电子式三相多功能电能表设计

,并可按用户需求方便 地进行规约转换,可形成不同地区-不同用户-不同需 求的多功能电能表+ 1 技术路线 多功能电能表的应用十分广泛,各地区因使用场 合-负荷特性-管理模式等不同而各异+但其核心是主 控芯片及计量电路,重点解决电能计量-费率与时段控 制的高准确性-稳定性及可靠性,并力求各功能的模块 化设计及通信规约的兼容性设计+ 根据多功能电能表所应满足的国际标准-国家标 准及用户需求状况,在广泛进行市场调研-论证-分析 的基础上,确立如下技术路线+ 1"* 精选计量电路 多功能电能表主要应用于变电站-电厂-大工业用 户等场合,微小的计量误差会对电能计费-结算产生较 大影响+方案基于数字信号处理技术#()*’,实现高 速-高稳定性电能计量+计量芯片选用珠海矩力公司推 出的大规模集成电路 2rr&$"%,该芯片内部由计量电 路-3*4-存储器-C3(显示驱动电路-外围逻辑电路 等 几部分组成+3*4 为 5$.!,存储器包括6"$7 ".,8%xt可以由 3*4直接寻址的 )92:-%"$8%xt的 程序存储区 ;r*:t{Hy%#直接地址访问’等<外围逻 辑电路包括 3*4的接口模块 429r-)*=接口-9r3 模块->2r3)(;?模块+其中计量电路含有三路二 阶 @AB2(3-基准电压源和有功功率与有功电能,无 功功率,电压有效值,电流有效值及频率所需要的全部 数字信号处理功能的电路+可以防止窃电+2rr&$"% 第 ",卷第 5期增刊 仪 器 仪 表 学 报 "$$.年 5月 万方数据 支持 !"#$%&’()*$标准的精度要求+在动态范围 ())),(内误差小于 )-(./011&)2*系统时钟为 *-3&4353678+满足计量电路的时钟要求+同时+利用 分频+最小可到 %&*9+通过内部 :;;倍频+最大可到 2%-$6+可以完全满足多功能电能表的各种不同需要/ 011&)2*内建有 ;#<显示驱动电路+另外支持 %位 % 段 ;"<的动态扫描输出+同时能产生脉冲输出+支持 两相两拍或者两相四拍计度器+并且支持直接驱动两 路计度器+达到最大限度地满足不同需要/ =>= 确立微处理芯片 通常+多功能电能表是一个微处理系统+微处理器 是多功能电能表的核心+所有的计算?数据交换?控制? 显示?通信等功能都是基于单片微处理器来完成的/国 内常见电能表选用的微处理器有 016";公司? :7!;!:@公司等相关产品/综合考虑性能?资源及应 用情况+设计选用了三菱公司 AB系列单片机/ =>C 解决计量与时钟稳定性的问题 计量与时钟电路的稳定性决定多功能电能表有 功?无功?费率与时段的正常切换与计费/普通方案的 电能计量+由于易受环境的影响+尤其是干扰?谐波等+ 其计量误差的稳定性较难保证/选用 <@:方案+由于 其运算速度高+抗干扰能力强+可有效克服上述问题/ C 关键技术 C>D 有功电能的谐波处理 对于电能计量+当电压输入和负载电流均出现谐 波时+就会产生谐波功率/所以有功功率 :通常可以 用基波有功功率 :(和谐波有功功率 :7之和表示, :E:(F:7 其中,:(EG(H!(HIJKLM(N :OEGOH!OHKPQLMON :7E:2F:*F:5F:3FRR 通常有功功率是采用对电压?电流的乘积进行积 分+然后进行平均得到的+所以也称为平均功率+计算 公式为:E (1S 1 ) TLUNPLUNVU/显然有功功率的谐波处理 能力直接取决于电压?