單相、三相多功能電能表及網(wǎng)絡(luò)電能表原理及設(shè)計(jì)

中國目前已成為世界電能計(jì)量行業(yè)最具有活力的市場。城鄉(xiāng)電網(wǎng)改造結(jié)束后，電能表市場需求從高速增長期逐步向平穩(wěn)發(fā)展期過渡，居民新增表、網(wǎng)改輪換表以及對外出口的推動使電能表仍有巨大的市場容量。同時(shí)電能表也從普通功能型向長壽命、高精度、分時(shí)段、多功能、網(wǎng)絡(luò)化等高科技含量和高附加值的方向發(fā)展。

圖1：單相多功能電能表功能框圖。

單相多功能電能表

本文介紹的方案的電能計(jì)量芯片選用美國ADI公司的ADE7753。ADE7753集成了2路16位Δ-ΣADC、高性能DSP、電壓基準(zhǔn)及溫度傳感器等電路，在1000:1動態(tài)范圍內(nèi)誤差小于0.1%；提供有功、無功及視在電能、電壓、電流有效值及波形采樣等數(shù)據(jù)；功率、相位及輸入失調(diào)可實(shí)現(xiàn)數(shù)字校準(zhǔn)；在環(huán)境條件變化很大和長時(shí)間使用條件下，采用專利技術(shù)的ADC及DSP仍能保證高精度。實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)選用EPSON公司的RX8025，單片機(jī)每隔一段時(shí)間根據(jù)環(huán)境溫度的變化對RX8025的內(nèi)置晶體進(jìn)行補(bǔ)償，以實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定高精度的實(shí)時(shí)時(shí)鐘。

下面對基于以上芯片方案在單相多功能電能表應(yīng)用中的一些關(guān)鍵問題進(jìn)行討論。

1．如何選擇電流傳感器

電流傳感器具有多種選擇，各自具有不同的特點(diǎn)：電流互感器(CT)的優(yōu)點(diǎn)是信號大、精度高、信號完全隔離，缺點(diǎn)是成本高、存在相差，并且在大電流或電網(wǎng)中存在直流分量時(shí)容易飽和；錳銅分流器的優(yōu)點(diǎn)是成本低，不受直流分量影響，缺點(diǎn)是信號小，存在寄生電感，并且不隔離；di/dt微分電流傳感器徹底消除了錳銅分流器不隔離、存在寄生電感的缺點(diǎn)，也消除了傳統(tǒng)的電流互感器的相位誤差和大電流時(shí)過飽和的缺點(diǎn)，而且成本非常低廉。

2．如何實(shí)現(xiàn)防竊電功能

ADE7753只有1路電流通道，要實(shí)現(xiàn)防竊電功能，必須使用模擬開關(guān)在零線和火線CT之間進(jìn)行切換。使ADE7753工作于LINE CYCLE(整數(shù)電壓周期)工作模式(LINCYC=2)，計(jì)算電能及電流等數(shù)據(jù)。隔一段時(shí)間把電流切換到另一通道，比較兩路的電流大小是否超出一定值，如超出則給出竊電標(biāo)志，電能按電流較大的通道計(jì)算。切換期間的電能數(shù)據(jù)使用上個(gè)LINCYC數(shù)據(jù)。

3．如何對無功電能進(jìn)行補(bǔ)償

ADE7753的無功計(jì)算是將電流移相90°與電壓進(jìn)行相乘得到的。由于移相存在有微小角差，要得到高精度的無功電能，可進(jìn)行相位補(bǔ)償。補(bǔ)償公式：Q=S×Sin(f+D)=S×Sinf×CosD+S×Cosf×SinD=Qr+Pr×C，即相位補(bǔ)償只需將有功寄存器值乘一常數(shù)加到無功寄存器值上即可。當(dāng)電網(wǎng)頻率發(fā)生變化時(shí)，移相器的角差也會發(fā)生線性變化，此時(shí)無功電能的頻率補(bǔ)償方法是：Q(f0)=Q(fl)×fl/f0，其中f0為基準(zhǔn)頻率、fl為電網(wǎng)頻率。

4．如何輸出無功電能脈沖

圖2：三相多功能電能表框圖。

ADE7753只有有功的電能脈沖輸出，無功電能脈沖必須由MCU發(fā)出。有兩種方法：1.

