全開放式智能仿真電能表模塊電路設(shè)計(jì)

張理放，董永樂，張 祺，金 釗

（內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020）

0 引 言

全開放式智能仿真電能表的功能指標(biāo)要符合當(dāng)前通信規(guī)約、技術(shù)規(guī)范和具體使用需求，可與當(dāng)?shù)夭捎玫牟杉K端互通數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)對電能計(jì)量的正向、反向數(shù)據(jù)，有功、無功數(shù)據(jù)，尖峰負(fù)數(shù)，平谷數(shù)據(jù)，本月數(shù)據(jù)，上月數(shù)據(jù)，電壓、電流、功率等數(shù)據(jù)或者參數(shù)的查詢與設(shè)置。采用模塊化的設(shè)計(jì)思路，將智能仿真電能表分成不同的模塊，方便對各個(gè)模塊分別進(jìn)行研究。

1 全開放式智能仿真電能表設(shè)計(jì)特點(diǎn)

全開放式智能仿真電能表設(shè)計(jì)采用模塊化理念，將三相智能電表劃分為以下幾個(gè)模塊，即電源模塊、通信模塊、主計(jì)算機(jī)控制模塊、顯示模塊和計(jì)量模塊，各個(gè)模塊分別設(shè)計(jì)必要的外展電路，最后將各個(gè)模塊統(tǒng)一裝配。該電能表整體尺寸較小，方便電力施工進(jìn)行存放、攜帶、搬運(yùn)和安裝。在設(shè)計(jì)時(shí)，選用絕緣、阻燃、耐火材質(zhì)，保證使用的安全性。在接口上，具備電壓和電流的輸入接口。全開放式智能仿真電能表的使用較為靈活，在進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)或檢測時(shí)，可以進(jìn)行征集調(diào)試，也可以對單一模塊進(jìn)行仿真學(xué)習(xí)；可以與信號源配合，實(shí)現(xiàn)智能設(shè)備相關(guān)功能，也可以直接接入實(shí)際電網(wǎng)中，在下載開放式程序之后，作為電能計(jì)量儀使用。全開放式智能仿真電能表原理如圖1所示。

圖1 智能仿真電能表原理圖

2 全開放式智能仿真電能表的主要功能

2.1 電能計(jì)量功能仿真

電能表可以通過仿真學(xué)習(xí)將電量的概念、多種電量值之間的關(guān)系與累計(jì)方法納入芯片功能。對于四象限有功、無功電量概念，正反向分相有功電量，蒸飯箱有功電量，四費(fèi)率有功電量等均可以仿真學(xué)習(xí)[1]。

2.2 需量的測量仿真

電能表可以對需量和最大需量的概念及測量方法進(jìn)行仿真；可以測定蒸飯箱有功四費(fèi)率的最大需量和需量發(fā)生時(shí)間，以及正反向有功最大需量和需量發(fā)生時(shí)間。

2.3 數(shù)據(jù)顯示仿真

電能表可以對顯示驅(qū)動(dòng)、顯示刷新的位置，對數(shù)據(jù)處理方式進(jìn)行仿真學(xué)習(xí)。

2.4 數(shù)據(jù)的結(jié)算與凍結(jié)仿真

電能表可以對數(shù)據(jù)結(jié)算與凍結(jié)的概念和存儲(chǔ)處理方式進(jìn)行仿真學(xué)習(xí)，可存儲(chǔ)上12個(gè)結(jié)算日的正反向總電能與四費(fèi)率電量，可以對四費(fèi)率電量的定時(shí)凍結(jié)、約定凍結(jié)、瞬時(shí)凍結(jié)、日凍結(jié)與整點(diǎn)凍結(jié)等進(jìn)行仿真[2]。

2.5 負(fù)荷曲線的仿真

電能表可以對負(fù)荷曲線概念及其存儲(chǔ)處理方式進(jìn)行仿真學(xué)習(xí)，可以仿真6個(gè)測量通道的負(fù)荷數(shù)據(jù)的讀取和存儲(chǔ)情況，可以存儲(chǔ)近30天的負(fù)荷數(shù)據(jù)。

