基于智能電能表通信接口帶載能力測(cè)試電路的設(shè)計(jì)與研究

石振剛，徐建云，張 琳，王鴻璽，李 涵，李 翀，任 鵬

(國(guó)網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院，石家莊 050021)

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基于智能電能表通信接口帶載能力測(cè)試電路的設(shè)計(jì)與研究

石振剛，徐建云，張 琳，王鴻璽，李 涵，李 翀，任 鵬

(國(guó)網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院，石家莊 050021)

針對(duì)智能電能表通信接口帶載能力測(cè)試存在的問(wèn)題，提出了智能電能表通信接口不同測(cè)試功能的電路設(shè)計(jì)方案，分別對(duì)智能電能表通信接口帶載能力測(cè)試電路和智能電能表通信模塊電源電壓幅值、輸出電流測(cè)量電路進(jìn)行詳細(xì)的分析，并對(duì)兩種電路的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較分析，通過(guò)試驗(yàn)論證了這2種不同功能測(cè)試電路的可行性。

智能電能表；通信接口；帶載能力；測(cè)試

近幾年，隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，智能電網(wǎng)建設(shè)速度加快，智能電能表(簡(jiǎn)稱“電能表”)成為智能電網(wǎng)建設(shè)重要的組成部分在國(guó)內(nèi)外得到了大力的推廣和應(yīng)用，國(guó)家電網(wǎng)公司也在逐步完善用電信息采集系統(tǒng)[1]。用電信息采集系統(tǒng)由主站、采集終端及電能表等組成，由于系統(tǒng)規(guī)模大，國(guó)內(nèi)各終端廠家通信模塊、通信協(xié)議均由廠家自行開(kāi)發(fā)，各設(shè)備之間相互獨(dú)立運(yùn)行，電能表與通信單元一一對(duì)應(yīng)，因此電能表的供電電源質(zhì)量和電源驅(qū)動(dòng)能力必須進(jìn)行定制和優(yōu)化處理。

1 電能表通信接口帶載能力測(cè)試現(xiàn)狀

目前，電能表的通信方式主要有低壓電力線載波通信和微功率無(wú)線通信，每一種通信方式均有相應(yīng)的通信模塊，電能表配置有通信接口與通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，為保證通信模塊可靠工作，必須保證電能表通信接口具備一定的帶載能力，并且在帶載下不產(chǎn)生強(qiáng)干擾影響通信模塊的通信效果，因此必須對(duì)電能表的電源輸出和帶載能力進(jìn)行測(cè)量，包括電源輸出電壓、輸出電流、輸出紋波的測(cè)量[2]。針對(duì)紋波測(cè)試，主流設(shè)計(jì)選用靈敏度較高的示波器，如選用TS2212A程控示波器，因其具有20 MHz BW設(shè)置，能夠滿足紋波測(cè)試要求，利用計(jì)算機(jī)USB接口讀取示波器峰值電壓，并進(jìn)行圖形顯示，給出數(shù)值與圖形的結(jié)合數(shù)據(jù)，從而判斷紋波測(cè)試結(jié)果。但這種方法每次僅測(cè)試一個(gè)表位的信號(hào)，如何對(duì)多表位進(jìn)行測(cè)試仍是目前面臨的主要問(wèn)題。

電能表能否正確、及時(shí)應(yīng)答終端發(fā)出的通信幀關(guān)系到其通信性能的高低。在電能表檢測(cè)高效率性能的要求下，應(yīng)使電能表的通信可靠性測(cè)試解決方案滿足批量測(cè)試要求，以下就電能表通信接口帶載能力測(cè)試及多個(gè)電能表同步測(cè)試進(jìn)行了研究。

2 電能表通信接口帶載能力測(cè)試電路設(shè)計(jì)方案

2.1 電能表通信模塊電源紋波測(cè)試電路設(shè)計(jì)方案

該方案在逐漸提高通信接口負(fù)載的情況下，利用AD采樣電路測(cè)量電壓保持電路輸出紋波、負(fù)載電流值等參數(shù)，并將測(cè)量結(jié)果送到單片機(jī)的ADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，自動(dòng)判斷最終測(cè)試結(jié)果。如圖1所示，該電路針對(duì)測(cè)量電能表通信模塊電源電壓幅值、輸出電流而設(shè)計(jì)，也稱為電壓型峰值保持電路。以正峰值保持電路為例：其主要由電壓放大器U10A、峰值檢測(cè)器二極管D6、保持電容C30和電壓緩沖器U11A組成。該電路能夠替代示波器測(cè)量直流電源的紋波峰峰值，并將測(cè)量結(jié)果送到單片機(jī)的ADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，換算出最終的測(cè)試結(jié)果。

