（系统工程专业论文）自动抄表系统的三相组合电能表的研究.pdf

摘要 传统的抄表系统对用户用电量的统计采用的是人工抄表法，存在很多弊端，不仅要 花费大量人力和财力，而且容易引起供电管理部门和用户的冲突。为了解决这些问题， 市面上涌现出了各种各样的自动抄表系统。而电子式电能表则是自动抄表系统的核心技 术部分。因此，本文着重对全电子式组合电能表进行了详细研究和探讨。现在市面上有 各种各样的电子式电能表，但是仍存在测量不准确、误差过大和抗干扰能力差等问题。 本文针对这些测量问题，与电能表检定装置相结合，采用了数字方式修调计量误差，同 时使用多种抗干扰措懑，可以有效防止错误计数。本论文所研究的组合电能表针对现有 电子式电能表的不足，提出了较新的设计方案，可以有效地改变传统的生产操作方式， 实现管理现代化和抄表过程的自动化。 本论文主要关注于电子式组合电能表的测量部分、m c u 控制部分、通信部分、电 源部分和显示部分等内容，进行了详细的设计和探讨。设计方案克服了以往的电子式安 装电能表测量中不准确和误差过大的问题，同时将无功电能的计量糖度提升至与有功部 分相同的档次。 本论文研究开发了三相全电子式组合电能表硬件电路和相应软件，分析了三相组合 电能表的功能需求，进行了可行性分析，设计了硬件接口电路。设计中以$ 3 c 8 2 4 9 单片 机为核心，采用新型电能计量专用芯片a d e 7 7 5 8 进行接口设计，介绍了该款芯片的主 要特点，并以此为基础研究设计了软件修调误差的方案，并将其具体实现，此方法与传 统的使用电阻网络修调误差相比较，简化了硬件电路和操作过程，节省了成本，提高了 电能表的抗干扰能力和测量精度。 关键词 自动抄表系统；单片机；三相电子式组合电能表；r s 4 8 5 接1 ：3 ；电表常数 兰堕堡三查兰塑主兰竺兰兰 a b s t r a c t i nt h et r a d i t i o n a ls y s t e mm e t e rr e a d i n gi sc a r r i e do u tm a n u a l l ys oi th a sm a n y d e f i c i e n c i e s i tc o s t st o om u c hm a n p o w e ra n df i n a n c i a la f f a i r sa n dm a k e st h ec o n f l i c tb e t w e e n t h ee l e c t r i cp o w e rs u p p l yd e p a r t m e n ta n dt h eu s e r so c c u ro f t e n i no r d e rt os o l v ea l lt h e s e p r o b l e m st h e r ea r em a n yk i n d so fa m r s ( a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n gs y s t e m 、c o m i n go u ti n t h em a r k e t t h et e c h n i c a lc o r eo fa m r si st h et e c h n i co fi n t e l l i g e n te l e c t r o n i cm e t e r t h i s p a p e rd i s c u s s e st h ed e s i g no ft h et h r e ep h a s e se l e c t r o n i cm e t e r a c t u a l l ya l lk i n d so f i n t e l l i g e n te l e c t r o n i cm e t e r sc a nb ef o u n di nm a r k e t b u tm o s to ft h e mh a v eal o to fd e f e c t s s u c ha sl o wp r e c i s i o n ，i n s m b i l i t y i no r d e rt oo v e r c o m et h ed e f e c t so ft h ee l e c t r o n i cm e t e r s a l r e a d ye x i s t t h et h i n ep h a s e se l e c t r o n i cm e t e