2.6 記錄功能的仿真

對于事件的記錄，電能表可以對事件記錄的概念、判斷方法以及存儲(chǔ)方式進(jìn)行仿真學(xué)習(xí)。記錄最近10次操作活動(dòng)，包括需量清零、編程、校對時(shí)間、開表蓋以及開尾蓋等。

2.7 停電喚醒功能的仿真

電能表可以對低功耗運(yùn)行狀況和停電喚醒等動(dòng)作的處理方法進(jìn)行仿真學(xué)習(xí)，包括按鍵喚醒、紅外喚醒、停電抄表、按鍵切換顯示以及紅外通信等[3]。

2.8 通信功能的仿真

電能表可以對個(gè)各類通信通道的處理方式和協(xié)議的具體解析與實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行仿真學(xué)習(xí)，包括通道軟件硬件獨(dú)立、調(diào)制紅外通信、電力線載波通信以及通信協(xié)議等。

2.9 階梯式電價(jià)功能的仿真

電能表可以對電價(jià)概念、計(jì)算方式、處理辦法進(jìn)行仿真學(xué)習(xí)，包括階梯式電價(jià)的極佳方式、費(fèi)率電價(jià)單獨(dú)存在、階梯電價(jià)和費(fèi)率電價(jià)同時(shí)存在等情況。

2.10 遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置和費(fèi)控功能的仿真

電能表可以對傳輸數(shù)據(jù)安全的處理辦法、遠(yuǎn)程密文參數(shù)設(shè)置和費(fèi)控功能的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行仿真學(xué)習(xí)，包括獨(dú)立安全模塊、通信數(shù)據(jù)交換與處理過程，遠(yuǎn)程密文參數(shù)的修改以及遠(yuǎn)程密文方式拉合閘等。

2.11 誤差修調(diào)功能的仿真

電能表可以對各類誤差和誤差修調(diào)方式進(jìn)行仿真，包括計(jì)量芯片學(xué)習(xí)和通信協(xié)議的定義，需要修調(diào)的測量包括電壓、電流、功率以及相位等[4]。

3 全開放式智能仿真電能表的優(yōu)勢

三相供電需要分壓，由大功率、高精度電阻進(jìn)行分壓工作。三相電流經(jīng)由精密電流互感器（CT）完成電流轉(zhuǎn)換。高精度計(jì)量芯片對轉(zhuǎn)換后的信號加以運(yùn)算，運(yùn)算后的信息由MCU根據(jù)需求傳送到顯示或者通信等數(shù)據(jù)輸出模塊；重要的信息會(huì)存儲(chǔ)在安全性較高的非易失存儲(chǔ)器中，可長時(shí)間保存；高精度實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路具有溫補(bǔ)功能，可為電能表提供可靠的時(shí)間基準(zhǔn)；高性能、大容量的鋰電池可以保證時(shí)鐘電路即使是在電能表掉電后仍可以長期準(zhǔn)確運(yùn)行；電能表可以輸出四路脈沖信號，用于對電能表進(jìn)行精度校驗(yàn)；高效率的現(xiàn)場電源電路、大容量的鋰電池以及AC/DC自適應(yīng)輔助電源電路組成了電能表的電源系統(tǒng)，可以保證電能表在有電時(shí)正?？煽康毓ぷ鳎ｋ姾罂梢岳^續(xù)進(jìn)行抄表。

4 全開放式智能仿真電能表模塊電路設(shè)計(jì)

4.1 主計(jì)算及控制模塊

主計(jì)算及控制模塊由主電路及外圍電路和實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路構(gòu)成。

主電路的功能及性能指標(biāo)為：引腳100，64k SRAM，512k Flash，LQFP封裝內(nèi)核；4個(gè)通用定時(shí)器，包括2個(gè)高級定時(shí)器和2個(gè)基本定時(shí)器；通信方式為2個(gè)I2C，2個(gè)SPI，1個(gè)CAN通 信，1個(gè)USB，5個(gè)USART，1個(gè)SDIO；GPIO三路，共16通道；DAC兩路，共兩個(gè)通道；CPU為72 MHz；操作電壓為2.0～3.6 V；最大耗散功率為440 mW。