不斷讀取電能值進(jìn)行累加，達(dá)到脈沖當(dāng)量時(shí)即發(fā)出脈沖；2. MCU根據(jù)功率值，定時(shí)發(fā)出脈沖。前者受讀數(shù)據(jù)間隔及MCU速率影響，會造成精度有一定跳動；后者的脈沖跳動很小，但要占用MCU的定時(shí)器資源。

5．為何選用RF通訊而不是紅外通訊

紅外通訊在實(shí)際應(yīng)用中存在一些缺點(diǎn)：通訊距離小于10米、具有方向限制、通訊速率低、易受太陽光、日光等光線干擾影響通訊。這里選用了ADI公司的RF芯片ADF7020，它克服了紅外通訊的缺點(diǎn)，其通訊距離可超過200米、無方向限制、波特率可達(dá)9,600、抗干擾強(qiáng)，并可通過軟件協(xié)議進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)。

三相多功能電能表

精度為0.5級和0.5S的三相多功能電能表可以采用ADE7758。ADE7758內(nèi)部集成了6路16位Δ-ΣADC、高性能DSP、電壓基準(zhǔn)及溫度傳感器等電路，在1000:1動態(tài)范圍內(nèi)誤差小于0.1%；提供有功、無功及視在電能、電壓、電流有效值及波形采樣等數(shù)據(jù)；三相三線/三相四線兼容；DSP內(nèi)部對無功電能進(jìn)行了補(bǔ)償；提供獨(dú)立的有功電能及無功電能脈沖輸出。這些功能特點(diǎn)大大減少了MCU的軟件開發(fā)工作量。

三相多功能電能表面臨以下的問題：不斷增加的功能要求(四象限有功、無功電能計(jì)量、諧波分析、智能抄表、用電管理及負(fù)荷控制等)；不斷提高的精度要求；不斷升級的通訊協(xié)議；越來越嚴(yán)格的成本控制。下面介紹采用Blackfin高性能DSP處理器實(shí)現(xiàn)的0.2級三相多功能電能表的方案。

高精度電能表對處理器的要求：乘法速度快，能滿足每個(gè)周期160點(diǎn)6個(gè)通道的計(jì)算；比較大的RAM空間，可以輕松完成FFT(傅立葉變換)和其它濾波處理；具有比較高的數(shù)據(jù)接口，6個(gè)通道8kHz采樣數(shù)據(jù)能順利傳輸?shù)教幚砥鳎荒軌蚍奖阍黾庸δ埽瑵M足電能表不斷變化的需求；電磁兼容性好，產(chǎn)品做出來不僅指標(biāo)高，還要耐用；開發(fā)環(huán)境好，能比較快上市；比較低的成本，與進(jìn)口表相比具有優(yōu)勢。采用Blackfin高性能DSP處理器解決方案可以滿足以上要求:可以使用過采樣提高精度；可以使用高速采樣提高諧波精度；可以使用系統(tǒng)資源獲得高穩(wěn)定的校表輸出；可以使用豐富的內(nèi)存資源對被測量作細(xì)微補(bǔ)償。A/D轉(zhuǎn)換采用了AD73360，它能保證6路模擬信號同時(shí)采樣，且在變換過程中延遲很小，非常適合三相電能的采樣。

網(wǎng)絡(luò)電能表

這是一種基于西門子公司TC45無線模塊的無線抄表系統(tǒng)解決方案。本方案通過GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對電力抄表系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸和智能控制。

圖3：系統(tǒng)框圖。

系統(tǒng)充分利用了TC45支持GPRS、內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議、能夠進(jìn)行二次開發(fā)等智能化特性，通過TC45模塊建立GPRS無線通信鏈路，進(jìn)行基于TCP/IP的數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)了IP地址設(shè)定、電能表數(shù)據(jù)無線抄讀、電能表數(shù)據(jù)定時(shí)存儲、遠(yuǎn)程I/O端口控制、報(bào)警通知、充電管理、停電數(shù)據(jù)保護(hù)、自動重啟、三相供電、實(shí)時(shí)時(shí)鐘等十大功能。系統(tǒng)中所有數(shù)據(jù)傳輸均嚴(yán)格遵循多功能電能表通信規(guī)范，即645標(biāo)準(zhǔn)，具有良好的可移植性和可擴(kuò)展性。

系統(tǒng)由多功能電能表、TC45模塊擴(kuò)展板和服務(wù)器端組成，如圖3所示。擴(kuò)展板電路向客戶開放。TC45模塊的串口2經(jīng)光隔離RS485接口與電能表連接，實(shí)現(xiàn)了抄讀等數(shù)據(jù)通信和對電能表的智能控制。具體實(shí)現(xiàn)：模塊接收服務(wù)器端通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳達(dá)的數(shù)據(jù)，經(jīng)過分析，相關(guān)查詢指令通過串口2傳輸給電能表，電能表接收到查詢命令后，反饋回相關(guān)的信息，然后經(jīng)過模塊的分析校驗(yàn)以及相應(yīng)的處理后，回送到服務(wù)器端。模塊的通用I/O接口通過中間電路，實(shí)現(xiàn)繼電器拉閘和報(bào)警等智能處理。一旦有斷電、超溫等報(bào)警事件發(fā)生，TC45端將作相應(yīng)的事件記錄，然后向服務(wù)器發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警信息。

