單相復(fù)費(fèi)率數(shù)字電表設(shè)計(jì)研究

李廣慶

摘要：近年來我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，用電問題也隨之出現(xiàn)。用電量的急劇增長給供電系統(tǒng)帶來了極大地負(fù)擔(dān)，這就需要平衡用電負(fù)荷并進(jìn)行分時(shí)計(jì)費(fèi)，采用多種計(jì)價(jià)方式的單相復(fù)費(fèi)率電表也就應(yīng)運(yùn)而生。單片機(jī)自身集成度較高，因此本設(shè)計(jì)使用單片機(jī)作為電表的控制芯片，采用模塊化設(shè)計(jì)，在基于電能采集和計(jì)量的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種單相復(fù)費(fèi)率電表。

關(guān)鍵詞：復(fù)費(fèi)率電子式電能表;電能采集與計(jì)量;ADE7755;信號處理

1 緒論

1.1 課題的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，工業(yè)用電和其他類用電量快速增長，呈現(xiàn)高峰期電力負(fù)荷極大而閑時(shí)負(fù)荷又很小的不均衡分布，為了平衡用電，就需要采取削峰填谷的手段，于是就有了分時(shí)電價(jià)政策的出臺，而現(xiàn)有的電表并不能滿足這一發(fā)展趨勢，所以復(fù)費(fèi)率電子式電能表便成為研究和推廣的主流和趨勢。因此，高精度、高可靠性的電表成為我國電表行業(yè)發(fā)展的要求[1]。

1.2 電子式電能表的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

“十一”五期間，國家出臺多項(xiàng)相關(guān)政策來刺激電工0儀表行業(yè)的發(fā)展，同時(shí)對電工儀表的投入也達(dá)到了一個(gè)新的高度，政策帶動(dòng)了電能表需求的平穩(wěn)上升。目前來看，我國的電能表行業(yè)國內(nèi)市場逐漸飽和，出現(xiàn)了產(chǎn)能過剩的情況。然而電能表的高端產(chǎn)品卻大多由國外公司生產(chǎn)，這種形式對我國的電能表行業(yè)的發(fā)展提出了新的要求?，F(xiàn)在我國并沒有獨(dú)自研發(fā)的電能計(jì)量芯片，絕大多數(shù)公司生產(chǎn)的電能表均使用國外芯片，這嚴(yán)重制約著我國電能表行業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步[3]。就目前的形式來看，為了實(shí)現(xiàn)電表行業(yè)的轉(zhuǎn)型，我們需要將精力投入到技術(shù)研發(fā)上，借鑒國外的技術(shù)來研發(fā)更符合國內(nèi)需求的電子式電能表，從而實(shí)現(xiàn)國內(nèi)電表行業(yè)從數(shù)量優(yōu)勢到技術(shù)創(chuàng)新的轉(zhuǎn)變。

2 設(shè)計(jì)方案的確定及相關(guān)理論

2.1 設(shè)計(jì)方案的確定

傳統(tǒng)電能表是通過電壓與電流相乘的計(jì)算得到電量后進(jìn)行電能的累計(jì)。但這種方式可能因電流電壓的相位差和其他因素造成電能計(jì)量的不精確，所以在電能計(jì)量方面我們采用ADE7755電能計(jì)量芯片進(jìn)行精確的電能計(jì)量。

單片機(jī)通過編程和內(nèi)部中斷即可完成時(shí)鐘的作用，但其單片機(jī)主晶振和與之相連接的電容對時(shí)鐘精度的影響極大，在長期的運(yùn)行中很容易產(chǎn)生誤差，而誤差的疊加對電能表的計(jì)量精度影響是巨大的，因此我們選用精度和穩(wěn)定性都相當(dāng)高的DS1302芯片作為時(shí)鐘芯片。

電源方面我們需要將電網(wǎng)中的220V交流電轉(zhuǎn)換為5V直流電，因此我們采用先降壓后整流的方式來獲取理想電壓。

考慮到便捷抄表和遠(yuǎn)程通信的因素，我們采用紅外通信技術(shù)來進(jìn)行便捷的抄表，這在節(jié)省了人力的同時(shí)也避免了人工抄表可能產(chǎn)生的誤差，提高了工作效率也提高了精確度。遠(yuǎn)程通信方面我們采用長距離、高速率的RS-485通信技術(shù)。