rr e s e a r c h e di nt h i sp a p e ru s e st h es o f t w a r et o c a l i b r a t et h ee r r o ra n dn 妇ss e v e r a lp r o g r e s s e st or e s i s tt h ed i s t u r b i n gi nt h ee n v i r o n m e n t a n di tc a l lc h a n g et h ew a yo fr e a d i n gm e t e ra n dc h a r g i n go fw a t e rt h o r o u g h l yt oi n a k et h e m a n a g e m e n tm o d e ma n dm a k et h em e t e rr e a d i n gs y s t e mb e c o m ea u t o m a t i ci n d e e d t h i sp a p e ri n t r o d u c e sa n dd i s c u s s e si nd e t a i lt h ed e s i g no ft h em e a s u r e m e n tp a r t ，t h e m i c r o c o n t r o lu n i kt h ec o m m u n i c a t i o np a r t ，t h ep o w e rs u p p l yp a r ta n dt h ed i s p l a yp a r to ft h e t h r e ep h a s e se l e c t r o n i cc o m p o u n d i n gm e t e r t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ed e s i g no ft h et h r e ep h a s e se l e c t r o n i cm e t e rn o to n l yi nt h e h a r d w a r eb u ta l s oi nt h es o f t w a r ea n di n v e s t i g a t e si t sr e q u i r e m e n ti nt h ef u n c t i o n ，a tt h es a n l e t i m ew ec a l t yo nt h ef e a s i b i l i t ya n a l y s eo ft h i s p r o j e c t i nt h ed e s i g nw ec h o o s et h e s i n g l e b o a r dm i c r o c o n t r o lu n i t $ 3 c 8 2 4 9a st h ew h o l es y s t e mc o r ea n dc h o o s ean e wp o w e r m e a s u r e m e n ti ca d e 7 7 5 8t om a k eu pt h em e a s u r e m e n tm o d u l e a tf i r s tw ei n t r o d u c et h i s i c sc h a r a c t e r i s t i c st h e nw ed i s c u s st h ed e t a i l so ft h ed e s i g n a tl a s tw ea c c o m p l i s hi t t h e r e s u l to ft h et e s tp r o v e st h a tt h eo b j e c to ft h ep r o j e c ti sf e a s i b i l i t y t r a d i t i o n a l l yp e o p l eu s et h e r e s i s t a n c en e t w o r kt oa d j u s tt h ee l l o rb u tt h i sd e s i g nu s et h es o f t w a r e a sar e s u l tt h ec i r c u i t b e c o m e sb r i e f n e s sa n dt h eo p e r a t i o nb