【正文】 glechip technology, the research of electronic watthour meter is produced in a huge range. But, the lowprice watthour meter which runs stably and has strong ability to resist interference still need to be designed. The paper is based on the research of electric energy measurement theory and digital signal processing theory, mainly utilizes chip ADE7755 produced by ADI pany to measure power, single chip 89C52 to control the whole system. The paper finished the design of the singlephase intelligent Multirate watthour meter. The peripheral hardware adopted module design. Voltage and electricity module converts the high voltage and electricity to low ones that can be measured. The source module provides the whole system stable power. Data storage module, infrared munication module and RS485 module can storage and exchange the power information. LCD module provides users with clear and realtime energy information. Software includes dynamic checking module, power pulse collection module, data storing and exchanging module, interrupted munication module. Under the control of the single chip 89C52, the whole system can measure the electrical quantity in different periods of time and finishes the data exchanging. Keywords Electronic watthour meter。 Electric energy measurement。據(jù)山東省技術(shù)監(jiān)督局 20xx 年底對該省機械式電能表進行抽查的結(jié)果中看，使用了兩年的機械式電能表幾乎都達不到計量精度要求，相當比例的電能表計量誤差較大。這是由機械表的結(jié)構(gòu)原理所決定的?，F(xiàn)代化的供、用電管理方法要求電能表具有分時 計價和自動遠程抄表等功能。 近年來我國的城市居民住宅建設(shè)發(fā)展十分迅速，隨之而來樓房所用電能表的數(shù)量也日益增多，人們常常簡單地將市場上現(xiàn)有的商品化電能表集中掛成一面 “ 表墻 ” 。用什么樣的電能表更有利于電能計量管理呢 。 本課題從一個嶄新的角度出發(fā)，將微電子技術(shù)、計算機技術(shù)和通信技術(shù)結(jié)合運用于實踐，把目前分散計量的電能表數(shù)據(jù)通過單片機進行集中采集處理，研究設(shè)計了一種適合我國城鎮(zhèn)居民用電計量的多用戶單相電子電能表。這種電能表由于運用單片機技術(shù)在確保電子電能表的測量精度和各項功能齊全的前提下，縮小了整機 體積，使每戶分攤的成本大大降低。作為配電自動化系統(tǒng)的重要組成部分，在電子式電能表日益成為市場主流的今天，它將有很好的推廣應(yīng)用前景。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。 在 20 世 紀 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，但是價格非常昂貴。首先是成都曙達公司推出的機電一體式電能表，珠海恒通儀表有限公司在 1993 年率先推出的電子式單相電能表，寧夏寧光儀表有限公司推出了電子式三相有功電能表，湖南威勝電子有限公司也于同年推出了集有 功計量和無功計量于一表的電子式三相多功能電能表，填補了國內(nèi)空白。 隨著國家城鄉(xiāng)電網(wǎng)改造工程的開展，國內(nèi)電子式電能表廠家如雨后春筍不斷涌現(xiàn)，無論是高檔、高精度三相電能表，還是低檔、低精度單相電能表都有大量的、性能優(yōu)越的產(chǎn)品。到 20xx 年，國 內(nèi)生產(chǎn)廠家已達到 600 多家，極大地滿足了市場的需求，這也進一步推動了電子式電能表的市場發(fā)展和產(chǎn)品性能的提高。 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。 按原理分 類有：模擬乘法器型、數(shù)字乘法器型等。 功能強大 電子式電能表可實現(xiàn)正、反向有功、四象限無功、復(fù)費率、預(yù)付費、遠程抄表等功能。 準確度等級高且穩(wěn)定 感應(yīng)式電能表的準確度等級一般為 ~3 級，并且由于機械磨損，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償技術(shù)輕易地做到較高的準確度等級，一般為 ~1 級，并且誤差穩(wěn)定性很好。 感應(yīng)式電能表要在 ％下才能啟動并計量；而電子式電能表非常靈敏。 頻率響應(yīng)范圍寬 感應(yīng)式電能表的頻率響應(yīng)范圍一般為 45~55Hz；而電子式多功能電能表的頻率響應(yīng)范圍為 40~20xxHz。 過載能力大 感應(yīng)式電能表一般只能過載 4 倍；而電子式多功能電能表可過載 6~10 倍。感應(yīng)式電能表由于自身的局限，防竊電能力較差；電子式電能表從基本原理上 難 以實現(xiàn)一定的防竊電功能。電子式電能表采用 CPU 作為管理功能的核心，可以實現(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。 表 11 列出了兩種電能表的性能比較。隨著電費制度的發(fā)展 ， 提出分時計量、需量計量預(yù)付費等要求 ， 特別是 19 世紀 70 年代以來各國醞釀發(fā)展 xxx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 8 電力市場又提出實時電價、負荷曲線計量、雙工通訊、遠方采集數(shù)據(jù)、記錄負荷曲線和電能質(zhì)量、控制負荷以及費率編程等要求 ， 原來的感應(yīng)式電能表雖經(jīng)多方面改進擴充 ， 已很難滿足電力市場日益發(fā)展的功能和要求。 