【正文】 1 ( ) ( )TkW u k i k???? (2－ 11) 式中 ()uk 、 ()ik 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－ 11 計算出被測的有功能量。 無功電能的計量 無功電量反映了儲能元件 L 或 C 在一個周期內(nèi)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。單相正弦電路的無功功率的 xxx 大學學士學位論文 13 定義式為： sinQ UI ?? (2－ 12) 其中 U 、 I 分別為電壓、電流有效值， ? 在物理上體現(xiàn)為正弦的電壓波形與電流波形之間的相位差。 下面就是解決上述問題的兩個方法： 1．數(shù)字移相法 式 (2－ 12)可變換為： c o s ( 9 0 )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功功率，即無功功率的離散化計算公式為： 11 ( ) ( )4NnNQ u n i nN???? (2－ 14) 這種計算稱為無功功率的簡單數(shù)字移相法，它要求被測信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計量。 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，在原理上可以實現(xiàn)對含有諧波的電路的有功和無功功 率的計量，并進而可推演出其它量的計量。 21max 21tttpdPtt?? ? (2－ 16) 其中 2t ,1t 為時刻， 2t ,1t 的差等于 15 或 30 分鐘 。 xxx 大學學士學位論文 14 電能參 數(shù)的測量原理 電壓電流有效值的計算 根據(jù)電工原理，周期性變化的電壓、電流信號的有效值為： 201 ()T tU u t dT?? (2－ 17) 201 ()T tI i t dT?? (2－ 18) 式中 T 為信號周期。 N 為一個工頻周期內(nèi)的采樣點 數(shù)。 功率因素作為電力系統(tǒng)中的一個重要指標，其大小體現(xiàn)了電網(wǎng)運行質(zhì)量的高低，是電力部門調(diào)節(jié)電網(wǎng)時重點參考的數(shù)據(jù)。 功率因素越低，電源設備所能發(fā)生的有功功率越小，其容量將不能充分利用。 在線路中cosPI u ??, cos? 越低，則通過線路的 I 就越大，導線的能量損失和導線電抗電壓降落就越大，線路的功率損失增加，則降 低了使用效率，造成有功電能的浪費，而線路的電壓降增加，會使負載兩端電壓降低，影響正常使用。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。數(shù)字型乘法器的實現(xiàn)電路可由單片機、 A/D 轉(zhuǎn)換器、采樣保持器、多路模擬開關和顯示器等部分組成。 電壓電流的有效值以及功率 是電能測量的重要參數(shù)。模塊和模塊之間又通過 MCU 統(tǒng)一地聯(lián)系在一起，共同形成了功能強大的職能電能表系統(tǒng)。單片機通過燒制在其中的各種程序，控制著其他硬件模塊的工作狀態(tài)。主要完成對電能量的計量，將模擬電能信息轉(zhuǎn)化為單片機可以讀取并且操作的數(shù)字電能信息。將主網(wǎng)中 的大電壓，大電流轉(zhuǎn)化為小電壓，小電流，以便提供給計量芯片進行信號處理。在掉電的情況下，為了保證時鐘的連續(xù)性和準確性，還有專用的電池供電。 數(shù)據(jù)存儲模塊是所有電能信息的存儲單元。單片機對存儲器里的數(shù)據(jù)信息進行寫操作時，是將計量 芯片計量的數(shù)據(jù)保存到存儲器里的過程。當上位機發(fā)出命令要求上傳數(shù)據(jù)時，單片機就將數(shù)據(jù)通過 RS485 通信模塊送出。紅外通信模塊實現(xiàn)了單片機與抄表器之間數(shù)據(jù)交換。 電壓電流采樣模塊 一方面為了將電子式電能表的計量芯片與電力線隔離，另 一方面又要完成電壓電流的采樣。考慮成本等因素，本設計中電壓采樣選用電阻分壓的接法，電流取樣選用電流互感器 。 通道 1 的最大差動峰值電壓應小于 470mV(有效值為 330mV)。如表 31 所示。 表 31 電流通道增益選擇表 G1 G0 增益 最大差動信號 0 0 1 ? 