e c o m e sm o r es i m p l e n e s s a tt h es a m et i m et h ec o s ti s r e d u c e d o nt h eo t h e rh a n dt h em e a s u r e m e n tp r e c i s i o na n dt h ew h o l es y s t e m sp e r f o r m a n c e a t ea d v a n c e d k e y w o r d ：a m r s ；t h em i c r o c o n t r o n lu n i t ；t h et h r e ep h a s e se l e c t r o n i cc o m p o u n d i n gm e t e r ； r s - 4 8 5i n t e r f a c e ；t h em e t e rc o n s t a n t i l 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者躲析穆 日期：如诉办 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：析篪 导师签名：刁 疆凝：妒睡6 窍；b 日期：旷年石肜日 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 电能具有许多优点，如何简便地转变成其他形式地电能、输送方便、易于集中和分 配等。此外，许多生产部门用电力装置进行控制，容易实现自动化和远动化，是提高产 品质量和经济效益的重要途径。所以，电力己成为工农业生产不可缺少的动力，并广泛 地应用到一切生产部门和日常生活领域。因此整个国民经济的发展，都与电力工业的发 展有着密切的关系。 为了更好地理解电能计量在电力系统中的地位和作用，首先介绍一下我国电力工业 的发展概况和电力系统的基本概念。 建国以来，我国电力工业发展迅速。据统计，1 9 6 0 1 9 8 0 年，我国发电量平均年净 增长速度超过1 2 ，1 9 8 0 2 0 0 5 年，我国发电量平均年增长速度为8 ，到1 9 9 6 年底， 我国装机容量和发电量已居世界第二位。据电力部门预测，2 0 0 5 2 0 1 _ o 年我国发电量年 增长平均速度达8 ，2 0 l o 2 0 2 0 年发电量年增长平均速度为6 。1 9 9 0 2 0 0 4 年，世 界电力年平均发展速度为3 5 ，据国际专家预测，2 0 0 5 2 0 2 0 年为2 4 。因此，中国 电力从现在到2 0 2 0 年是超常发展，其建设规模与建设速度在世界电力建设史上是空前 的。 目前国内总发电量中约7 被发电厂自用电消耗( 火电约8 ，水电约o 5 ) ，另 有约9 的电量在电力输配过程中消耗于输配电线路( 又称线损) 。在电力发展初期，用 电主要是生活和商业，随着工业进步，工业用电大增，再随着劳动生产率和居民生活水 平的提高，居民生活及第三产业用电上升，目前我国是工业用电和生活用电双增长。 电能表用户大致分为三类：第一类是电力系统用户；第二类是分销商代表的用户； 第三类是单位用户。电力系统用户是最重要的用户，在市场经济下，电力作为商品必须 公正计量，电能表是电力销售的法定计量工具。电力部门对电能计量主要管理工作是： 配置、检验、文档管理。 在电能的生产、输送和使用过程中，对于电能、电流、电压、功率因数、功率、频 率等电量参数的准确计量至关重要。这不仅直接关系到电力生产的安全性和稳定性，而 且关系到电能这种商品的生产者、管理者和消费者的切身经济利益。在强大的市场需求 背景下，各种电能计量产品应运而生，它直接反映电能的生产和消费状况。由于电能计 量具有重要的意义，巨大的市场需求推动了电能计量仪表的推广与普及。 为了有效的解决昼夜峰谷差大的用电计量问题，产生了s 级电流互感器。s 级c t ( 电流互感器) 是一种配合标定电流为1 5 a ，过载4 倍的有功电能表使用的新产品，它 在一次额定电流变化为( 1 1 2 0 ) ( 5 0 m a 6 a ) 范围内都能正确计量( 非s 级范围 华南理工大学硕士学位论文 为5 - - 1 2 0 ) 。另有关口表用于省级电力局对发电、供电单位及各省电网之间进行电能 考核及结算。由于关口表计量的重要性，且数量相对少，国内很多省局均采用进口的0 5 级以上多功能电能表。 国内1 l o k v 以上高压电网及3 8 0 v 2 2 0 v 低压配电网，采取中性点直接接地方式运 行。