配電系統(tǒng)智能電能表研究

劉春蕾

（河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口075000）

0 引 言

智能電網(wǎng)提出“高級(jí)計(jì)量、自動(dòng)計(jì)量、讀數(shù)”要求，同時(shí)，配電系統(tǒng)的大電能用戶的用電對(duì)電網(wǎng)會(huì)產(chǎn)生較大的影響，尤其是竊電問題.為此，高精度且具有監(jiān)控功能的電能表的研究成為一個(gè)迫切問題.本文設(shè)計(jì)了一種新型電能表，它能夠?qū)﹄娏?、電壓及電能較精確的計(jì)量，還可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)大電能用戶的違章用電，從而及早實(shí)施控制、制止.通過對(duì)大電能用戶配電網(wǎng)絡(luò)和電氣設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)在配電系統(tǒng)非正常用電時(shí)，在最短時(shí)間內(nèi)處理問題，保護(hù)系統(tǒng)正常運(yùn)行，提高供電可靠性和供配電系統(tǒng)的自動(dòng)化水平，具有重要意義.

1 電能表構(gòu)成及主要功能

智能電能表是應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)等，形成以智能芯片為核心，具有電功率計(jì)量計(jì)時(shí)、計(jì)費(fèi)以及與上位機(jī)通信、用電管理等功能的電能表.該方案主要由微處理器MCU、計(jì)量單元、通信單元、高精度標(biāo)準(zhǔn)電能表、傳感器及外設(shè)組成.其中，考慮到微處理器的性價(jià)比，選擇荷蘭NXP（恩智浦半導(dǎo)體）公司生產(chǎn)的LPC1778MCU，該系列MCU針對(duì)智能電表優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，具有防竊電功能，適合構(gòu)建多功能電能表.計(jì)量芯片選用ADI公司的產(chǎn)品ADE7878，它具有良好的防竊電功能，該廠家計(jì)量芯片的市場(chǎng)銷售占有率最高，芯片的測(cè)量精度達(dá)到0.1%，滿足該方案要求，且可以同時(shí)測(cè)量有功功率和無功功率.關(guān)于通信芯片，國家電網(wǎng)公司推出的智能電能表系列標(biāo)準(zhǔn)推薦使用RS485，該方案配置RS485通信接口.該方案設(shè)計(jì)的多功能電能表結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示.

電能表主要功能是：

圖1 電能表結(jié)構(gòu)框圖

（1）計(jì)量與顯示功能.

智能電能表能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)線電壓、線電流及相電壓、相電流的測(cè)量，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)三相和單相有功功率、無功功率及視在功率的計(jì)量.傳感器CT、CP采集到電壓、電流信號(hào)后，送入計(jì)量芯片ADE7878中，再經(jīng)過SPI的傳輸與處理輸入微處理器MCU，根據(jù)預(yù)先設(shè)定完成對(duì)這些物理量的測(cè)量與計(jì)量，再根據(jù)需要顯示和存儲(chǔ)這些物理量.在實(shí)現(xiàn)記錄、顯示時(shí)，可以每隔一個(gè)特定的時(shí)間自動(dòng)記錄、顯示一次，間隔時(shí)間在電能表中已經(jīng)設(shè)定.在記錄的內(nèi)容上，三相的每相失壓的次數(shù)、發(fā)生時(shí)刻和結(jié)束時(shí)刻是必須記錄的，以備今后查找問題和原因.

（2）電壓、電流與電能量的監(jiān)控.

電能表采集配電統(tǒng)電壓、電流實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)用電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行智能檢測(cè)和控制.如果系統(tǒng)發(fā)生下列情況：開路、電流值超過設(shè)定值、失壓或電壓超過設(shè)定值，智能電能表會(huì)通過通信單元向上位機(jī)報(bào)警，及時(shí)進(jìn)行處理.同時(shí)，大電能用戶可以通過智能電表向供電公司上傳本公司的用電計(jì)劃，供電公司將根據(jù)企業(yè)用電計(jì)劃、時(shí)間等信息進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測(cè)與安排配電計(jì)劃，使得負(fù)荷預(yù)測(cè)與電能計(jì)劃更科學(xué)合理.

（3）竊電監(jiān)控：高精度標(biāo)準(zhǔn)電能表對(duì)大電能用戶的實(shí)際用電將有準(zhǔn)確的計(jì)量并記錄之，用戶電能表也將對(duì)自己?jiǎn)挝坏挠秒娏坑幸粋€(gè)計(jì)量與記錄.微處理器利用分析軟件對(duì)這兩種數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、比較，可以判斷出是否發(fā)生竊電情況.如發(fā)生竊電，系統(tǒng)會(huì)向上位機(jī)報(bào)警或做斷電處理.并且自動(dòng)記錄發(fā)生竊電的的電能表序號(hào)與發(fā)生時(shí)間，并自動(dòng)保存竊電發(fā)生前一周期的正常狀態(tài)以及竊電時(shí)的相關(guān)電能量數(shù)據(jù)，以便于依據(jù)記錄查找竊電的線路和竊電用戶.

2 電能表主要部分介紹

2.1 微處理器

LPC1778是為嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的高性能、低功耗的32位微處理器，適用于儀器儀表、工業(yè)通訊等領(lǐng)域.最高配置包括512KB片內(nèi)Flash程序存儲(chǔ)器、96KB片內(nèi)SRAM、4KB片內(nèi)EEPROM、8通道GPDMA控制器、4個(gè)32位通用定時(shí)器、一個(gè)8通道12位ADC、1個(gè)10位DAC、1路電機(jī)控制PWM輸出（MCPWM）、1個(gè)正交編碼器接口、6路通用PWM輸出、1個(gè)看門狗定時(shí)器以及一個(gè)獨(dú)立供電的超低功耗RTC.LPC1778集成了足夠的輸入輸出接口.LPC1778系列ARM Cortex－M3還增加了硬件CRC計(jì)算及校驗(yàn)?zāi)K、外部存儲(chǔ)器擴(kuò)展接口（EMC）、專用的SD卡接口、最多達(dá)165個(gè)GPIO引腳.