470mV 0 1 2 ? 235mV 1 0 8 ? 60mV 1 1 16 ? 30mV V1P 和 V1N 引腳上的最大差動電壓為 470mV，在這兩個引腳上的差動信號必須以一個共模端作為參考點，如 AGND。 xxx 大學學士學位論文 18 本設計選擇電流互感器 (CT)作為電流傳感器。 CT 的變比和負載電阻 Rb 的大小根據(jù)差動峰值電壓而定。 電能計量模塊 ADE7755 芯片 ADE7755是美國 AD公司于近年推出專用于功率 /電能測量的低成本集成電路，其技術指標滿足 GB/T172151998標準規(guī) 定的準確度等要求。 具有量程寬 (負載能力可達 46倍Ib)， 精確 度高 (在 1%500%Ib動態(tài)范圍內(nèi)誤差小于 %)，內(nèi)部具有掉電、上電自動復位電等性能優(yōu)點。 另外， ADE7755內(nèi)部的空載闡值特性保證了它在空載時沒有潛動。 ADE7755主要由模擬信號處理電路和數(shù)字信號處理電路兩部分組成。 xxx 大學學士學位論文 19 圖 33 ADE7755 結(jié)構(gòu)原理 圖 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路 ADC（ analog digital converter）是唯一的模擬電路，其他信號處理電路部分如相位校正環(huán)節(jié)、高通濾波器、乘法器、低通濾波器和數(shù)字 頻率轉(zhuǎn)換電路都是數(shù)字電路，從而保證了芯片強大的抗干擾能力和電能計量的高精度。 Fl 和 F2 提供 平均功率信息； CF 提供正比有功功率的瞬時功率信息，送至 MCU 的接口用可于校表或電能計量； ； ； ； REV，可用于防竊電。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）以濾掉電流信號的直流分量，從而提高有功功率的計算精度。 LPF 輸出的數(shù)字量經(jīng)數(shù)字 頻率轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生輸出頻率 Fl， F2 和 CF。片內(nèi)的電壓監(jiān)控單元對模擬電壓連 續(xù)監(jiān)控，以 xxx 大學學士學位論文 20 保證在上電時 ADE7755 正確啟動和高可靠性工作。該引腳提供 ADE7755 數(shù)字電路的電源，正常工作電源電壓 應保持在 5V士 5%，該引腳應使用 10uF 電容并 聯(lián) 100nF 瓷介電容進行去耦。當該引腳輸入高電平時，通道 l(電流通道 )內(nèi)的HPF 被選通，該濾波器所涉及的相位響應在 45Hz 至 1kHz 范圍內(nèi)在片內(nèi)己得到補償。 AVDD 模擬電源引腳。 NC 不連接 V1P， V1N 通道 l(電流通道 )的正，負模擬輸入引腳。通道 1 有一個 PGA。兩個引腳內(nèi)部都有 ESD 保護電路，這兩個引腳能承受士6V的過電壓，而不造成永久性損害。完全差動輸入方式，正常工作最大信號電平為 ? 660mV。兩個引腳內(nèi)部都有 ESD 保護電路，這兩個引腳能承受士 6V 的過電壓，而不造成永久性損害。當為低電平時， ADC 和數(shù)字電路保持復位狀態(tài)，在 RESET 的下降沿，清除 ADE7755 內(nèi)部寄存器。片內(nèi)基準電壓標稱值為 ? 8%。外部基準源可以直接連接到該引腳上。 AGND 這是 ADE7755 模擬電路 (即 ADC 和基準源 )的接地參考點，該引腳應連接到印刷電路板的模擬接地面。 為了有效地抑制噪聲，模擬接地面與數(shù)字接地面只應有一點連接。 SCF 校驗頻率選擇。 1 S1， S0 這兩個引腳的邏輯輸入用來選擇數(shù)字 /頻率轉(zhuǎn)換系數(shù)。可能的增益是 1， 2， 8 和 16。 1 CLKOUT 把一個石英晶體接在 CLKIN 和 CLKOUT 之間，為 ADE7755 提供一個時鐘源。該輸出沒有被鎖存，當再次檢測到正功率時，該引腳輸出復位。 1 DGND 這是 ADE7755 數(shù)字電路 (即乘法器，濾波器和數(shù)字頻率轉(zhuǎn)換器 )的接地參考點。數(shù)字接地面是所有數(shù)字電路的接地參考點。其輸出頻率反映瞬時有功功率的大小。 xxx 大學學士學位論文 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。 