低压网直接采用三相四线制供电；高压输电采用三报电线，以大地为中性点方式， 因此也是三相四线制。电力部门规定对中性点直接接地的系统电能计量要用三相四线三 元件电能表。但目前国内l l o k v 以上线路现场有相当数量采用原来安装的三相三线表， 当三相不平衡时会产生很大的计量误差。国内3 5 k v 和l o k v 配电网都采用中性点非直 接接地方式运行，采用三相三线方式供电。电力部门规定对中性点非直接接地系统，要 采用三相三线两元件电能表计量。 1 2 电子式电能表的产生和发展 电能表作为一种计量电能的仪表，出现在世界上已有1 0 0 多年的历史。1 9 世纪末， 随着电的出现和电灯的发明，科学家们就面临着如何提供象出售商品一样，能够出售计 量电能多少的工具。1 8 8 1 年他们利用电解原理研制成功最早的电能表，尽管这种电能表 每只重达几十千克，十分笨重，又无精度的保证，但是，这在当时仍然被作为科技界的 一项重大发明，受到人们的重视和赞扬，并很快地在工程上得到了采用。1 8 8 8 年，三项 交流电的出现和应用，又对电能的计量仪表提出了新的课题，从而推动了电能表的进一 步发展。经过科学家们的努力。1 8 9 0 年诞生了感应式电能表。在以后的几十年中，主要 对感应式电能表的结构和性能不断使其合理、完善。由于感应式电能表具有结构简单、 操作安全、维修方便、造价低廉、耐用等一系列优点，所以发展很快。电子式电能表诞 生于2 0 世纪4 0 年代，由欧洲的公司制造。它的涎生也是得益于电子技术的发展，所谓 电子式电能表是以微电子电路为基础来完成电能计量的一种电能表，因为它没有转盘， 为了有剐于以电磁感应为基础来完成电能计量的感应式电能表而得名。在2 0 世纪9 0 年 代，电子技术迅速发展，电子式电能表也取得飞跃的发展，无论是高档、高精度三相表， 还是低档、低精度单相表都有大是的、性能优越的电子式电能表产品。电子式电能表在 技术上从模拟乘法器到数字乘法器，性能越来越好，而价格越来越低，大规模批量生产 工艺也开始成熟，已经形成一个非常有活力，欣欣向荣的产业。 1 3 电子式电能表介绍 电子式电能表其测量部分完全由电子元器件构成，而且内部时钟部分、电源部分、 2 第一章绪论 显示部分等均由电子元器件构成。电子式电能表由于其构成不同于机械电能表而得名。 由于其内部没有可转动部分也称为静止式电能表。它突出的优点是由于内部无机械摩擦 而准确度高，灵敏度高，易于实现自动化计量，可实现遥测控制，实现数据自动分析统 计，计量中可有效排除人为因素干扰，功能多，数据可存储，便于无纸化抄核收作业， 便于远程集中抄表。 电子式电能表分类方法很多，所站的角度不同，分类方法也不同，通常有以下几种。 ( 1 ) 按规格分类：单相电子式电能表、三相电子式电能表，经互感器接入式电子 式电能表、直接接入式电子式电能表等。 ( 2 ) 按功能分类：有功电子式电能表、无功电子式电能表、有功复费率电子式电 能表、最大需量电子式电能表、多功能电子式电熊表、有功无功电子式组合电能表等。 ( 3 ) 按原理分类：模拟乘法器电能表、数字乘法器电能表等。 电子式电能表通常由以下几个部分构成：测量部分、电源部分、显示部分、管理部 分、接口部分、外壳及接线端子。以下简单介绍其功能。 ( 1 ) 测量部分：它接受交流电压、电流信号，将其运算后得到相乘的电功率，电 子式电能表的精度和稳定性等主要性能就由此部件决定。它是电子式电能表的心脏，一 般由模拟乘法器、数字乘法器或a d 模拟数转换加高速微处理器构成。 ( 2 ) 电源部分：将输入的交流电压整流、降压、滤波后得到直流5 v 、1 2 v 等电压 等级的电压，供给其他电路。电源部分非常重要，它是电子式电能表工作的动力源，一 般由线性或开关稳压电路构成。 ( 3 ) 显示部分：将电能量和其他信息显示出来。一般有数码管l e d 、液晶显示器 l c d 以及机械计度器三种方式。其中高档电子式电能表由于功能较多，需要显示多项数 据，一般用液晶显示器，而单相电子式电能表大多使用简单直观的机械计度器。 ( 4 ) 管理部分：接受测量部件输出的电功率信号，计算出各种所需的电量：如多 费率电量、最需电量等，并且管理最示、时钟、通信端口、数据存储器等部件。一般由 单片机或嵌入式计算机构成其核心。它是电子式电能表的大脑，指挥其他部分完成工作。 ( 5 ) 接口部分：一般有电能脉冲接口，用于电能表校验。有数字通信接口，用于 与其他设备进行数据交换、抄表、设置表计参数等，常用的有：远红外数字通信接口、 r s 一4 8 5 通信接口、i c 卡读写接口等。有按键输入电路，用于接受按键信号，进行显示 切换等动作。 ( 6 ) 外壳和接线端子：外部电压、电流接入端子。 电力市场的发展对电能计量提出了新的要求。例如，需量电价和分时电价实施范围 的扩大；电厂竞价上网要求计量0 5 或1 小时时段电量实旌实时电价并有扩大到用户的 趋势；电能质量监控和无功计量也已提上日程；预付费、网上处理电费、接电和断电等 多种电子商务的发展，以及自动抄表( a m r ) 功能用于结算和监视表计的实施等等。这 些不断发展的新要求是已使用了上百年的传统感应式电能表和原有管理模式难以满足 华南理工大学硕士学位论文 的，因而促进了电能计量从技术、设备到运营组织方式的巨大改革和发展。本款方案的 实施侧重于电能计量自动抄表系统中的前端采集子系统，即电子式电能表。考虑到生产 过程的自动化，实现了数字修调误差( 软修调) ，与以往使用硬件校准误差的方式相比， 精度更高，误差更稳定，生产成本得到降低。同时大大提升了无功电能计量的准确度， 鉴于目前国内电力行业关于无功计量的标准只有2 级标准，而本论文研究的电能表无功 电能的计量实际精度远远高于国家标准，因此文中所涉及到的关于无功计量部分的标准 均参照有功1 级表标准进行。 l 。4 研究课题的来源及指标要求 本课题来源是基于和深圳思达仪表有限公司合作的项目，目前市场对于三相电子式 组合式电能表的需求增大，项目来自宁夏电力公司的招标合同，在本次开发启动之前已 经就本方案进行了前期的设计应用。该组合式电能表的主要技术参数如下： 1 适用范围 适用于三相电子式交流电能表，通过r s 一4 8 5 远程读取数据，单费率。分为5 1 0 a 和5 0 1 0 0 a 两个型号，额定电压均为3 x 2 2 0 3 8 0 v ，其中型号i ( 5 到1 0 a 量程) 使用 电流互感器。 2 生产和实验标准 组合式电能表应能满足i e c l 0 3 6 ：l 级静止式交流有功电能表和i e c l 2 6 8 ：2 级静止 式交流无功电能表的要求。 3 技术数据要求 型号：三单元，三相四线，y 型接地电表。 计量线路：电子式，不带有任何机械计量线路。 精度要求：计量有功电能满足1 0 级表要求，计量无功电能满足2 0 级表要求。对 于量程为5 0 1 0 0 a 的电能表在电流值超过最大电流1 0 0 a 在1 0 0 2 0 0 a ，电压为2 2 0 v 或者3 8 0 v 时，电表应不损坏，能正常计量且允许的误差不超过l ，电表应被设计成 p c b 板带有一个按钮，按动按钮使累计有功电量和累计无功电量清零。 标定电流：型号1 为，= 5 a ，型号2 为j 。= 5 0 a 最大电流：型号1 为k = 1 0 a 翌- j 号2 为，雌= 1 0 0 a 最小启动负载：功率因数为l 时，在电流为2 l 的情况下，电能表应该能正常启 动。 短时间承受电流：对于5 1 0 a 的电能表在o ，5 秒的时间内能承受2 0 0 a 的短时过电 流，对于5 0 1 0 0 a 的电能表在0 0 1 秒的时间内能承受3 0 0 0 a 的短时过电流。 电压：相线相对中线的参比电压( u 。) ：2 2 0 v ，相线相对于中线的运行电压范围： 4 第一章绪论 0 8 u 。至1 1 5 u 参比频率：5 0 h z 0 5 h z 功耗：在电压回路中的有功和视在功率在u 。时不超过2 w 和1 0 v a ，在额定电流，。 下电流回路的视在功率不超过4 v a 。 潜动：当有电压而电流线路中无电流时，电能表的测试输出不能超过一个脉冲( 符 合i e c l 0 3 6 ：1 9 9 6 2 0 0 0 中4 6 4 2 条款) 。 电磁兼容：电能表应该设计成不被电磁传导或辐射干扰和不被静电损坏或逐渐影 响。电能表不能产生传导或干扰其他设备的噪音辐射( 符合i e c l 0 3 6 ：1 9 9 6 2 0 0 0 中4 5 条款) 。 显示：液晶自动轮显累计有功电量、累计无功电量、瞬时电流、瞬时电压和瞬时功 率，同时l c d 显示的累计用电量和通过r s - 4 8 5 读取的累计用电量之差不得超过一个单 位( k w h ) 。电能表应有一个l e d 警示电能表运转状态，并检查电能表测试。 兰重型三查兰塑圭兰垒丝兰 2 1 测量原理 为 第二章电子式电能表设计原理 按照正弦规律周期性变化的电压或电流，称为正弦交流电。设三相正弦电压、电流 n 。( t ) = u m s i n a t u b ( t ) = 【，s i n ( a x - 1 2 0 ) ( t ) = u ，s i i l ( 甜一2 4 仃) = u ，s i n ( a x + 1 2 0 6 ) f 0 ( f ) = ，。