【文章內(nèi)容簡介】 表計部 分信息的查詢。 電能表的工作流程預付費電能表工作分兩大部分：電能表與上位機管理軟件的信息交互和用戶電 能計量。按照“一戶一表，一表一卡”的原則，用戶安裝一個新的電能表的同時，會獲得 一張全新的射頻卡。首先用戶需要到售電點開戶，從而在管理系統(tǒng)中建立用戶檔案， 以后所有與該表計相關的信息均保存至此。開戶完成后，電能表與射頻卡建立了鏈 接，購電、測試、設置等管理操作均被允許。為保證信息安全，通信中的購電信息和管理信息均由售電管理上位機軟件加密，以密文數(shù)串的形式進行傳遞，表計在接收到這些數(shù)據(jù)時，將進行相應的解密工作。同時，電能表將用戶的用電量、余額、 部分消費記錄及表計狀態(tài)等非加密表計信息通過射頻卡返回給售電管理部門。電能 表中儲存有前12個月的購電/消費歷史記錄、表計當前日期/時刻、事件記錄等，用 戶可通過按鍵查詢?nèi)揩@得，這些信息對管理部門也是同等重要，管理員可通過近 紅外光電裝置與電能表通信獲得，并且，管理員還可以通過這種方式對電能表進行 時刻、日期等設置。供電網(wǎng)絡的電壓、電流分別經(jīng)由電阻分壓網(wǎng)絡、錳銅片分流器獲取電流網(wǎng)絡后， 均轉(zhuǎn)變?yōu)橛嬃啃酒?ADE7755 電壓、電流計量通道所允許的輸入范圍內(nèi)的電壓值， 芯片計算兩個輸入電壓的乘積后，再對乘積進行低通濾波，獲取有功功率信息，然 后將這個有功功率信息進一步轉(zhuǎn)換成頻率，以高頻脈沖信號的形式輸出[10]。輸出脈 沖頻率為f = K ( V1 V2 G F1?4 )V 2REF（）式中， K 是由芯片引腳配置確定的倍率；V1 、V2 分別是電流、電壓通道差動輸入電 壓有效值；G 是片內(nèi) PGA 增益； F1? 4 是由芯片主時鐘分頻所得常數(shù)；VREF 是片內(nèi)基 準電壓（177。8%）。電能表的 MCU 在內(nèi)部定時器設定的積分時間內(nèi)對芯片的高頻輸出脈沖計數(shù)， 平均功率正比于平均頻率，用戶所耗電能為W = P t = n t = n t式中，W 為電能； P 為平均功率； t 為積分時間； n 為脈沖個數(shù)。 系統(tǒng)的功能（）預付費電能表是利用電能測量集成電路對電壓、電流取樣信號進行計算處理，并輸出與有功功率成正比的頻率信號脈沖，微處理器通過對脈沖計數(shù)來計算所消費 的電量，用戶或管理員將射頻卡置于預付費電能表的感應區(qū)內(nèi)，表計在微處理器的 控制下將卡中信息讀出進行相應處理，并向卡中寫入返回給售電管理系統(tǒng)的信息。 基于RFID+STS的預付費單相電能表具有以下功能：（1）電量計量功能。該電能表計量有功電量，具體規(guī)格為：220－240V，5（60）A，1600imp/kWh。（2）射頻卡讀寫功能。電能表的射頻感應范圍為距表計外殼3cm以內(nèi)，在這個 范圍內(nèi)，表計對對應的射頻卡進行可靠快速地讀寫操作。通過射頻卡可對表計進行 測試、設置、充值、注銷等一系列操作。（3）通信功能。電能表通過吸附式近紅外光電通信頭與電腦或掌上電腦通信，通信內(nèi)容主要有：讀取數(shù)據(jù)，設置參數(shù)，執(zhí)行命令。（4）按鍵查詢功能。短時間（3s）按住按鍵進入查詢模式后，繼續(xù)按此按鍵可 逐次查詢16項信息：余額、總電量、前12個月每月的用電量、當前日期、當前時刻。（5）脈沖燈指示功能。電能表正常工作時，脈沖指示燈直觀地反映用戶用電 負荷的大小。（6）金額不足報警功能。金額不足報警有兩級報警值，可通過上位機軟件進 行設置。當表計內(nèi)剩余金額低于第一級報警值時，報警燈亮，以此提醒用戶及時購 電；當表計內(nèi)剩余金額低于第二級報警值時，報警燈亮，且蜂鳴器工作，若想讓其 停止鳴叫，按住按鍵達5秒即可。剩余金額為0時，電能表自動斷電。（7）緊急透支功能。如果用戶已欠費，且當時不方便購電，用戶可通過刷卡 進行透支，此卡片與表計必須是匹配的，且在重新充值之前，只能透支刷寫一次。 透支額度由售電部門設定，并且表計顯示透支標志。如果透支金額用完之前，用戶 仍未購電，電能表自動斷電。（8）負荷限制功能。當用電負荷超出售電部門的設置值時，表計進行過載處 理：如果負載過載時間達半分鐘，則停電3分鐘，重復該動作，除非負荷恢復正常，5次以后，繼電器斷開，放棄檢測。這是重大事故，需電能管理部門來處理。（9）防竊電功能。當不法者試圖竊電時，不論是正傳還是反轉(zhuǎn)，電能表都將 進行電能計量；一旦發(fā)生“開表蓋”或“開端鈕盒”事件，繼電器立刻斷開，停止供電， 從而防止用戶竊電。