圖 35 電能計量電路 線路電壓 220V， 基本電流 I為 10A，最大電流 40A，動態(tài)范圍 400： 1(規(guī)定準確度的電流范圍為 2%I~Imax，即 200mA~40A) ； 計度器的電表常數(shù) C為100imp/kWh，即 ADE7755發(fā) 100個脈沖，計度器記錄 1kWh電能 ； 經(jīng) CF輸出脈沖常數(shù)為 1600imp/kWh的電能脈沖 ； 為滿足電流通道的動態(tài)范圍且留有充分的余量，選用 250u? 的分流器 ； 通過它將負載電流轉(zhuǎn)換為電壓，接到 V1P和 V1N引腳。 負載電流為基本電流 (10A)時，負載的功耗為 P=220x10=。 利 用 分 壓 電 阻 網(wǎng) 絡 將 220V 線 路 電 壓 降 到 ， 則 分 壓 比 為(220/):1=908:1。分流器的材料為錳銅合金，阻值為 250u? 。最大負載電流時經(jīng)分流器產(chǎn)生的電壓為 =，小于 30mV的最大值。這種電路的特點是，即使當衰減程度改變時，通道 1和通道 2之間仍然保持相位匹配。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 。具體電路如圖 36 所示。 AT89C52 是一個低電壓，高性能 CMOS 8 位單片機，片內(nèi)含8kbytes 的可反復擦寫的 Flash 只 讀程序存儲器和 256bytes 的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（ RAM），器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術生產(chǎn)，兼容標準 MCS51 指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8 位中央處理器和 Flash 存儲單元，功能強大的 AT89C52 單片機可為您提供許多較復雜系統(tǒng)控制應用場合 。 RST/Vpd(9 腳 )為復位輸入端口，外接電阻電容組成的復位電路。 P0~P3 為可編程通用I/O 腳，其功能用途由軟件定義，在本設計中， P0 端口 (32~39 腳 )被定義為 N1 功能控制端口，分別與 N1 的相應功能管腳相連接， 13 腳定義為 IR 輸入端， 10 腳和 11 腳定義為 I2C 總線控制端口，分別連接 N1 的 SDAS(18 腳 )和 SCLS(19腳 )端口 ， 12 腳、 27 腳及 28 腳定義為握手信號功能端口，連接主板 CPU 的相應功能端，用于當前制式的檢測及會聚調(diào)整狀態(tài)進入的控制功能。 系統(tǒng)電源的工作原理 電子式電能表交流電供電通常有工頻電源、阻容電源、開關電源三種方式。阻容降壓電源主要由降壓限流、整流濾波、穩(wěn)壓三部分組成，原理框圖如圖 37 所示。降壓電容應選用無極性的金屬膜電容。當合上電源（如220VAC/50Hz）的瞬間，有可能是電源的正或負半周的峰峰值，此時瞬間電流會很大，因此需串聯(lián)一個限流電阻，以保證電路的安全。 整流濾波。采用半波整流時，1 Fu 電容可得到的電流平均值為 4 4 22 0 2 4 50 00 00 1 30CVI m AZ? ? ? ? ? ? ? ? ? (3－ 3) 式中， V 為電網(wǎng)電壓； CZ 為降壓電容的容抗。 穩(wěn)壓。 阻容降壓型直流穩(wěn)壓電源具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、成本低、動態(tài)響應快、穩(wěn)定可靠、高效等特點。 系統(tǒng)電源的硬件電路 電子式電能表交流電供電通常有工頻電源、阻容電源、開關電 源三種方式。 單相電子式 電能表的直流穩(wěn)壓電源單元分別以相線、零線為參考地，分兩路各自經(jīng)降壓限流、整流濾波和穩(wěn)壓等電路之后，輸出兩路 5V電源供信號采集單元工作，同時輸出 ，如圖 38 所示。降壓限流電路由 C3 R3 D D6 組成。C33 為降壓電容，相當于降壓變壓 器。系統(tǒng)電源設計的負載電流容量為 10mA，輸入電源為220V/50Hz。 因 電 能 表 工 作 電 壓 為80%U~120%U ，則 C33 的 工 作 電 壓 選 擇 275VAC 。電源接通瞬間，電流會