s i n ( r a t 一纯) ( f ) = ，s i n ( o x - 1 2 0 。一张) t ( f ) = j ，s i n ( a x 一2 4 0 6 一鲠) = u ，s i n ( a x + 1 2 0 。- 织) ( 2 一1 ) ( 2 2 ) 式中，矿( 钇，纯，彼) 是阻抗角，随着负载的不同，伊可大可小可正可负。我们 已知任意二端网络的瞬时功率为： p = u i = u 。s i n 甜l ms i n ( a x 一妒) = u i c o s , p u i c o s ( 2 r a 一妒) ( 2 - - 3 ) 功率可正可负，当“或i 为零时，瞬时功率p = 0 。当“，f 同时为正或负时，p 0 ， 表示电源向负载输入功率，即负载吸收功率。当u ，i 瞬时极性相反时，p 0 时， 表示电源供给负载能量，电抗储能；当p 。 0 时，表示负载把能量回送给电源。电抗上 的瞬时功率有正有负，其平均值为零，表示动态交换能量为零，不消耗能量。其振幅大 小反映了与电源交换能量的程度。工程上把它定义为无功功率 q = u s i n 口 ( 2 7 ) 无功功率的正负受负载角( s i n 妒) 的影响：当讲为正时，若电流落后于电压，则妒 为正；反之则为负。同样，三相电路的无功功率等于各相无功功率之和，即 q = q + q + q = u 。l as i n + 厶s i n p b + 虬ts i n 僻 ( 2 8 ) 电压、电流的有效值直接相乘时，表示电路里可吸收( 消耗) 的最大功率，也是电 源( 如发电机) 可供给的最大功率。各种电机、电器设备的容量就是由它们的额定电压 和额定电流( 均指有效值) 的乘积来决定的。为此引进了视在功率的概念，用大写字母 s 来表示，其定义为 s = u ( 2 9 ) 显然，视在功率、有功功率和无功功率可组成功率三角形，有以下三角关系： p = s c o s 妒 ( 2 1 0 ) q = ss i n 舻( 2 - - 1 1 ) 有功功率的单位为瓦、千瓦，记为w 、k w ；无功功率的单位为乏、千乏，记为v a r 、 k v a r ；视在功率的单位为伏安，记为v a 2 2 工作原理 电能的基本表达式如式( 2 一1 2 ) 所示： e ( f ) 3j o p ( t ) d t 2jo “( t ) i ( t ) d t ( 2 一1 2 ) 式中“( f ) ，f ( f ) ，p ( t ) ，分别是瞬时电压、电流、功率值，所以测量电能的基本方法 是将电压电流相乘，然后在时间上再累加( 即积分) 起来。为了便于自动化测量，都将功 率转换成脉冲频率输出。就是说，被测电压、电流接入电子式电能表之后，电能表能够 输出一个电能计量标准脉冲厶( 或矗) ，这也是电子式电能表有别于感应式电能表的一 个重要标志。在额定电压、电流输入下，即输入功率一定时，矗( 或左) 也是个固定数 值。当输入的电流或者电压任一个改变时厶也跟着改变，厶正比于输入功率。这是设 计电子式电能表的一个重要参数，也是电子式电能表的最基本工作原理。有了这个依据， 我们就可以利用电子式电能表来测功率和电能。由此可知，对于电子式电能表来说，测 功率就是测频率。溅频率，就是在单位时间内对脉冲进行计数。例如1 秒内所计的脉冲 数就是频率。若要测量电能，可以根据电子式电能表的基本原理求出每个脉冲所代表的 电能值，既脉冲当量，如式( 2 - - 1 3 ) 所示： d e = 华( 2 - 1 3 ) jh 这样，若在一定时间内对脉冲进行计数，即可测得电能值。由此可见，电子式电能 表的另一个特点是，同一块电能表既可测功率，又可测电能，并且都是对标准脉冲进行 计数，只是一个是在单位时间( 例如i s ) 内计数，一个是在一定时间内技术( 例如1 0 s ， 1 天，1 年) 内计数。 根据电能表基本工作原理，电子式电能表的电表常数也可以求出，求电表常数时即 可用高频标准脉冲，h ，也可用低频标准脉冲，l 来表达。下面用高频标准脉冲 来表达 如式( 2 - - 1 4 ) 所示： c=矗=鬻(吆+一)(2-14u k wh ， n lq j ) u n ln ， 1 j 4 式中i m p 为脉冲数目。 此处需要说明的是，电子式电能表的电能计量标准高频脉冲厶和标准低频脉冲， 的关系是 矗：五 ( 2 1 5 ) 这里n 取整数，丘相当于厶又在h 个里面取平均值，所以，l 代表平均功率，常用作显 示计量脉冲，而矗则代表瞬时功率，常用作校验脉冲。 