电流的采样速率/ C>= 无功电能的谐波处理 按照无功电能测量原理来区分+无功电能表基本 上可分为两类,一类是传统的人为无功电能表+另一类 是新型的自然无功电能表/ 新型自然无功电能表直接从无功的定义出发进行 测量+又成正弦式无功电能表L或真无功电能表N+主要 通过模数转换器L0<#N进行交流采样+然后通过由 6#G或者 <@:构成的数字信号处理单元进行处理+ 得到无功功率+对无功功率进行对时间的积分+最后得 到了无功电能/ 如果电压输入和负载电流均出现谐波+就会产生 谐波无功+但是对于含有谐波的非正弦电路的无功功 率还没有广泛认同的?科学且有权威性的定义/但是目 前采用得最多的是下面的公式, WEX Y QE( GQ!QKPQLMN 其中, 基波无功功率 W(EG(H!(HKPQLM(N Q次谐波无功功率 WQEGQH!QHKPQLMQN 要实现真无功测量+4)Z移相是必须的/根据采用 的移相方式的不同+测量出来的无功功率与真无功功 率存在必然的误差+特别是在谐波情况下/ 基于 7P[\]^U数字滤波器的无功功率测量+不 仅能测量正弦电路中的无功功率+而且能够在给定的 定义下+也适合于测量含有谐波的非正弦电路中的无 功功率/在含有谐波的情况下+采用 7P[\]^U滤波器法 测量的无功功率完全满足正弦式无功功率定义/ _ 工作原理 图 ( 三相多功能电能表工作原理框图 电子式多功能电能表电源部分采用了线性调整及 调频调宽混合降压技术L:‘a6N+在单相?三相供电 情况下都可工作b电能表工作时+电压?电流经互感器 采样电路分别采样后+电压?电流模拟信号送至专用 <@:计量芯片L011&)2*N处理+<@:与 6#G之间进 行电能量与电参数的交换+同时+6#G完成数据处 理?存储?控制及通讯等功能/用户可随时通过各种操 作从电能表的外部接口得到L所有过程均在 6#G的 %%2 仪 器 仪 表 学 报 第2$卷 万方数据 控制下!它是交互式进行的"各种数据#三相多功能电 能表工作原理框图如图 $所示# % 电表功能 %&’ 整体参数和功能 项目研制的电能表可精确地测量三相正向和反向 的有功(无功功率!电压(电流和频率等电参数!并依据 相应费率和需要量等要求进行数据处理#该表可进行 )中费率()个时区($*个日段等设置!并具有 +,)-. 通信接口和远动脉冲输出功能#其性能指标符合 /01 23$)4$5567多功能电能表8和 /0123).4$5567多功 能电能表通信规约8电力行业标准对多功能电能表的 各种技术要求#电表的基本参数见表 $# 表 ’ 电表主要参数 电能表类别 准确度等级 有功 无功 额定电压 9:" 标定电流 ;<9=" 三相四线 *&., $&* >&* ?@>>*1?-* ?@$&.93" %&A 计量功能 分时计量正(反向有功电能!正(反向及四象限无 功电能#分别计量总计及四个费率的正(反向有功最大 需量以及最大需量出现时间!并可根据编程所设置的 清需量日把最大需量及最大需量出现时间结算为本月 数据及上月数据B最大需量计量为滑差步进式!积分时 间为 $C3*DEF可设置!滑差时间可在 $C3*DEF之间 任意设置# %&G 实时数据采集 可以采集瞬时分相电压(分相电流B功率因数(分 相功率因数等数据!并在大屏幕 0H/上显示# %&I 多费率功能 产品设计为四种费率!全年最大可设 $)个时区! $?个公共假日!周休日可在一周中任意设置!每一时 区(公共假日或周休日可对应任意一个时段表号!产品 最大可设置 -个时段表号!每一时段表号最大可切换 $*次费率9即尖峰(峰(平(谷分别对应为 $(>(?()"B此 部分完全兼容电力行业标准7/0123).J$556多功能 电能表通信规约8!参数可通过 +,)-.通信接口设置 及读出!也可在电能表上通过按钮切换液晶显示读到B 电能表能进行年(闰年(月(日(时(分(秒(星期的自动 转换!显示实时的年(月(日(时(分(秒(星期!时段切换 小于 *K$L!