（10）掉電保護功能。交流供電失敗時，電能表自動切換到鋰電池供電模式， 保護表計的存儲數(shù)據(jù)，維持表計的正常計量。（11）?？▽Ｓ?，一表一卡。當有非本機卡置于預付費電能表的感應區(qū)內(nèi)時， 能及時辨別，并在LCD顯示器上提示錯誤原因。當電卡丟失或損壞時，可到售電部 門補卡繼續(xù)使用。（12）防潛動性功能。即無負載時，不輸出脈沖。 軟件開發(fā)環(huán)境與運行平臺為滿足電能表的功能需求，并保證整個系統(tǒng)正確可靠的開發(fā)與運行，對軟硬件 開發(fā)環(huán)境有如下要求：（1）系統(tǒng)軟件開發(fā)的硬件平臺：CPU：P4/ 及以上 硬盤：40G 及以上內(nèi)存：256M 及以上（2）系統(tǒng)軟件開發(fā)的軟件平臺：WindowsXP Service Packet 2Microsoft Visual Version （3）系統(tǒng)運行的硬件平臺：CPU：P4/ 及以上 硬盤：40G 及以上內(nèi)存：256M 及以上（4）系統(tǒng)軟件運行時需要的軟件平臺：Windows2000/WindowsXP Microsoft SQL2000 ServerMicrosoft .NET Framework（Version ）（5）系統(tǒng)軟件的編程語言：C＃（），C＋＋（），ANSI C源程序量：大約 14600 條（6）電能表嵌入式軟件開發(fā)的軟件平臺：IAR Embedded Workbench For MSP430，Version：（7）電能表嵌入式軟件運行的硬件平臺：CPU：MSP430F147（8）電能表嵌入式軟件開發(fā)的編程語言：ANSI C，MSP430 Assembly Language第三章 基于 RFID+STS 的電能表計量單元設計電能表數(shù)據(jù)采集單元采用 AD 公司的脈沖輸出高精度電功率測量芯片 ADE7755 完成電能檢測。本章介紹 ADE7755 的芯片結(jié)構(gòu)和工作原理，以及電能表的信息處 理核心 MSP430F147 的主要特點，給出計量單元與信息處理單元電路設計方案。 單相電能計量芯片 ADE7755ADE7755是AD公司最新推出的脈沖輸出高精度電功率測量芯片，相對于其前身 AD7755 提升了更加優(yōu)良和精確的計量性能，在電量測量中具備更實用的價值。 ADE7755在工頻情況下，在500:1的動態(tài)范圍內(nèi)，%，技術指標超過了IEC1036標準的要求[11]。唯一的模擬電路是模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，其他電路都是采用數(shù)字 電路，這保證了該芯片具有足夠的抗干擾的能力。 ADE7755 芯片結(jié)構(gòu)，它主要由信號輸入和信號處理兩 部分組成。 ADE7755的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)電流輸入通道中的增益可編程放大器可根據(jù)引腳G1和G0的輸入信號來選擇不 同的放大倍數(shù)[12]。兩個16位的A/D轉(zhuǎn)換器采用ΣΔ結(jié)構(gòu)，采樣頻率為900kHz，這種模擬輸入結(jié)構(gòu)可 使得芯片在很大的動態(tài)范圍內(nèi)直接與傳感器相連接，因而簡化了與傳感器的接口設計。芯片的REVP腳能夠檢測電路的正負功率，其邏輯狀態(tài)隨CF輸出脈沖同時變化，即在CF產(chǎn)生一 個脈沖的同時檢測正負功率，這樣可以有效地防 止用戶利用反接線進行竊電。信號處理部分包括 相位校正環(huán)節(jié)、高通濾波器（High Pass Filter， HPF）、乘法器、低通濾波器（Low Pass Filter， LPF）和數(shù)字/頻率轉(zhuǎn)換電路等。 ADE7755 工作原理電能測量的有功電能測量可簡單描述如下。 若電壓u(t)和電流i(t)均為正弦波，表達式為 通道1增益選擇G0 G1 增益0 0 10 1 21 0 81 1 16u(t ) = U m sin ωt =2U sin ωt（）i(t ) = I m sin(ωt ? ? ) =2I sin(ωt ? ? )（）式中，u(t)為t時刻電壓瞬時值；i(t)為t時刻電流瞬時值；Um為電壓峰值；Im為電流峰 值；U為電壓有效值；I為電流有效值； ? 為電壓與電流相位差； ω 為角頻率。