 O。有功功率定義為一周期內(nèi)瞬時(shí)功率的平均值，由于儲(chǔ)能元件一周期內(nèi)瞬時(shí)功率的平均值為 0，所以實(shí)際元件的有功功率也就是電路中電阻上耗能的規(guī)模。 無功功率反映了儲(chǔ)能元件 L 或 C 在一周期內(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。一般周期信號(hào)電路的有功功率為： （式 2??rdtiuTP0)(15）13其中 T 為周期信號(hào)的周期。式(25)經(jīng)離散化可得 （式 2??NniuP1)(6）注意((26)式對(duì)正弦電路是完全適用的。由于儲(chǔ)能器件的存在，單相正弦電路中的有功功率的定義為：其中 v，了分別為電壓、電流有效值， 216。 為功率因數(shù)，它反映了有功功率cos與視在功率 S=叮的比值，而在物理上功體現(xiàn)為正弦的電壓波形與電流波形之間的相位差。單相正弦電路的無功功率的定義式為： （式 2?sinVIQ?8）在這里會(huì)面臨以下兩個(gè)有待解決的問題：1)如何得到式((28)的離散化表達(dá)式：2)因?yàn)榉钦译娐返臒o功功率不能簡(jiǎn)單地體現(xiàn)為電壓波形與電流波形之間的相位差，因此不能以 Vl sin216。 表示，在這種情況下如何求得非正弦電路的無功功率。下面就是解決上述問題的兩個(gè)方法：1. 數(shù)字移相法(28)式可以變換為： （式 2)90cos(????VIQ9）由式(29)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： （式 2???Nniu1)4(10） 這種計(jì)算稱為無功功率的簡(jiǎn)單數(shù)字移相法，它要求被測(cè)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)確的無功功率測(cè)量。14 2. 視在功率法 實(shí)際運(yùn)用中，電網(wǎng)還存在一些諧波成分，用式(210 )計(jì)算無功功率將產(chǎn)生較大誤差，因此應(yīng)該用下述方法進(jìn)行無功功率的計(jì)算。 用(23)和((24)分別求出有效值 v， r，然后求出視在功率 S = vl則有： (式 211)2PSQ??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功功率的測(cè)量，并進(jìn)而可推演出其它的一些被測(cè)量。 多費(fèi)率電能表的原理 多費(fèi)率電能表又稱為分時(shí)計(jì)費(fèi)電能表或復(fù)費(fèi)率電能表，它可按預(yù)定的峰、谷、平時(shí)段的劃分，分別計(jì)量高峰、低谷、平段的用電量，從而對(duì)不同時(shí)段的用電量采用不同的電價(jià)。多費(fèi)率電能表由電能測(cè)量單元和具有分時(shí)計(jì)量功能的電路組成，對(duì)電子式電能表而言，測(cè)量為了實(shí)現(xiàn)分時(shí)計(jì)量，電表設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是設(shè)有計(jì)時(shí)準(zhǔn)確、時(shí)段誤差和日誤差小、接通/切換準(zhǔn)確的時(shí)鐘和時(shí)控電路，多費(fèi)率電能表原理如圖 21。多功能電能表的費(fèi)率結(jié)構(gòu)按照電能表的技術(shù)要求，主要規(guī)定了不同的費(fèi)率結(jié)構(gòu)，采用不同的費(fèi)用結(jié)算方式，對(duì)電能表來說，需要存儲(chǔ)費(fèi)率結(jié)構(gòu)的各種數(shù)據(jù)表格，包括日費(fèi)率表、周費(fèi)率表、季節(jié)費(fèi)率表和節(jié)假日費(fèi)率表等，這些表格不是孤立存在，而是一個(gè)有機(jī)的整體，通過軟件判斷，選擇合適的費(fèi)率，實(shí)現(xiàn)分時(shí)計(jì)費(fèi)的功能。15圖 21 多費(fèi)率電能表結(jié)構(gòu)圖顯 示 器時(shí) 鐘秒 信 號(hào)電 源測(cè) 量 電 源基 時(shí) 控 電 路顯 示 器 /計(jì) 數(shù) 器分 時(shí) 計(jì) 數(shù) ， 存 儲(chǔ) ， 譯 碼尖 峰 平 谷市 電16 單項(xiàng)電能表原理 電流 電流電壓 電壓a2 次 A / D 轉(zhuǎn)換之間的時(shí)間間隔重復(fù)時(shí)間時(shí)間圖 22 單項(xiàng)電能表測(cè)量時(shí)序 被測(cè)電能 E 為 （式 2—tUinl ???????)(1011）式中 時(shí)刻的電流采樣值(A)： 時(shí)刻的電壓采樣值(V)：nti?1?ntU 時(shí)刻的電壓采樣值(V)： —采樣時(shí)間間隔(s)。1?n tt 時(shí)刻 則電流為tn?si? （式 2)sin(?tI12）時(shí)刻電壓采樣值t?? （式 2)si(1????tUn13）時(shí)刻電壓采樣值t? （式 2—)si(1???tn14）為被測(cè)電壓和被測(cè)電流之間的相位差?測(cè)量方法引入測(cè)量誤差 為：e1??正 確 值采 樣 值e17 （式 21)2cos(1s 1)in(i)]si([in5. ????????tftIUtUtI???????15） 有功電能計(jì)算設(shè)在 t 時(shí)刻負(fù)載兩端的交流電壓和流過負(fù)載的交流電流的表達(dá)式為： （式 2tUtutm?sin2sin)(?16） （式 2)i()i ????tItIti17）其中 u 時(shí)刻電壓瞬時(shí)值： 時(shí)刻電流瞬時(shí)值： —電壓峰值： 電tr?)( ti mUmI流峰值：U—電壓有效值：I—電流有效值： —電壓與電流相位差： 一角頻率。?則在一個(gè)周期內(nèi)平均有功功率 P 為 （式 2??rdtiuTp0)(118） ?ti0)(??r dtUIT0)2cos([1????s一個(gè)周期內(nèi)的電能 W 為 （式 2—??rTIdtiu0cos)(?19）18電子式電能表中起主要作用的是電能測(cè)量單元，其作用是將輸入電壓與電流變換成與功率成一定比例關(guān)系的脈沖信號(hào)，送至分頻和計(jì)數(shù)。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。乘法器的類型決定了電子式電能表電能測(cè)量單元的結(jié)構(gòu)。乘法器大體可分為模擬乘法器和以數(shù)字乘法器兩類，模擬乘法器的又分為熱電轉(zhuǎn)換型、霍爾效應(yīng)型和時(shí)分割型等：數(shù)字乘法器則包括以微處理器為核心的高精度 A/D 型和 DSP 型乘法器。不管哪種乘法器，都是以式(2—19)為理論基礎(chǔ)形成的。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。當(dāng)用計(jì)算機(jī)處理時(shí)，需要將連續(xù)量離散化，用和式代替積分。若以 t 的時(shí)間?間隔對(duì)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： （式 2—???nkiuW1)(20）式中 u(k)，i(k)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—20)計(jì)算出被測(cè)的有功能量。街取得越小，則計(jì)算結(jié)果越準(zhǔn)確。對(duì)三相計(jì)量來說，三相有功功率或者三相負(fù)載吸收的平均功率都等于它們各相的平均功率之和，即： （式 2cbacba UIIUIpp ??oscsos????21） 最大需求量最大需量定義為一個(gè)月內(nèi)平均 30 分鐘或 15 分鐘內(nèi)消耗的功率的最大值。計(jì)量最大需量是為了調(diào)節(jié)用電負(fù)荷，作到負(fù)荷平衡