基于國網(wǎng)2013標準單相智能電表硬件設計

程正忠

【摘 要】作者根據(jù)2013年的新標準電表新規(guī)范進行設計，實現(xiàn)單相智能電表的硬件電路設計，通過產品型式試驗，通過國家電網(wǎng)的各項測試。

【Abstract】According to the new standard of the new meter in 2013， the author designed the hardware circuit of the single-phase smart meter， passed the tests of the product type and passed the tests of State Grid.

【關鍵詞】智能電表； 硬件； 單片機

【Keywords】smart meter； hardware； microcontroller

【中圖分類號】TM933.4 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）07-0189-02

1 單相智能電表原理組成

1.1 單相智能電表組成

單相費控智能電能表，采用當今最先進的電能表專用集成電路、微處理器、永久保存信息的不揮發(fā)性存貯器、寬溫液晶顯示等技術和SMT工藝設計、制造，是高精度、寬負載、高靈敏、低功耗。本表具有紅外、RS485接口，方便電力部門實現(xiàn)計算機網(wǎng)絡管理。并采用多種軟件、硬件抗干擾措施，保證電表可靠運行，從而適應了電力部門對用戶有效及時地現(xiàn)代化科學管理需求。

1.2 單相智能電表原理

單相智能電表供計量額定頻率為50/60Hz的單相電網(wǎng)中的交流有功電能，該表實現(xiàn)了正、反向有功、分時電能計量以及遠傳實時電壓、火線電流、零線電流、有功功率、功率因數(shù)等。電能表通訊規(guī)約符合DL/T645-2007及其備案文件要求。

遠程管理控制功能 利用低壓電力線載波、RS485通訊可組成遠程抄表、控制功能，可實現(xiàn)對表的遠程抄讀、設置、控制等管理。其原理框圖如下（見圖1）。

2 單相智能電表結構設計要求

2.1 智能電表結構設計要求

單相智能電表嚴格按照國網(wǎng)的尺寸要求進行設計，包括材料、色差、尺寸均符合國家電網(wǎng)2013標準要求；特別注意的是通信模塊的外形尺寸為70mm（L）×50mm（W）×22.7mm（H）。電能表外形結構需要有廠家名稱、電壓、電流規(guī)格、儀表常數(shù)、出廠編號等標識。

2.2 單相智能電能表通信接口結構要求

紅外通信留出2個直徑為大于5mm孔與外界通過透明PC材料進行隔離。載波或無線模塊經過標準接口定義，進行可熱插拔設計；載波模塊和無線模塊可以互換。RS485接口通過90°的連接片對外可通過鱷魚夾進行連接測試和可靠連接。

3 單相智能電表電路設計

3.1 單片機性能參數(shù)指標及應用設計原理圖

FM3318是上海復旦微電子公司研發(fā)生產的智能電表專用MCU芯片，芯片具有8位增強型80251 MCU核、大容量程序存儲器和RAM，集成LCD驅動、RTC、UARTs、硬件7816協(xié)議棧等多種功能，可應用于單相智能電表。通信接口為兼容不同工作電源的模塊，通信接口一律采用開漏設計輸入和輸出。單片機接口直接選擇成開漏輸入和輸出狀態(tài)。

FM3318的主要特性如下：

電壓工作范圍：2.5～5.5V；

工作溫度范圍：-40℃～+85℃；

多種工作模式；

增強型80251 MCU核；

JTAG在線調試功能；

最大160Kbytes FLASH程序存儲器，可多次編程；

3.5Kbytes xRAM，512bytes NVRAM；

部分IO輸入具備施密特特性，并提供電平變化中斷功能，方便鍵盤接口；

上電復位、下電復位、低電壓檢測電路；

看門狗定時器，溢出周期可設；LCD/LED驅動電路，最大支持4COM×64SEG、6COM×56SEG或8COM×42SEG LCD顯示驅動 / 42DIG×8SEG LED掃描顯示；

4個擴展定時器，具備適用于電表應用的專用功能；

3路UART，均支持紅外調制輸出和接收信號捕捉功能；

I2C接口，方便與串行存儲器接口；

7816接口，方便與智能卡接口；

SPI接口；

串行測試接口，可用于Flash編程、芯片測試、內部程序在線調試等；

12通道12-bit ADC，其中一路接溫度傳感器輸出，一路檢測電池電壓，一路檢測LDO18LC電壓，一路檢測LCD電壓，8路接外部模擬輸入；

低功耗硬件實時時鐘；

2個獨立的模擬比較器，可靈活地連接為各種輸入方式。

3.2 模塊接口設計

模塊接口VCC電源接口設計；因VCC電源帶載125mA情況下，VCC電源的紋波Vp-p應小于1‰。該電路VCC設計采用MP2451DC-DC轉換模塊設計電路。MP2451DC-DC芯片具有防短路自動保護功能。

3.3 單相智能電表線路設計

電路設計采用PROTEL99SE應用軟件。在選定好核心關鍵元器件的品牌及型號；例如：單片機，液晶，互感器，繼電器，存儲器，RS485通信芯片，壓敏電阻，電解電容。單相智能電表原理圖設計好后，設計好每個器件的封裝后，生成網(wǎng)絡表，導入網(wǎng)絡進行Pcb Layout。電路線路設計完成后，設計好安全間距進行鋪銅，Pcb板設計完成后，進行pcb板的打樣加工，制作鋼網(wǎng)進行SMT貼片，插件，然后組裝成PCBA板。設計好的PCBA頂層見圖2。

4 結論

單相智能電表測試項目有準確度、電氣性能、機械性能、絕緣性能、電磁兼容性等幾十項測試項目。功單相智能電表按照IEC62056-21標準和Q/GDW 1364-2013進行各項測試，所設計12只樣品全部通過國家電網(wǎng)計量中心測試；符合IEC62056-21標準和Q/GDW 1364-2013標準要求，拿到國家電科院計量中心的合格測試報告。

通過對單相智能電表硬件的開發(fā)總結出的理論和實踐經驗可以為其他的電子產品開發(fā)設計起到很大的幫助。為將來產品設計起了一個良好的經驗積累。

【參考文獻】

【1】史玉杰.基于實時測量單相智能電表的設計與實現(xiàn)[D].太原：太原理工大學，2015.

【2】馮守超.單相智能電能表電氣性能評價方法的研究[D].保定：華北電力大學，2013.endprint