1．服務(wù)器端軟件實(shí)現(xiàn)

首先，服務(wù)器向模塊發(fā)送帶有IP地址的短消息，然后等待模塊端與服務(wù)器的連接。一旦連接成功，即可以向模塊端發(fā)送查詢實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，讀取定時(shí)抄讀文件以及遠(yuǎn)程I/O控制等命令。然后，對接收到的反饋信息進(jìn)行校驗(yàn)，并作相應(yīng)的處理與顯示。同時(shí)服務(wù)器也開啟連接查詢功能，以確保與模塊端的通信連接暢通。

2．模塊端軟件實(shí)現(xiàn)

初始化及通信連接：該部分是在模塊端程序運(yùn)行時(shí)首先執(zhí)行的部分，對模塊進(jìn)行初始化操作，然后等待服務(wù)器端的IP短消息，從中提取出IP地址，然后向服務(wù)器端發(fā)起連接。一旦連接成功，模塊開始等待服務(wù)器端發(fā)送來的相應(yīng)命令。

數(shù)據(jù)接收和發(fā)送：當(dāng)連接成功后，該部分負(fù)責(zé)與服務(wù)器端的數(shù)據(jù)通信，以及與電能表的數(shù)據(jù)通信。

數(shù)據(jù)分析處理：當(dāng)接收到服務(wù)器端的控制查詢命令后，先進(jìn)行校驗(yàn)，然后分析該指令，執(zhí)行相應(yīng)的操作。當(dāng)從電能表端收到信息時(shí)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，然后提取有用的信息，轉(zhuǎn)換成發(fā)送給服務(wù)器的數(shù)據(jù)格式，然后交由數(shù)據(jù)接收和發(fā)送部分發(fā)送數(shù)據(jù)。

智能控制：通過TC45的GPIO接口，對電能表進(jìn)行控制，包括斷電、超溫、開關(guān)等報(bào)警控制處理，記錄相應(yīng)數(shù)據(jù)后，向服務(wù)器端發(fā)送報(bào)警信號，同時(shí)也接收服務(wù)器端的遠(yuǎn)程控制命令，做相應(yīng)LED的開關(guān)。

定時(shí)抄讀：該部分定時(shí)對電能表進(jìn)行抄讀，然后將數(shù)據(jù)以文件形式保存在模塊的閃存中，以便服務(wù)器端在需要的時(shí)候讀取定時(shí)的抄讀數(shù)據(jù)。

圖4：模塊硬件框圖。

連接保護(hù)：定時(shí)地接受服務(wù)器端的連接查詢命令，以確保鏈路的正常工作。一旦發(fā)生連接斷開，則程序等待服務(wù)器端的IP短消息，進(jìn)行再次連接。

3．模塊端硬件實(shí)現(xiàn)

模塊端的硬件實(shí)現(xiàn)如下：三相變壓器整流后的直流電源經(jīng)DC/DC變換后提供給充電電路對鋰電池進(jìn)行充電；充電鋰電池向TC45提供工作電源，使TC45在斷電時(shí)有充足時(shí)間進(jìn)行現(xiàn)場保存；IGT電路對電池及供電電壓進(jìn)行判斷以向TC45模塊發(fā)出啟動信號；LDO電路提供外圍電路的工作電壓；電源監(jiān)視電路當(dāng)供電電壓低于設(shè)定值時(shí)向TC45發(fā)出斷電報(bào)警信號；溫度開關(guān)電路當(dāng)外界溫度超出設(shè)定范圍時(shí)關(guān)斷DC/DC電源并向TC45發(fā)出超溫報(bào)警信號；RS485接口用于與多功能電能表相連；遙控電路用于繼電器、信號燈等開關(guān)信號的開合控制；遙信電路當(dāng)輸入開關(guān)信號發(fā)生變化時(shí)向TC45發(fā)出事件報(bào)警信號；RTC電池用于向TC45的實(shí)時(shí)鐘電路提供電源。

西門子公司最新推出了代替TC45的無線模塊TC65及MC55。TC65與TC45一樣使用JAVA平臺開發(fā)，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，但資源更豐富：1.7Mb FLASH、400kb RAM，并提供GPIO、SPI、I2C、USB等各種外圍接口。MC55是一種低成本的內(nèi)置完整TCP/IP協(xié)議的GPRS模塊，它通過串口使用AT命令與MCU接口，相對JAVA更加接近電能表設(shè)計(jì)工程師的開發(fā)習(xí)慣。

本文小結(jié)

近幾年來，隨著新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)以及生產(chǎn)工藝的革新，電能表的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大變化，不斷從低附加值向高附加值過渡，技術(shù)含量大大增加。電能表不再僅作為單一儀表而存在，已由單一的計(jì)量抄表功能向模塊化、智能化、多功能、系統(tǒng)化和多元化發(fā)展。