則瞬時功率P(t)為P(t ) = u(t ) * i(t )= 2U sin ωt *2I sin(ωt ? ?)（）平均功率P為= 2 *U sin ωt * I sin(ωt ? ? )P = 1 ∫ T u(t ) * i(t)dtT 0= 1 ∫ T UI[? cos(2ωt + ? ) + cos? ]dt（）T 0= UI cos?ADE7755采用電流和電壓信號直接相乘的方法獲得瞬時有功功率，再由瞬時功 率信號求出平均有功功率。從錳銅片分流電阻和電阻分壓網(wǎng)絡傳來的電流和電壓信 號，被送入電流通道V1N、V1P和電壓通道V2N、V2P，分別由兩個16位的2階ΣΔ 型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，電流通道中的高通濾波器用于濾除電流信號中的直 流分量，以便消除直流分量對有功功率計算的影響。電壓信號與電流信號通過乘法 器相乘后，輸出信號經(jīng)低通濾波器濾除其中的交流分量，剩下的直流分量即為瞬時 有功功率。此信號經(jīng)過數(shù)字/頻率轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成與平均有功功率成比例的低頻脈沖信 號并從F1和F2端輸出，同時從高頻CF端輸出與瞬時有功功率成比例的脈沖信號[13]。 F1和F2端輸出的脈沖頻率freq和CF端輸出的脈沖頻率fCF為freq = V1 V2 G F1?4V 2REF（）f CF= K ? freq（）式中，VV2分別是電流、電壓通道差動輸入電壓有效值；G是片內(nèi)PGA增益；VREF 是片內(nèi)基準電壓（177。8%）；系數(shù)K和F14可由主時鐘CLKIN的頻率和引腳S0、S SCF的狀態(tài)來決定。 CF最大輸出頻率SCFS1S0F14fCF=K*freq100128*freq00064*freq10164*freq00132*freq11032*freq01016*freq11116*freq0112048*freq 計量單元電路設計當前，電子式電能表主要有兩種采樣方式：一種是用互感器采樣，一種為直接 采樣。采用互感器采樣即利用電壓互感器和電流互感器分別來采集用戶的電壓信號 和電流信號；直接采樣則是用熱穩(wěn)定性高的電阻分壓網(wǎng)絡來取得電壓信號，而用電 阻溫度系數(shù)非常小的錳銅片進行電流直接采樣[14]。采用互感器采樣的優(yōu)點是抗干擾性較強，線路簡單，成本低。但是，它在啟動 電流、線性范圍、功耗和精度等指標皆不如直接采樣，尤其是小電流時更為突出。 采用電流互感器采樣，由于激磁電存在，若不采取補償措施，互感器本身誤差就可 能超過5%。而采用專用的錳銅片進行直接電流采樣的電能表誤差可調(diào)整到+%。 基于RFID+STS的預付費單相電能表選用直接采樣的方式。電量測量采用美國ADI公司的ADE7755作為測量芯片，它是一種量程寬、精度高，內(nèi)部具有掉電、上電自動復位電路的高準確度電能測量專用集成電路。ADE7755 為低功耗的CMOS芯片，除ADC、濾波、乘法電路外，內(nèi)部都采用數(shù)字電路，可有 效去除尖脈沖等干擾信號，使得它在惡劣的環(huán)境條件下仍能保持極高的準確度和長 期的穩(wěn)定性。電壓采樣信號通過電阻分壓網(wǎng)絡后連接到 ADE7755取樣的電壓計量通道，電流采樣信號通過錳銅片后送入ADE7755的電流計 量通道，ADE7755的線性度為1‰，保證了計量的準確性?？紤]到實際電網(wǎng)電壓存在波動和負載電流可能超載，電能表電壓通道的標稱電壓設在半滿度值（最大差動峰值電壓為177。660mV），以便對表計脈沖常數(shù)進行校驗；同時，電流通道在最大負載時也不應超過半滿度值（最大差動峰值電壓為177。470mV）， 這樣設置可允許對電流信號和高峰值因數(shù)信號進行累計。R11k 1% R253C10R2310R+5 C121C1233nF34IC1DVDD AC/DCCFIN REVP FAULT24F1 23F2CFIN REVP FAULTR20CFIN R212KC3021SETR21k 1% R41k 1% C4C233nF5678+5 91011C6 12AVDD V1A V1PV1BV1NV2N V2P/RESETREF AGND SCFCF 22DGND 21REVP 20FAULT 19CLKOUT 18CLKIN 17G0 16G1 15S0 14S1 13CLKIN1KY1C13C141000PFR241KREVP33