實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路為帶溫度補(bǔ)償?shù)臅r(shí)鐘芯片，其功能及技術(shù)指標(biāo)為：內(nèi)置高穩(wěn)定度的數(shù)字溫度補(bǔ)償振蕩器；支持總線高速模式；定時(shí)報(bào)警功能；固定周期定時(shí)中斷；時(shí)間更新中斷功能；33 000 kHz頻率輸出；閏年自動(dòng)實(shí)踐調(diào)整功能（從2000年到2099年）；寬范圍接口電壓2.2～5.5 V；寬范圍時(shí)鐘保持電壓1.8～5.5 V；低電流功耗0.8 μA/3 V。

主計(jì)算及控制模塊使用接插件安裝在模擬仿真表的儀表主板上，主要實(shí)現(xiàn)對電能進(jìn)行計(jì)算及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)顯示、用電控制以及對外通信等功能，是仿真電能表的中樞機(jī)構(gòu)。

4.2 模擬量采集及計(jì)量模塊

模擬量采集及計(jì)量模塊由電流信號轉(zhuǎn)換電路、電壓信號轉(zhuǎn)換電路、計(jì)量芯片、電能計(jì)量芯片和主通信電路組成。

電壓和電流信號轉(zhuǎn)換電路將高壓及大電流信號轉(zhuǎn)換成采樣信號（毫伏級信號）輸入計(jì)算芯片。其中，電壓信號轉(zhuǎn)換電路采用分壓電阻把220 V的電壓降到100 mV左右，分壓電阻采用高精密電阻，確保測量能長期安全穩(wěn)定可靠；電流轉(zhuǎn)換電路采用CT，CT測量精度達(dá)到1‰，初級和次級的隔離電壓不小于4 000 V。

電能計(jì)量芯片可以完成電壓和電流信號的采集及電能計(jì)算功能，其采用三相多功能芯片，性能指標(biāo)為：可對全波無功電能和基波無功電能進(jìn)行測量，在5 000:1的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，非線性誤差不大于1‰，滿足0.2S和0.5S兩級電能表精度要求；全波視在電能和基波視在電能；有功功率和無功功率方向，可支持無功四象限判斷；具有潛在啟動(dòng)能力，啟動(dòng)閾值可調(diào)節(jié)；提供有功、無功、視在的快速脈沖計(jì)數(shù)；全波、基波，有功、無功和視在脈沖輸出；全波和基波有功、無功、視在功率；提供全波、基波和諧波三相電壓電流有效值；提供全波、基波功率因數(shù)；提供電壓線頻率，測量誤差不大于0.2‰；提供各相電壓電流相角，測量誤差不大于0.02°；提供過零檢測，過零閾值可以調(diào)節(jié)設(shè)置；提供電壓相序出錯(cuò)檢測；提供失壓預(yù)警，失壓閾值可以調(diào)節(jié)設(shè)置；靈活的電壓、電流波形緩存數(shù)據(jù)；可進(jìn)行電壓暫降檢測，過壓、過流檢測；具備防竊電功能，零線電流可以測量。結(jié)合電壓采樣電路及電流采樣電路的參數(shù)設(shè)計(jì)，本款產(chǎn)品的電能測量精度為0.5S級。

計(jì)量芯片獲取的數(shù)據(jù)可以通過通信接口與主通信電路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，由于通信速率較高，通信線路上設(shè)計(jì)了濾波電路用以濾除通信線路上出現(xiàn)的毛刺干擾。

4.3 電源模塊

開放式智能仿真電能表的電源電路方案與實(shí)際電能表一樣，整表電源兩路獨(dú)立輸出，主電源輸出為300 MA/12 V，通信電源為20 MA/5 V，兩路電源之間的隔離耐壓不小于4 000 V。