顯示模塊出于功耗的考慮，我們選用高性能、低功耗的LCD顯示屏。

2.2 電能表總體工作原理

將電能采集電路接入電網(wǎng)后，通過電壓和電流互感器進(jìn)行降壓和濾波后得到差動(dòng)電壓信號輸入ADE7755，在其中經(jīng)一系列步驟的處理輸出高頻脈沖[4]。單片機(jī)接收從ADE7755發(fā)出的脈沖并進(jìn)行電能累計(jì)，每隔一段時(shí)間自動(dòng)將累積的電能存入數(shù)據(jù)存儲器中。單片機(jī)讀取時(shí)鐘芯片中的時(shí)鐘信號，根據(jù)提前劃分好的峰時(shí)、平時(shí)和谷時(shí)進(jìn)行電能的分時(shí)累計(jì)，用LCD顯示器顯示出用戶當(dāng)前用電量的多少。

3. 電能計(jì)量模塊

ADE7755 是ADI 公司推出的一款高精度電能計(jì)量芯片，其技術(shù)指標(biāo)超過了IEC1036 所要求達(dá)到的精度要求，同時(shí)也超過了GB/T17215- 2002 的國家標(biāo)準(zhǔn)所要求的精度要求

LPF表示低通濾波。來自電壓和電流采樣的電壓信號分別進(jìn)行模數(shù)變換，將模擬量變換為數(shù)字量再進(jìn)行相位校正，之后進(jìn)入高通濾波器HPF濾掉電流信號中的直流分量再進(jìn)入在乘法器中進(jìn)行相乘運(yùn)算得到瞬時(shí)功率，隨后把瞬時(shí)功率進(jìn)行低通濾波去除高頻分量得到瞬時(shí)有功功率?，F(xiàn)階段普遍采用這種的交流采樣的處理方法，它與直流采樣相比有著計(jì)算靈活且精度更高的優(yōu)點(diǎn)。得到瞬時(shí)有功功率之后，經(jīng)過時(shí)間的累計(jì)從數(shù)字頻率轉(zhuǎn)換器從芯片的F1和F2端輸出頻率較低的脈沖。以較短時(shí)間進(jìn)行累計(jì)的有功功率經(jīng)頻率轉(zhuǎn)換器從CF端輸出高頻脈沖。

在一段時(shí)間內(nèi)所消耗的電能與這段時(shí)間內(nèi)單片機(jī)所接收到的脈沖個(gè)數(shù)在數(shù)值上是一樣的。單片機(jī)完成對脈沖的計(jì)數(shù)和累加就可以完成電能計(jì)量，根據(jù)預(yù)先擬定好的的劃分，達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。

結(jié)論

本設(shè)計(jì)完成的是單相復(fù)費(fèi)率電能表的設(shè)計(jì)，采用單片機(jī)作為控制核心，通過對電流和電壓的測量將數(shù)據(jù)輸入到ADE7755電能計(jì)量芯片中進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換并輸出高頻脈沖到單片機(jī)的計(jì)數(shù)器中進(jìn)行電能累加，再訪問時(shí)鐘，按照峰時(shí)、平時(shí)、谷時(shí)的時(shí)間劃分來實(shí)現(xiàn)分時(shí)計(jì)費(fèi)的功能，隨后將數(shù)據(jù)及時(shí)的存入數(shù)據(jù)存儲芯片中以免斷電產(chǎn)生誤差，最后將電量顯示在LCD 顯示器中供用戶參考。這種電表能夠?qū)崿F(xiàn)與上位機(jī)的遠(yuǎn)程通信，并按照上位機(jī)的指令進(jìn)行相關(guān)操作，大大的提高了工作效率，同時(shí)紅外抄表的應(yīng)用也節(jié)省了人力并在最大可能上避免了誤差的出現(xiàn)，極大地提高了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

參考文獻(xiàn)

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[4]夏敏.淺談電子式電能表的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].農(nóng)村電工，2017， 15（12）：39-39

[5]穆麗娟，李曉明.單相復(fù)費(fèi)率電子式電能表的設(shè)計(jì)[J].電子工藝技術(shù)，2007，28（6）：358-360