电能表的时钟可通过编程随时调校# %&% 记录负荷或负荷监控功能 能够记录M各相电压B电流及频率B各相有功(无功 方向B各相及总有无功瞬时功率B功率因数B电能总量B 正反向有功总B正(反相无功总B四象限无功总量B当前 有功需量#当某一费率段的用电负荷超过该费率段规 定的功率限额9可通过编程设置"时!电能表也会根据 设置的用户级别自动发出报警及跳闸信号!当用电负 荷降下来以后!电能表会自动解除报警跳闸信号B另外 还可通过电能表的 +,)-.通信接口远程人工发出报 警(跳闸信号及解除报警(跳闸信号# %&N 事件记录功能 总计及分相记录总失压时间!失压起始时刻及失 压恢复时刻等与失压有关的数据#并能记录事件发生 的次数及最近十次发生的时刻# %&O 停电抄表功能 在停电的情况下!可通过红外照射或摁住按键!实 现停电抄表#在停电抄表工作方式下!可以通过按键切 换显示!红外通讯正常工作!+,)-.通讯方式禁用P %&Q 全失压记时功能 当电能表处于三相失压状态下9相当于断电"!记 录各相有电流时间# %&R 电压合格率记录功能 通过编程可设置电压考核范围上(下限及电压合 格范围上(下限!电能表在运行中根据设置值分别记录 电网各相电压合格的运行时间及超过上限或低于下限 的时间B并且可后台结算成本月电压合格率及上月电 压合格率# %&’S 结算功能 结算分电量结算(最大需量(电压合格率结算三 种B电量结算又分为正向有(无功结算与反向有(无功 结算!结算日期可设每月 $C>-号自动结算并可保存 $>个月数据B最大需量结算也分为正向最大需量及出 现时间结算与反向最大需量及出现时间结算!可分为 自动结算与手动结算两种方式#电压合格率结算可通 过结算日自动结转或通过发命令方式结转!并保存 $> 个月9次"数据#电能表进行清需量和清其它数据时!所 有的设置参数不会清除!事件记录不会清除!只能根据 事件发生时序进行十次有效保留# %&’’ 显示功能 电能表液晶在平时处于循环显示状态!共可循环 显示 3>项9可设"!可通过编程选取其中所需的项目进 行循环显示B另外可操作按键显示近 $**项数据# %&’A 脉冲输出功能 产品有二种脉冲输出方式#一为电能表面板上的 发光管!此脉冲接口主要用于脉冲指示及非接触式验 9下转第 >5.页" 5->第 -期增刊 电子式三相多功能电能表设计 万方数据 ! 抗干扰设计 由于这种大功率开关电源多用于野外作业"供电 环境较为恶劣#大功率开关的通断"电网上会出现尖峰 脉冲"这种尖峰脉冲经交流电源窜入计算机"常使计算 机程序跑飞"出现莫名其妙的故障"使系统处于瘫痪状 态#此外"还由于开关电源会发出电干扰和磁干扰"信 号线与电源线彼此感应产生干扰"会使信号发生误差" 甚至会使信号完全淹没等#尤其在 $%&和 &%$转换 电路中要特别注意地线的正确连接"否则干扰会很严 重"$%&中输出的参考电压偏差非常大"导致开关电 源实际输出的电压值出现严重偏差"$%&芯片提供了 独立的数字地和模拟地"但数字地和模拟地必须连在 一点上"在其他的电路中不能再有公共点"还有供电电 源电压两端可以采用钽电容滤波"并且尽量靠近芯片# 具体的测试结果如表 ’(表 )所示# 表 * 未采用抗干扰措施时的电压值 + 设定值 ), )- ., ./ -, 实际值 ’01- ))1/ )21- .,1/ ./1/ 表 3 采取抗干扰措施时的电压值 + 设定值 ), )- ., ./ -, 实际值 ),1) ).14 )51/ ./1. .510 芯片的选择上"考虑尽可能采用较小的芯片封装" 优先采用抗干扰性能较好的串口通讯的外围元件"同 时减少外围元件"使电路板布线简单"稳定性提高# 电源设计方面采用开关电源"并且要与被控制的 开关电源相互独立")),+输入之前加 678滤波器"可 以很好的抑制输入端的瞬态干扰# 9 结 论 该智能控制系统经过测试表明"性能稳定"程序强 健"能适应恶劣的工作环境"人机对话直观方便"同时 该设备还具有温度补偿:数据存储(打印功能"并提供 条形码读入功能"整体设计轻巧"美观"是燃气(供水( 埋地输送聚乙烯管道及化工原料液体输送(污水处理 等聚丙烯(天然气管道工(工程维修(路桥建设等野外 无电源焊接作业的理想控制系统# 参考文献 ’ 张培仁"等;基于 <语言编程的 7<=>/’单片机原理与 应用;北京?