國外家用計費用電子式電能表出現(xiàn)于 1983 年 ， 到 1988 年已實用化。 世紀之交 ， 電力市場改革浪潮遍及全球 ， 各國電力公司都認識到市場競爭的核心是表計。在歐洲著名表廠創(chuàng)導(dǎo)下成立了 DLMS(計量部件描述語言消息規(guī)范 )用戶協(xié)會 ， DLMS 已構(gòu)成 IEC 有關(guān)表計規(guī)約標準的基礎(chǔ)。因為現(xiàn)有系統(tǒng)中已運行著眾多制造廠不同年代制造的表計 ， 故美國 Itron 公司于 1986 年推出能兼容 100 多制造廠表計規(guī)約的 MV90 表計數(shù)據(jù)采集編譯系統(tǒng) ， 廣泛應(yīng)用于北美和世界各地電力市場 ， 起了較大作用。美國 Govzelnik 對這兩種乘法器的特點曾作比較。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 ， 計算機處理方法 ， 這樣也更有利于實施負荷控制、記錄電能質(zhì)量、負荷曲線、發(fā)展表計的通信功能和確保高準確度。 計費用電子式電能表在我國應(yīng)用和制造發(fā)展都很快 ， 從 20 世紀 90 年代開始到現(xiàn)在已大量使用只花了十多年就為廣大電力公用企業(yè)接受。且均為進口表計 ，總數(shù)近萬只 ， 運行情況較好。 各地在普及實施分時電價的過程中 ， 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 更新機械電子式電能表 ， 也有不少省局直接采用進口的 級電子式電能表 ，總計已達數(shù)萬只。 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%。單相電子式電能表的專用芯片據(jù)報道1998 年全國產(chǎn)量 500 萬片 ， 而 20xx 年新一代芯片 ADE7755 在中國銷量超過1000 萬片。僅江蘇、浙江兩省不完全統(tǒng)計 ， 單相電子式電能表裝用量均大于 100 萬臺。單相電子式預(yù)付費用卡電能表也有相當大裝用量。 通過硬件的設(shè)計使電能表完成比較準確的電能計量，使電表在環(huán)境惡劣的情況下具有一定抗干擾能力。 xxx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 10 第 2章 電子式電能表電能計量基礎(chǔ) 電能的測量方式有電解式、感應(yīng)式、電子式，目前在實際應(yīng)用中最常用的為感應(yīng)式和電子式兩種。 電子式電能表的電能計量原理與方法 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(guān)系的脈沖信號，送至分頻和計數(shù) 8。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。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。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。 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)過采樣網(wǎng)絡(luò)變換的被測電壓和電流信號由 A/D 轉(zhuǎn)換器完成數(shù)字化處理，然后微處理器對數(shù)字化的被測對象進行各種判斷、處理和運算，從而可實現(xiàn)多種功能 。從圖 21 可以看到各采樣點功率 ()kpt 為 ( ) ( ) ( )k A k A kp t u t i t? (2－ 1) 一個周期 T 內(nèi)平均功率 p 為 p = 11 1[ ( ) ( ) . . . ( ) ( ) . . . ( ) ( ) ]A A A k A k A n A nu t i t u t i t u t i t n?? = 11 ( ) ( )n A k A kk u t i tn?? (2－ 2) 即各采樣點功率 ()kpt 為 ( ) ( ) ( )k A k A kp t u t i t? (2－ 3) 則一周期內(nèi)平均功率 p 為 p = 11 ( ) ( )n A k A kk u t i tn?? (2－ 4) 令 1kkt t T?? ? ? ，則一個周期內(nèi)的電能 W 為 xxx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 11 11[ ( ) ( )]n kkkW u t i t tn???? (2－ 5) 若 0t?? ，則有 0 ( ) ( ) c o sT tW u t i t d T U I?? ? ? (2－ 6) 式 (2－ 5)說明將各采樣點的電流、電壓相乘積的累加和再乘以采樣周期就是平均電能。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。研究指出，利用高精度 A/D 轉(zhuǎn)換器，增加采樣次數(shù)就可以將電能計算得很準確。誤差補償可通過硬件電路和軟件程序來實現(xiàn)。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，因為數(shù)據(jù)采集、計算、積分等都是通過數(shù)字電路來實現(xiàn)的。 由于計算機技術(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。數(shù)字型乘 法器以 xxx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 12 A/D 變換原理也分為兩類；用逐次比較型 A/D 進行采樣的數(shù)字乘法器和用 Δ Σ原理進行 A/D 轉(zhuǎn)換的數(shù)字乘法器。 有功電能的計量 作為電能表，最重要的功能就是電能計量。 則在一個周期內(nèi)平均有功功率 p 為 0011( ) ( ) s in s in ( )TTt m m tp u t i t d U w tI w t dTT ?? ? ? ? ? 01 [ c o s c o s ( 2 ) ] c o sT tU I w t d U IT ? ? ?? ? ? ? ? (2－ 9) 一個周期內(nèi)的電能 W 為 0 ( ) ( ) c o sT tW u t i t d T U I?? ? ? (2－ 10) 各種乘法結(jié)構(gòu)的電能計量單元都是以式 (2－ 10)為理論基礎(chǔ)形成的。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