電源模塊由整流電路、電源變壓器、穩(wěn)壓電路、濾波電容及后備電池等組成。由于電能表具備實(shí)時(shí)鐘電路和停電喚醒功能，因此須準(zhǔn)備后備電池，一塊用于實(shí)時(shí)鐘電路，一塊用于停電喚醒使用，停電后后備電池?zé)o縫切換為電能表供電，市電與電池之間可使用二極管進(jìn)行隔離。

4.4 存儲(chǔ)電路模塊

存儲(chǔ)電路模塊電路如圖2所示。

圖2 存儲(chǔ)電路模塊電路圖

智能電能表需要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)包括計(jì)量標(biāo)定數(shù)據(jù)、結(jié)算數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)電能量數(shù)據(jù)、電能需量、需量數(shù)據(jù)等。電能表的存儲(chǔ)器采用了FLASH存儲(chǔ)器、EEPROM存儲(chǔ)器及鐵電存儲(chǔ)器三種。EEPROM存儲(chǔ)器用來存儲(chǔ)電能表電能結(jié)算數(shù)據(jù)和標(biāo)定數(shù)據(jù)，鐵電存儲(chǔ)器則用來存儲(chǔ)實(shí)時(shí)電能數(shù)據(jù)，F(xiàn)LASH存儲(chǔ)器用來存儲(chǔ)負(fù)荷曲線數(shù)據(jù)。

4.5 液晶顯示模塊

LCD液晶屏作為三相智能電能表采用的顯示器，總段位為276段，顯示器可采用寬溫液晶屏，工作壽命較長，功耗較低，對工作環(huán)境要求不苛刻。

液晶驅(qū)動(dòng)芯片的主要功能和技術(shù)指標(biāo)為：最多支持280段液晶顯示器，震蕩電路內(nèi)部集成，支持總線通信，低功耗，標(biāo)準(zhǔn)功耗為10 μA，擁有獨(dú)立的液晶驅(qū)動(dòng)電源，電源電壓范圍和溫度工作范圍都較寬。

液晶屏的背光采用白光的背光板，背光板內(nèi)部集成了2個(gè)高亮白光的發(fā)光管，通過背光板的反射和折射可以均勻地給液晶提供背光源。背光板點(diǎn)亮?xí)r的驅(qū)動(dòng)電流為3 MA左右。

4.6 通信電路模塊

三相智能電能表的通信接口有以下兩類：通信接口、紅外通信接口。

通信接口和主電路之間的數(shù)據(jù)接口采用光耦方式進(jìn)行電氣隔離，通信接口的供電采用變壓器的一組單獨(dú)繞組實(shí)現(xiàn)電氣隔離，通信接口與主電路之間的隔離耐壓強(qiáng)度約為4 000 V；信號輸出端之間則串入一個(gè)熱敏電阻（常態(tài)阻值30～60 Ω，耐壓500 V以上），并聯(lián)一個(gè)600 W、電壓為10 V的雙向TVS管，以確保民電出現(xiàn)錯(cuò)接入問題而不損壞電表。

紅外通信接口為非接觸式的通信接口，與紅外抄表設(shè)備間的通信距離不小于5 m，紅外通信的波特率是1 200 B/S，紅外調(diào)制的頻率為38 kHz，由定時(shí)器輸出口來完成輸出。

5 結(jié) 論

隨著社會(huì)用電需求和服務(wù)要求不斷提升，以及科技的不斷發(fā)展，電能表從具有單一計(jì)量功能的電計(jì)量儀器發(fā)展為當(dāng)前集多種功能于一體的多功能儀表。全開放式智能仿真電能表可實(shí)現(xiàn)的功能豐富，因此電力企業(yè)不斷對其進(jìn)行仿真與試驗(yàn)研究，為電能計(jì)量工作的順利進(jìn)行服務(wù)，為電能計(jì)量的管理水平提升服務(wù)，從而更好地推進(jìn)電網(wǎng)建設(shè)，提升用電服務(wù)水平。