清华大学出版社"),,); ) @046/44ABCDECFGHFHIDGHJJKG;LKM&);’550; . 金晓军"等;微机控制的聚乙烯管道电熔焊机设计;焊接" ),,)"5?’)N’/; - 王幸之"等;单片机应用系统抗干扰技术;北京?北京航空 航天大学出版社 OOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOO "’555; P上接第 )45页Q 表:二为辅助端子上的脉冲输出"此脉冲接口主要用于 向负荷控制终端PLRSQ(脉冲式集中抄表器提供正( 反向有功电能脉冲及正(反向无功电能脉冲# 9;*T UV!W9串口通信功能 L=-4/串口通信功能用于参数设置和数据抄表" 电能表所有的参数及数据均可通过此接口设置及读 出# X 结 论 三相多功能电能表已在实际中通过测试"其功能 齐全(计量准确(灵敏度高(性能稳定"相信在不久的将 来可以投入到实际应用中"具有良好的推广前景# 参考文献 ’ 苏凯"刘庆国"陈国平;7<=>/’系列单片机系统原理与 设计;北京?冶金工业出版社"),,.; ) 房小翠;单片微型计算机与机电接口技术;北京?国防工 业出版社"),,); . 廉小亲"吴叶兰;三相电网多功能测试仪的开发;冶金自 动化增刊"),,-P)4Q?),2N),5; /5)第 4期增刊 新型电熔焊机智能控制系统的研制 万方数据 电子式三相多功能电能表设计 作者： 廉小亲， 白莉萍， 金亮， Lian Xiaoqin， Bai Liping， Jin Liang 作者单位： 廉小亲,金亮,Lian Xiaoqin,Jin Liang(北京工商大学信息工程学院,北京,100037)， 白 莉萍,Bai Liping(北京富根智能电表有限公司,北京,102300) 刊名： 仪器仪表学报 英文刊名： CHINESE JOURNAL OF SCIENTIFIC INSTRUMENT 年，卷(期)： 2005,26(8) 被引用次数： 7次 参考文献(3条) 1.廉小亲;吴叶兰 三相电网多功能测试仪的开发[期刊论文]-冶金自动化 2004(zk) 2.房小翠 单片微型计算机与机电接口技术 2002 3.苏凯;刘庆国;陈国平 MCS-51系列单片机系统原理与设计 2003 引证文献(7条) 1.贺静丹.滕召胜.温和.周良璋 单相多功能电能表设计[期刊论文]-电子测量与仪器学报 2011(1) 2.孙磊.李平舟.崔娟 基于LP2132芯片的备自投测控单元的硬件设计[期刊论文]-电子科技 2010(1) 3.沈显庆.周宝国 基于时分割乘法器的单相电子式多功能电能表设计[期刊论文]-工业仪表与自动化装置 2010(4) 4.邓志凌.杨卫红 基于任意周期电压电流无功功率定义的新型多功能电能表[期刊论文]-科技创业月刊 2009(10) 5.杨步明.滕召胜.曾博 基于单芯片架构的三相电子式电能表设计[期刊论文]-计算机测量与控制 2009(10) 6.刘鹏.滕召胜.周良璋 基于71M6513的三相多功能电能表设计[期刊论文]-测控技术 2008(11) 7.王翠青 电子式多功能电能表功能板的设计与实现[学位论文]硕士 2005 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_yqyb200508509.aspx