電能表可靠性技術(shù)研究

李俊明 鞠縢瑩子

（1.哈爾濱電工儀表研究所〈中國(guó)電工儀器儀表質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心〉，黑龍江哈爾濱150028；2.黑龍江省創(chuàng)業(yè)培訓(xùn)服務(wù)指導(dǎo)中心培訓(xùn)信息管理處，黑龍江哈爾濱150036）

0 引言

多功能電能表可靠性技術(shù)，主要是可以準(zhǔn)確提供多功能電能表檢測(cè)電力線路的電流、電壓信號(hào)，計(jì)算電流、電壓、有功功率、無(wú)功功率，從而得到多功能電能表有功電能、無(wú)功電能，并保存在存儲(chǔ)器中，給多功能電能表用戶(hù)計(jì)量結(jié)算、狀態(tài)檢測(cè)提供依據(jù)。

多功能電能表可靠性技術(shù)的計(jì)算結(jié)果分為兩大類(lèi)：一是，暫時(shí)的、無(wú)需掉電保持的數(shù)據(jù)保，如電流、電壓、功率等參數(shù)，可保存在隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM 中。 二是，需要長(zhǎng)期保存的、掉電保持的數(shù)據(jù)，主要是多功能電能表的電能數(shù)據(jù)，必須存儲(chǔ)到非易失性存儲(chǔ)器中—通常采用FLASH 閃存。 為保證多功能電能表在檢測(cè)、采樣、存取過(guò)程中信號(hào)完整性及數(shù)據(jù)可靠性，尤其是多功能電能表數(shù)據(jù)存取可靠性技術(shù)，需要從硬件和軟件兩個(gè)方面都采取措施，相互配合共同實(shí)現(xiàn)。 本文基于多功能電能表專(zhuān)用電能計(jì)量芯片ATT7022b，采用單片機(jī)PIC16F77 以及存儲(chǔ)器AT45D041，研制了三相多功能電能表，現(xiàn)就將相關(guān)多功能電能表數(shù)據(jù)可靠技術(shù)進(jìn)行探討。

1 多功能電能表硬件設(shè)計(jì)技術(shù)

多功能電能表硬件方面的可靠性技術(shù)主要包括電源監(jiān)測(cè)管理以及輸入信號(hào)的濾波調(diào)理的相關(guān)技術(shù)。

1.1 多功能電能表電源管理監(jiān)測(cè)

多功能電能表應(yīng)用的單片機(jī)、ATT7022b、存儲(chǔ)器等器件都只能在可靠的、有效的電源下才能工作。多功能電能表的要求標(biāo)準(zhǔn)高，電源方案包括變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓等電路。 在三相電能表中， 只要有一相電源供電，多功能電能表就必須工作，故使用三個(gè)單相變壓器分別對(duì)三相電源輸入進(jìn)行隔離變壓，再經(jīng)過(guò)三個(gè)單相橋整流后并聯(lián)輸入電源管理與監(jiān)測(cè)電路，此時(shí)可以得到多功能電能表穩(wěn)定的直流電壓Vz。VCC和AVCC分別是多功能電能表數(shù)字電路電源與模擬電路電源，RST 是CPU 的復(fù)位信號(hào)，PF 是線路拉閘、電源掉電監(jiān)測(cè)信號(hào)。 為避免模擬測(cè)量電路受數(shù)字電路脈沖信號(hào)的干擾， 模擬電源與數(shù)字電源要分別走線，R16、C18、C17 組成的RC 濾波器， 濾除VCC中含有的數(shù)字電路產(chǎn)生的高頻脈沖干擾， 使多功能電能表不能通過(guò)AVCC進(jìn)入模擬信號(hào)電路中。

多功能電能表的Vz與VCC的變化在上電時(shí)會(huì)受濾波電容C15的制約，VCC滯后于穩(wěn)壓電源Vz并按指數(shù)曲線上升。 多功能電能表掉電時(shí)Vz會(huì)按指數(shù)規(guī)律下降， 但由于二極管D1阻斷了電容C15的放電回路，因此VCC會(huì)大大滯后于Vz的變化。 如果多功能電能表掉電時(shí)刻是不確定的，可能發(fā)生在多功能電能表CPU 正在執(zhí)行寫(xiě)存儲(chǔ)器操作，因此要求掉電時(shí)，VCC滯后于Vz下降， 以提供足夠的時(shí)間保證多功能電能表CPU 可靠的寫(xiě)入數(shù)據(jù)。

為保證多功能電能表CPU 工作的可靠， 必須提供多功能電能表正確的復(fù)位信號(hào)RST。 當(dāng)VCC低于復(fù)位閾值V2時(shí)，復(fù)位信號(hào)RST 有效而為低電平，使多功能電能表的CPU 以及各主要芯片處于復(fù)位狀態(tài)，在多功能電能表電源不能確認(rèn)有效的情況下，保證不會(huì)進(jìn)行存取操作而導(dǎo)致數(shù)據(jù)不可靠性。 在多功能電能表運(yùn)行時(shí)間為t1～t3。 在實(shí)際調(diào)試中發(fā)現(xiàn)復(fù)位信號(hào)的邊沿必須陡峭并且不能抖動(dòng)， 否則多功能電能表CPU、存儲(chǔ)器處于復(fù)位和未復(fù)位的不確定狀態(tài)，容易出現(xiàn)導(dǎo)致死機(jī)的現(xiàn)象。 因此采用電壓比較器U18產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)RST。

