【文章內容簡介】 域已經達到國外同類產品的先進水平。在市場經濟下，人們對電能的計量的準確度越來越高，對用電的管理要實現(xiàn)智能化和自動化，這些都是感應式電能表無能為力的。近年來，高準確度、多功能、長壽命且能實現(xiàn)遠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式電能表創(chuàng)造了條件。3. 國外電能表技術發(fā)展的現(xiàn)狀國外電能表技術的發(fā)展主要集中在電子式電能表的計量芯片上，而計量芯片的核心是乘法算法的實現(xiàn)方式。目前，乘法器與相關算法的實現(xiàn)主要有三種方式： 1. 采用硬件搭建構成內部運算乘法器： 2. 通過外部 MCU 軟件編程實現(xiàn)乘法運算處理： 3. 采用 DSP 或專用計量芯片實現(xiàn)乘法處理，如采用 ADC+DSP+MCU+計量軟件或專用計量部件+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)展趨勢是計量部分模塊化，并能直接給出所有高精度的測量參數(shù)，以及控制部分功能擴展。在電能表的制造技術上，越來越多的新技術得到使用，如 EDA(電子設計自動化)、CAM(計算機輔助制造)、CAT(計算機輔助測試)、SMT(表面貼裝技術)等。 本章小結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、結構復雜、成本偏高等問題，本課題選擇美國德州儀表公司(TI)的MSP430 單片機作為電能表的微處理器，MSP430 是超低功耗的 16 位單片機，采用精簡指令集。它具有豐富的片內外設，功能強大，并且具有很低的電能消耗，特別適合在電池供電的設備中運用，圖 12 是本選題開發(fā)的電能表的結構原理圖。本單相多功能電表由輸入轉換部分、單片機部分、通信部分和輸出部分組成。其中，電壓電流經輸入轉換變成單片機可以處理的信號，單片機采用MSP430X3XX，通信采用紅外通信方式，輸出部分則是有關數(shù)據(jù)送 LCD 顯示和脈沖輸出。在研制過程中，精度、可靠性、功耗是側重點，并充分考慮產品化的需要，采取了一些有利于推廣的措施。參照電能表的有關標準，本電能表實現(xiàn)以下功能： 電壓回路電流回路脈沖M S P 4 3 0存儲器L C D時鐘通信電源圖 12 多功能電能表結構：對市電的電壓，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 種費率可供選擇；：具有日歷、計量和閏年自動切換功能；：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、本月總電量及各費率時段的電量。第二章 總體方案 電能表實際上就是一個自動化測控系統(tǒng)，設計時需要一個總體設計方案，以便后面具體設計工作的開展。 測量的概念及原理 人們借助于專門的設備，通過實驗方法對客觀事物取得數(shù)量信息的過程稱為測量。它與計量的區(qū)別在于：計量是以確定值為目的的一組操作。一般認為，以國家法定計量單位為計值單位進行的測量屬計量的范疇。 按被測量值的獲取方法，測量可以分為三類：直接測量、間接測量和組合測量法。 直接測量法是不需對被測量有函數(shù)關系的其它量進行測量而獲得被測量值的一種方法。 間接測量法是通過對被測量有函數(shù)關系的二個或三個以上的相關量的測量而得到被測量值的測量方法。組合測量法是當各未知量能以某些可測量的組合形式表示(或改變測量條件未獲得這種不同的組合)時，根據(jù)直接測量和間接測量所得的數(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)的測量 電壓、電流測量周期性電壓、電流的瞬時值是隨時變化的，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：在相同時間 T 內周期電流 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 在時間 T 內所做的功為：IW2?周期性電流 l 流過電阻 R，在時間 T 內，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： (式 22)dtuTV??021上面兩式(21)和(22 )式，即是對電流、電壓求均方根值的運算。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)??Nnu12)( (式 24))(12iIn?式中 u(n)和 I(n)分別表示被測電壓、電流信號離散采樣值。 功率測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勢，而無源元件可以分成兩類：一類是耗能元件電阻 R，另一類是儲能元件電感 L 和電容 C，工作中的電路中時時刻刻都在進行著電能和其它形式能量的相互轉換。在含有儲能元件電感 L 或電容 C 的正弦交流電路里，電阻元件(以及反電動勢負載)的端電壓與端電流方向總是相同的，其瞬時功率都為正，它把電能轉化成其它形式的能量。而電感和電容上電壓與電流的瞬時值在一個周期里有半個周期二者的方向相同，電能轉化為磁場能或電場能儲存在電感或電容內：另外半個周期中電壓與電流的實際方向是相反的，磁場能或電場能轉化為電能回饋電路。所以，儲能元件能量的轉換是雙向的、可逆的，在一個周期內的平均功率等于 O。有功功率定義為一周期內瞬時功率的平均值，由于儲能元件一周期內瞬時功率的平均值為 0，所以實際元件的有功功率也就是電路中電阻上耗能的規(guī)模。 