電能計(jì)量芯片ADE7878實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)輸送給微處理器，微處理器也隨之不斷更新其寄存器數(shù)據(jù)并保存這些數(shù)據(jù)，按照設(shè)定，其中的重要數(shù)據(jù)，再次保存到非易失性存儲(chǔ)器中.在一定的規(guī)約下，微處理器與高精度標(biāo)準(zhǔn)電能表通過RS485進(jìn)行通信，實(shí)時(shí)掌握大電能用戶的用電量準(zhǔn)確信息，經(jīng)微處理器分析、判斷，如果用戶竊電，微處理器會(huì)發(fā)出預(yù)報(bào)信號(hào)，并把該信息輸出給驅(qū)動(dòng)模塊，經(jīng)驅(qū)動(dòng)模塊后該信息送入電力系統(tǒng)的控制環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)竊電的有效控制.

2.2 計(jì)量單元介紹

ADE7878是美國ADI公司推出的專用于電能計(jì)量的芯片.其電壓和電流通道為24bit∑－Δ型ADC.該芯片與同類芯片有以下優(yōu)點(diǎn)：在其廣泛的測(cè)量范圍內(nèi)均有很高的精確度；具備同時(shí)提供三相有功功率、無功功率，視在功率計(jì)量的多功能，因此該芯片適合各種三相配置下有功、無功和視在電能等電氣參數(shù)的計(jì)量；ADE7878芯片具有防竊電功能，它能在失壓情況下給用戶提供電流信息，其PEN線可提供瞬時(shí)電流值和電流有效值.另外ADE7878芯片提供校表功能.

ADE7878計(jì)量單元包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC、數(shù)字信號(hào)處理器DSP等部分.模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC主要對(duì)三相電壓、電流進(jìn)行模擬量與數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換和采樣，數(shù)字信號(hào)處理器則對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器采集數(shù)據(jù)加工分析，從而得到要計(jì)量的各個(gè)功率和各個(gè)電能.SPI串行接口的作用是實(shí)現(xiàn)計(jì)量單元ADE7878與微處理器之間的通信.總之，通過采用這一款高精度電能計(jì)量芯片，大大提高了電壓、電流采樣分辨率，有效地提高電能表計(jì)量準(zhǔn)確度.

2.3 傳感器部分

傳感器采用LEM電流電壓傳感器模塊，它是瑞士LEM公司推出的新型電子器件，它可對(duì)直流、交流等電壓、電流進(jìn)行測(cè)量.該模塊由于具有許多優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用.根據(jù)輸入電壓與該模塊的性能指標(biāo)，可根據(jù)不同的額定電流選擇LA—系列的傳感器模塊.傳感器模塊對(duì)模擬信號(hào)采樣后，經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換后變?yōu)殡娔苡?jì)量芯片ADE7878可以接受的數(shù)字信號(hào)，輸出給高精度電能計(jì)量芯片ADE7878.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性與電能表的準(zhǔn)確度.在配電系統(tǒng)中，首先在阻性負(fù)載下，測(cè)試三組數(shù)據(jù)，如表中的次序1、2、3測(cè)試數(shù)據(jù)，其有功功率相對(duì)誤差都小于等于±0.1%；接著，在感性（或容性）負(fù)載下，又測(cè)試三組數(shù)據(jù)，如表中的次序4、5、6測(cè)試數(shù)據(jù)，其有功功率相對(duì)誤差都小于等于±0.2%.全部實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表1，它是把本設(shè)計(jì)的電能表與滿足國家相關(guān)規(guī)定的高精度標(biāo)準(zhǔn)表進(jìn)行比較的結(jié)果.之后，進(jìn)行了竊電報(bào)警的實(shí)驗(yàn)，對(duì)電能表的電壓線圈進(jìn)行分壓實(shí)驗(yàn)從而實(shí)現(xiàn)竊電，在此情況下測(cè)試了電能表的監(jiān)控功能，能夠準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)了其設(shè)計(jì)要求的報(bào)警與控制功能.

表1 有功電能測(cè)試數(shù)據(jù)記錄

4 結(jié) 論

本文提出了一種用于大電能用戶監(jiān)控的新型智能電能表設(shè)計(jì)方案，并完成了系統(tǒng)中主要功能的實(shí)驗(yàn)，證明了數(shù)據(jù)采集計(jì)量單元可以高精度采集數(shù)字量和模擬量，可以在用戶竊電時(shí)實(shí)現(xiàn)報(bào)警或主電路自動(dòng)跳閘，顯示部分可以正確完成數(shù)據(jù)顯示、曲線繪制和報(bào)警的功能.總之，該方案在測(cè)量精度及監(jiān)控功能方面都有較大的優(yōu)勢(shì).

［1］GB／T 17883－1999 0.2級(jí)和0.5級(jí)靜止式交流有功電度表［S］

［2］夏驥，戴瑜興.基于DSP的多功能電能表的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.低壓電器，2008，（10）：7～10

［3］程廣增，范瑜.基于GPS的配電站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.低壓電器，2008（10）：22～25

［4］韋文祥，朱志杰.基于SPI總線的電能計(jì)量芯片ADE7878及其在配電監(jiān)測(cè)終端的應(yīng)用［J］.國外電子元器件，2005（07）：32～35