圖1 電能表通信模塊電源紋波測(cè)試電路

其中，D5為反向保護(hù)二極管，R18泄放電阻。電壓放大器對(duì)U9A送出的電壓(Vin)和U11輸出電壓(Vout)之間的電壓差進(jìn)行放大，輸出為電壓信號(hào)。若Vout小于Vin，則電壓放大器輸出的電壓信號(hào)通過(guò)二極管D6對(duì)電容C30充電；若Vout大于Vin，二極管截止，電容上的電壓保持不變。U11A對(duì)C30的電壓進(jìn)行緩沖,以避免U11A負(fù)輸入端對(duì)C30的吸收泄放。緩沖放大器的輸出一直保持Vin的正峰值。D5在Vout大于Vin時(shí),對(duì)U10A提供反饋通路,以穩(wěn)定U10A工作。負(fù)峰值保持電路與正峰值保持電路工作原理相同,僅二極管方向相反，保持輸出為負(fù)峰值電壓。在圖1中，U9B為加法器，將正峰值和負(fù)峰值相加，輸出信號(hào)(WB12AD)給單片機(jī)的AD通道測(cè)量。該電路可以測(cè)量紋波的峰峰值，還可對(duì)多表位并行測(cè)量。電能表的12 V DC電源由U12IN接入測(cè)量電路，C40、C41、C42將直流電壓中的紋波分量檢出，通過(guò)U9A的運(yùn)算放大器，將紋波幅度放大100倍。U10A和U11A組成了正峰值保持電路，U10B和U11B組成了負(fù)峰值保持電路。

2.2 電能表通信模塊電源電壓幅值、輸出電流測(cè)量電路設(shè)計(jì)方案

該方案可以測(cè)量電能表在帶載的情況下電壓輸出和電流輸出(如圖2所示)，也可測(cè)量通信模塊工作時(shí)的靜態(tài)或動(dòng)態(tài)直流功耗。U12IN標(biāo)號(hào)處電路連接被測(cè)電能表通信模塊接口12 V供電端子,U12OUT通過(guò)切換繼電器連接被測(cè)通信模塊12 V供電端子。電壓的幅值由R31、R32、R33的分壓電阻實(shí)現(xiàn)。U12AD標(biāo)號(hào)處的電壓為2 V，將該信號(hào)接入單片機(jī)的AD通道進(jìn)行測(cè)量，電源回路的電流測(cè)量通過(guò)U15實(shí)現(xiàn)。其中，INA225AIDGK為可編程增益、電壓輸出、雙向、零漂移電流分流監(jiān)視器?？墒褂?個(gè)增益選擇端子(GS0和GS1)來(lái)選擇4個(gè)離散增益級(jí)，以設(shè)定25 V/V，50 V/V，100 V/V和200 V/V的增益。低偏移、零偏移架構(gòu)，連同精準(zhǔn)增益值，可實(shí)現(xiàn)分流上最大壓降低至滿量程10 mV時(shí)的電流感測(cè)，同時(shí)在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)保持極高測(cè)量精度。

圖2 電能表通信模塊電源電壓幅值、輸出電流測(cè)量電路

在圖2中，SI9926是NMOS耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管，工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。當(dāng)C_30R信號(hào)為高電平時(shí)，Q2A的漏極和源極導(dǎo)通。使30 Ω、2 W的電阻接入12 V電源回路，用于三相電能表的通信模塊電源帶載能力測(cè)試。當(dāng)C_96R信號(hào)為高電平時(shí)，Q2B的漏極和源極導(dǎo)通，96 Ω、2 W的電阻接入12 V電源回路，用于單相電能表的通信模塊電源帶載能力測(cè)試。

Q1、U12A和R43R50構(gòu)成可編程負(fù)載,用于進(jìn)行規(guī)程之外的拓展試驗(yàn),R37和R38為保護(hù)電阻,分析時(shí)可視為R37開(kāi)路,R38短路。R43和R50為并聯(lián)擴(kuò)功率,并聯(lián)電阻值為5 Ω。利用單片機(jī)DA輸出給U12A正輸入端加給定電壓(如1 V),根據(jù)運(yùn)放虛短原理,其2腳也應(yīng)為1 V,即R50R43兩端為1 V,其內(nèi)電流為200 mA,R40、Q1和R50R43中電流為200 mA。改變U12A正輸入端電壓即可等比例改變負(fù)載電流,達(dá)到程控負(fù)載的效果。