第二章电子式电能表设计原理 2 3 电路组成 为了能将被测电压、电流变为代表被测功率的标准脉冲，并显示所计量电能值，电 子式电能表一般由4 级组成，如图2 1 所示。其中乘法器和p f 变换器组成电能计量单 元电路。 2 3 1 输入级电路 图2 - 1 电子式电能表工作原理框图 f i g 2 1t h ep r i n c i p l eo f t h ee l e c t r o n i cm e t e r 电子式电能计量仪表中必定有电压和电流输入变换电路。电子器件本身都是非线性 的，在大信号工作时，由于器件截至和饱和，信号将被限幅，但在设定了适当的工作点 后，仅着眼于线性区内的小信号的话，则可以作为线性工作。因此电子式电能表首先要 将高电压和大电流转换为弱电小信号进行测量。输入电路的作用是，一方面将被测信号 按一定的比例转换为低电压、小电流输入到乘法器中，另一方面使乘法器和电网隔离， 减小干扰。 输入电流f 经输入电路变换成，。弱电信号，输入电压“经输入电路转换为u 、，弱电信 号。然后将u ；和u ，送到模拟乘法器进行运算，因此输入变换电路的变换精度直接影响 到电能计量的准确性。 电压输入电路常见的精密电阻分压输入方式的使用概率多于电压互感输入方式，而 电流输入电路有精密电阻分流器和电流互感器输入方式。也有电压输入电路采用取样电 阻和电流互感器串联，电流输入电路采用取样电阻和电压互感器并联的输入变换方式。 近年出现的全自动量程的输入方式也被应用于智能式电子标准电能标准表中。这类 电能表在测量开始时，输入电路总是位于电压高的和电流大的量程上限档，通过对电压、 电流测量的数据进行运算，c p u 根据计算机软件计算的结果，发出电压输入变换电路或 电流输入变化的程控码，切换到合适的输入量程档上。如同人工改换接线端或切换开关 9 一 兰重型三奎兰堡主兰竺丝主 改变测量档一样，使其置于合适的测量量程档上。 2 3 2 模拟乘法器电路 模拟乘法器是一种用于完成两个互不相关的模拟信号( 如输入电能表的连续变化的 电压和电流) 相乘功能的电子电路。通常具有两个输入端和一个输出端，是一个三端网 络。 理想的乘法器的输出特性方程式可用u ：( f ) = 足以( t ) x u ，( t ) 表示，即乘法器输出端 的瞬时电压u ：( t ) 仅与输入端的瞬间电压u ，( t ) 和u ，( t ) 的乘积成正比，而不含其他分 量。输入电压u ，( f ) 和u ，( f ) 可以是任意的，即波形的振幅大小、频率高低( 包括直流及 其极性) 都没有任何限制。式中茁是乘法器的增益，也可以简化为z = k x y ，如图2 2 所示。 x 中z y 图2 - 2 模拟乘法器符号 f i g 2 2m es i m u l a t i o nm u l t i p l i c a t i o ns i g n 实现两个输入模拟量相乘的方式有多种多样，乘法器是电子式功率电能表的核心部 分，并非每一种乘法器电路都能适合电子电能表，下面介绍了几种电能计量的几种常见 的乘法器。 2 3 2 1 霍尔效应乘法器 利用霍尔效应工作的一种半导体磁电器称为霍尔元件。当一个输入电流i 通过霍尔 元件；另一个输入量电压“也加至霍尔元件两端，使其在霍尔元件半导体片平面的法线 方向施加磁感应强度为b 的磁场，在垂直于电流和磁场的方向上( 元件输出端) 将产生 一个霍尔e g 压u ，使得“。= k b 。其中茁为比例常数，而曰正比于“，使得“。= 麒。m 。 实现两个输入量f 和4 的相乘。 霍尔效应乘法器是一个四象限乘法器，其相乘精度较高，可达o 5 左右。而建立 一个线性的电磁系统，要求磁场强度b 在很宽的范围内与加到线圈上的电压成正比，在 1 0 第二章电子式电能表设计原理 技术上很困难。另外，还由于产生磁场强度b 所需的电压振幅是随频率的提高而线性增 加的，因而乘法器工作频率的提高要求使用特殊的高压电路。目前，普通的霍尔效应乘 法器，其工作频率还受到很大限制，约低于1 0 k h z ，对于工频范围的功率测量目前采用 霍尔效应乘法器尚处在较低精度。 2 _ 3 2 2 时分割乘法器 时分割乘法器实际上是对两个同频率的电压输入量以一定间隔出进行分割，当缸 足够小时，在此小时间间隔内的输入电压可视为直流，乘法器在这个f 内做一次相乘， 然后取相乘结果的平均值，则此平均电压就代表了两个输入电压的乘积。也就是说在出 分割时间内，两个交变量的瞬问乘积可近似认为是两个直流小段分量的乘积。