掉電監(jiān)測(cè)信號(hào)PF 通過(guò)監(jiān)測(cè)Vz 的數(shù)值來(lái)了解電力線路的供電狀態(tài)，電壓比較器U19的閾值設(shè)定為V3，當(dāng)Vz＞V3時(shí)PF 高電平“1”，認(rèn)為線路處于穩(wěn)定供電狀態(tài)，否則處于掉電或不穩(wěn)定狀態(tài)。在儀表上電時(shí)，要等到Vz＞V3，即進(jìn)入t2時(shí)段后，才進(jìn)行數(shù)據(jù)存取，在t1時(shí)段只運(yùn)行等待程序，而不能對(duì)存儲(chǔ)器、通信接口進(jìn)行操作。 在掉電的t3時(shí)段，結(jié)束正在執(zhí)行工作以后，立即轉(zhuǎn)入等待程序。 即使在最大負(fù)載情況下，t3時(shí)間長(zhǎng)度必須大于對(duì)存儲(chǔ)器訪問(wèn)操作的最長(zhǎng)時(shí)間。

1.2 多功能電能表輸入信號(hào)濾波

多功能表通過(guò)采樣保持、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路把連續(xù)的電流、電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為離散的數(shù)字信號(hào)再進(jìn)行分析處理。 由于多功能電能表受到采樣器采樣時(shí)間、軟件運(yùn)行時(shí)間的限制，采樣的頻率fs 會(huì)小于一個(gè)極限值，根據(jù)奈奎斯特定理，多功能電能表若輸入模擬量信號(hào)頻率為f1＞fs/2，則采樣后的信號(hào)頻譜會(huì)產(chǎn)生混疊現(xiàn)象，在信號(hào)重構(gòu)時(shí)，當(dāng)作頻率為(fs- f1)的信號(hào)處理，而引起混疊失真。 為解決這個(gè)問(wèn)題，需要濾除頻率高于fs/2 的高頻信號(hào)，在采樣電路之前設(shè)置抗混疊低通濾波器。

在多功能電能表采用R=1.2kΩ，C=0.01μF 組成單極點(diǎn)無(wú)源濾波器，放在ATT7022b 的兩個(gè)差分輸入端，就可以用來(lái)濾除高頻信號(hào)，減少混疊誤差，對(duì)于基波頻率等于50Hz 的電力線路而言，可以準(zhǔn)確測(cè)量到一定數(shù)量的次諧波信號(hào)，達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2 多功能電能表數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)操作

多功能電能表大部分時(shí)間是在穩(wěn)定狀態(tài)下工作，但也可能出現(xiàn)惡劣的電磁環(huán)境， 這時(shí)候多功能電能表存儲(chǔ)器的讀寫(xiě)操作就會(huì)受到干擾， 也可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)出錯(cuò)。 為了提高數(shù)據(jù)存取可靠性， 就一定要注意多功能電能表的現(xiàn)象。第一，不在某一時(shí)間段出現(xiàn)，如t1和t3時(shí)間內(nèi)不進(jìn)行讀寫(xiě)操作。第二，在寫(xiě)操作之前，先讀出數(shù)據(jù)與要寫(xiě)入的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，若兩者相同則跳過(guò)寫(xiě)入操作，減少擦寫(xiě)操作，可提高壽命。第三，數(shù)據(jù)寫(xiě)入后，再讀出校驗(yàn)，確保寫(xiě)入正確。第四，寫(xiě)入過(guò)程中，盡量避免開(kāi)放中斷。第五，只在寫(xiě)入操作時(shí)打開(kāi)寫(xiě)操作使能，而在寫(xiě)操作結(jié)束后立即關(guān)閉寫(xiě)使能，防止干擾造成的誤寫(xiě)動(dòng)作。

為保證多功能電能表數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)功能， 應(yīng)采用如下的寫(xiě)操作算法：第一，置計(jì)數(shù)器CNT1 初值為2，清“出錯(cuò)標(biāo)志”；第二，計(jì)算主存儲(chǔ)區(qū)地址；第三，置計(jì)數(shù)器CNT2 初值為3；第四，把目標(biāo)單元的內(nèi)容讀出與要寫(xiě)入的數(shù)據(jù)比較， 相同則轉(zhuǎn)下一步， 否則繼續(xù)到第⑤步； 第五，如CNT2=0 則置位“出錯(cuò)標(biāo)志”，轉(zhuǎn)如下一步，否則打開(kāi)存儲(chǔ)器寫(xiě)的性能； 第六， 把數(shù)據(jù)寫(xiě)入到目的單元， 回到前一步； 第七，CNT1-1 和CNT1，如CNT1=0 則跳到下一步，否則轉(zhuǎn)前一步；第八，計(jì)算副存儲(chǔ)區(qū)地址；第九，關(guān)閉寫(xiě)的性能，返回開(kāi)始狀態(tài)。

3 結(jié)語(yǔ)

文中從分析多功能電能表中與數(shù)據(jù)可靠性相關(guān)的技術(shù)性問(wèn)題進(jìn)行了探討，提出了低成本的電源管理監(jiān)測(cè)的硬件電路，分析了制約多功能電能表存儲(chǔ)器壽命的主要因素，給出了多功能電能表進(jìn)行合理的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)， 以及數(shù)據(jù)寫(xiě)入操作的算法。 利用這種方法開(kāi)發(fā)的DTSD1102 系列多功能電能表，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中經(jīng)過(guò)實(shí)踐的檢驗(yàn)效果良好。

［1］卿柏元,周毅波,李剛.基于元器件應(yīng)力法的電子式電能表可靠性預(yù)測(cè)技術(shù)[J].廣西電力,2011-10-28.

［2］陸寒熹.國(guó)內(nèi)電能表的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)[J].電力設(shè)備,2007-08-15.