測(cè)量電能表帶載能力時(shí)(以單相電能表為例)將C_96R信號(hào)置高,將96 Ω的負(fù)載電阻接入12 V回路中，通過(guò)R42電阻的電流為125 mA，R42電阻壓降為25 mV，INA225AIDGK的增益設(shè)置為25 V/V，輸出引腳第4腳的電壓為0.625 V。單片機(jī)時(shí)機(jī)測(cè)試的電壓值為0.63 V，換算成電流值為126 mA；同時(shí)用R33、R32R31分壓測(cè)量12 V回路的電壓值,用上節(jié)中的電流測(cè)量12 V回路中的紋波值,與標(biāo)準(zhǔn)值比較以判斷試驗(yàn)結(jié)論。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 電能表通信模塊電源紋波測(cè)試電路的測(cè)試

將電路的測(cè)量結(jié)果和TektronixMSO 3054型號(hào)示波器的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，驗(yàn)證紋波測(cè)量電路的準(zhǔn)確性。使用一只國(guó)網(wǎng)規(guī)范的單相電能表，將通信模塊的1、2引腳和電路中的U12IN連接，3、4引腳與電路中的地線連接，電能表加電后，從單片機(jī)中讀出測(cè)量結(jié)果峰峰值為96 mV。對(duì)同一只電能表，將通信模塊的1、2腳與示波器的探頭連接，3、4引腳和示波器的地線連接，電能表加電后，示波器的測(cè)量結(jié)果如圖3所示，兩者的測(cè)量結(jié)果基本一致。

3.2 電能表通信模塊電源電壓幅值、輸出電流測(cè)量電路的測(cè)試

將電路的測(cè)量結(jié)果和FLUKE 8845A數(shù)字萬(wàn)用表的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，驗(yàn)證電壓、電流測(cè)量電路的準(zhǔn)確性。使用FLUKE 8845A數(shù)字萬(wàn)用表對(duì)U12IN點(diǎn)進(jìn)行電壓值測(cè)量，將8845A調(diào)至電流檔，控制DA12輸出電平使電流回路中電流值為120 mA。同樣的測(cè)試條件下，從單片機(jī)得出的測(cè)量結(jié)果與FLUKE 8845A結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，2種方式測(cè)試差別很小。

圖3 示波器測(cè)量結(jié)果波形

測(cè)量通信模塊直流功耗時(shí),將C_96R和C_30R置低,DA12輸出0 V,關(guān)斷所有假負(fù)載,通過(guò)繼電器將被測(cè)通信模塊12 V供電端子接入標(biāo)號(hào)U12OUT處,分別在模塊不通信時(shí)和通信時(shí)通過(guò)R42、U15測(cè)量通信模塊消耗的電流,并與標(biāo)準(zhǔn)值比較以判斷模塊功耗是否超標(biāo)。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)電能表通信接口帶載能力測(cè)試電路的研究，提出了電能表通信模塊電源紋波測(cè)試電路設(shè)計(jì)方案，以及電能表通信模塊電源電壓幅值、輸出電流測(cè)量電路設(shè)計(jì)方案。電源紋波測(cè)試電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單實(shí)用，測(cè)量準(zhǔn)確，能同時(shí)對(duì)多個(gè)電能表的通信電源紋波進(jìn)行測(cè)試；電壓幅值、輸出電流測(cè)量電路僅配合單片機(jī)就可以完成電壓、電流測(cè)量功能，并且測(cè)量精度能夠達(dá)到國(guó)標(biāo)要求，與標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比誤差較小，說(shuō)明2種功能測(cè)試電路的可行性，為電能表通信接口帶載能力測(cè)試電路的設(shè)計(jì)提供了很好的借鑒。

[1] 林曉明, 肖 勇. 智能電網(wǎng)建設(shè)中加強(qiáng)電力需求側(cè)管理研究[J]. 中國(guó)電力教育, 2011,10 (22):46-48

[2] 孫衛(wèi)明, 趙 偉. 諧波和間諧波對(duì)全電能計(jì)量準(zhǔn)確度的影響[J]. 電測(cè)與儀表，2011,48(49):49-52.

本文責(zé)任編輯：谷麗娜

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Design and Research Based on Circuit for Measuring Loading Capacity of Electric Energy Meter Communication Interface

Shi Zhengang,Xu Jianyun,Zhang Lin,Wang Hongxi,Li Han,Li Chong,Ren Peng

(State Grid Hebei Electric Power Reseach Institute,Shijiazhuang 050021,China)

This paper proposes the necessity of measuring the loading capacity of the smart meter communication interface, and set forth the circuit design of the different testing capabilities of the smart meter communication interface in detail,analyzed and explained a circuit for measuring the power supply ripple of the smart meter communication module and a circuit for measuring the power supply voltage amplitude,output current of the smart meter communication module in detail, illustrated the advantages and disadvantages of these two circuits,and the feasibility of the two different functions of the test circuit has been demonstrated after the tested.

smart electricity meter;communication interface;loading capacity;test

2017-02-15

石振剛(1982-),男,工程師,主要從事電力計(jì)量方面工作。

TM932

B

1001-9898(2017)03-0014-03