無功功率反映了儲能元件 L 或 C 在一周期內能量交換的規(guī)模，即電能與磁場能或電場能交換的規(guī)模，其規(guī)模大小用能量交換的最大速率來表示。一般周期信號電路的有功功率為： （式 2??rdtiuTP0)(15）其中 T 為周期信號的周期。式(25)經離散化可得 （式 2??Nniu1)(6）注意((26)式對正弦電路是完全適用的。由于儲能器件的存在，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）在這里會面臨以下兩個有待解決的問題：1)如何得到式((28)的離散化表達式：2)因為非正弦電路的無功功率不能簡單地體現(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算公式為： （式 2???Nniu1)4(10） 這種計算稱為無功功率的簡單數(shù)字移相法，它要求被測號為嚴格的正弦波情況，換句話說，它不能對含有諧波的電路進行準確的無功功率測量。 2. 視在功率法 實際運用中，電網還存在一些諧波成分，用式(210 )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功功率的計算。 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，在原理上可以實現(xiàn)對含有諧波的電路的有功和無功功率的測量，并進而可推演出其它的一些被測量。 多費率電能表的原理 多費率電能表又稱為分時計費電能表或復費率電能表，它可按預定的峰、谷、平時段的劃分，分別計量高峰、低谷、平段的用電量，從而對不同時段的用電量采用不同的電價。多費率電能表由電能測量單元和具有分時計量功能的電路組成，對電子式電能表而言，測量為了實現(xiàn)分時計量，電表設計的關鍵是設有計時準確、時段誤差和日誤差小、接通/切換準確的時鐘和時控電路，多費率電能表原理如圖 21。多功能電能表的費率結構按照電能表的技術要求，主要規(guī)定了不同的費率結構，采用不同的費用結算方式，對電能表來說，需要存儲費率結構的各種數(shù)據(jù)表格，包括日費率表、周費率表、季節(jié)費率表和節(jié)假日費率表等，這些表格不是孤立存在，而是一個有機的整體，通過軟件判斷，選擇合適的費率，實現(xiàn)分時計費的功能。圖 21 多費率電能表結構圖顯 示 器時 鐘秒 信 號電 源測 量 電 源基 時 控 電 路顯 示 器 /計 數(shù) 器分 時 計 數(shù) ， 存 儲 ， 譯 碼尖 峰 平 谷市 電 單項電能表原理 電流 電流電壓 電壓a2 次 A / D 轉換之間的時間間隔重復時間時間圖 22 單項電能表測量時序 被測電能 E 為 （式 2—tUinl ???????)(1011）式中 時刻的電流采樣值(A)： 時刻的電壓采樣值(V)：nti?1?ntU 時刻的電壓采樣值(V)： —采樣時間間隔(s)。1?n tt 時刻 則電流為tn?si? （式 2)sin(?tI12）時刻電壓采樣值t?? （式 2)si(1????tUn13）時刻電壓采樣值t? （式 2—)si(1???tn14）為被測電壓和被測電流之間的相位差?測量方法引入測量誤差 為：e1??正 確 值采 樣 值e （式 21)2cos(1s 1)in(i)]si([in5. ????????tftIUtUtI???????15） 有功電能計算設在 t 時刻負載兩端的交流電壓和流過負載的交流電流的表達式為： （式 2tUtutm?sin2sin)(?16） （式 2)i()i ????tItIti17）其中 u 時刻電壓瞬時值： 時刻電流瞬時值： —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。?則在一個周期內平均有功功率 P 為 （式 2??rdtiuTp0)(118） ?ti0)(??r dtUIT0)2cos([1????s一個周期內的電能 W 為 （式 2—??rTIdtiu0cos)(?19）電子式電能表中起主要作用的是電能測量單元，其作用是將輸入電壓與電流變換成與功率成一定比例關系的脈沖信號，送至分頻和計數(shù)。它是電子式電能表的關鍵，其測量精度直接決定電能表的精度和準確度。電子式電能表的電能測量單元種類繁多，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量單元的結構。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換型、霍爾效應型和時分割型等：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)為理論基礎形成的。初期的電子式電能表以時分割型為主的較多，目前的電子式電能表則以數(shù)字乘法器為主。當用計算機處理時，需要將連續(xù)量離散化，用和式代替積分。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： （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 為采樣總點數(shù)，計算機軟件就可按公式(2—20)計算出被測的有功能量。街取得越小，則計算結果越準確。對三相計量來說，三相有功功率或者三相負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月內平均 30 分鐘或 15 分鐘內消耗的功率的最大值。計量最大需量是為了調節(jié)用電負荷，作到負荷平衡，有利于提高電網設備利用率。 12maxtPd???其中 為時刻，的差等于 15 或 30 分鐘。12t、在一段時間 ，內，記錄下 的最大值和發(fā)生的時刻。一般情況下t?maxp采用滑差方式，每過一分鐘 增加