乘法器瞬 间相乘的过程是对其中一个输入量进行倒相，倒相后就有了一个正相电压和一个反相电 压，某瞬间取一定时间的正相电压构成方波正极性部分，其余时间取反相电压构成方波 的负极性部分，如果使正、负极性部分的宽度之差与另一输入量的大小成正比，则此正 负方波的平均值就与二输入的乘积成正比。这种瞬间相乘的过程就是对一个周期的具有 正负极性方波脉冲的调制过程，即用输入量之一去调制正、负方波的相对宽度，用另一 输入量去调制其幅度的过程。 图2 - 3 调制方波图 f i g 2 3t h em o d u l a t es q u a r ep u l s e 图2 3 所示为一在相乘过程中受到调制的方波，丁是方波周期，也就是前述的r ， 正极性部分的宽度为王，幅度为+ 口，负极性部分的宽度为兀，幅度为一a 。设输入二电 压之一为x ；另一个电压为y 。x 用来调宽，即改变、瓦的大小使其与五一l 成正比， y 用来调幅，也就是方波的幅度+ 口与一a 由y 给定，可用下面的公式表示 墨一 ? 墨上( 2 - - 1 6 ) 【n = 卜口i = k ：y 墨、k 2 是比例系数，该方波的平均值a a = 口( 7 ：一艺) = k i k 2 x y ，所以日正比于x 和y 的 华南理工大学硕士学位论文 乘积。 具体实现电路如下所示： ( a ) i 兰弧么垒一 汐 _ _ 一 一 遗 = 一- o jj z ( b ) 图2 4 时分割乘法器原理图 f i g 2 4t h ep d n e i p l eo ft h et i m i n gd i v i s i o nm u l t i p l i c a t i o ns i g n 时分割乘法器通过三角波振荡器产生的三角波电压“。和输入被测电压y 相加，然后 通过比较器获得方波控制电压“：。图2 - 4 ( b ) 是波形图。“：的工作周期r 取决于y 的大 小和极性，有下式成立： 五2 蛩r 旷忉 z ：兰出丁 2 u 。 这个方波电压控制一个电子开关，当开关“断开”时，放大器a 输出岣= + ；当开 第二章电子式电能表设计原理 关“接通”时， 输出，= - - x 。由于“，的工作周期与y 成正比，而幅值是工，因此所 得到的平均值与乘积捌成正比。若设低通滤波器的电压传输系数为l ，则输出电压为 z ：坞：掣石一掣工：土柳 ( 2 1 8 ) 2 “sz “g“月 采用时分割原理构成的模拟乘法器可由完全不同的电路形成，具有各自的优缺点， 但是三角波幅值的对称性、幅度的稳定性、三角波的频率稳定性均是乘法器准确度指标 的主要因素。时分割乘法器因具有精度高、相应块、功率因素变化范围宽的特点，广泛 地用于电子式电能表的功率变换单元。输入信号从直流到6 5 h z 交流工频时，具有0 0 2 - - 0 0 1 精度。 由于放大器a 2 的输出电压辐度在a 之间变化，运算放大器的转换速率限制了工作 频率的提高。因此时分割乘法器只使用于低频工作。例如输入信号为i k h z 时可有0 1 精度，输入信号为1 0 k h z 时只有0 2 精度。 2 3 2 5 三角波平均乘法器 三角波平均乘法器与电子电能表模拟乘法器应用最广泛的时分割乘法器有着部分 相同的原理。 三角波平均乘法器是由三角波振荡器、加法器、整流器和低通滤波器组成。图2 - 5 ( b ) 是被测量j ，y 均为宜流情况下的波形图。三角波电压“。和输入电压j 与y 分别通过两 个加法器，得到两个输出： 而后把u 。加到整流器上，只保留它的正值部分6 ，再由低通滤波器取出平均分量 置= 亭f q ( r 冲= 去( 鼻+ y + ) 2 ( 2 - 2 0 ) 类似地，另一路输出电路最为 驴4 ( - x + y + u q ) 2 ( 2 2 1 ) 式中，l 为乘法器的增益。 4 “4 为了有效地滤出载波频率，低通滤波器的截止频率必须比三角波的基波频率低得 多，同时，由于提高三角波的频率会使三角波波形的线性变差，所以这种乘法器的工作 频率不能太高，通常在1 k h z 左右。这种乘法器的相乘精度主要决定于三角波的线性及 其最高点处的尖锐程度。 卿 l ， 口 、j、， y y + 一 b + 如蜥 i f i l 硪 ，r，、，l 华南理工大学硕士学位论文 加法器整流器 ( a ) 萨专全- 乒专冬 兽专箬导 ( b ) 图2 5 三角波平均乘法器原理框图 f i g 2 - 5t h e 州n c i p l eo ft h et r i g o n a tp u l s em e a nm u l t i p l i c a t i o n 2 3 3 数字乘法器电路 数字乘法器是将数字量进行相乘，首先将被测电压、电流的模拟量变为数字量，然 后进行相乘。实现数字相乘有两种方法： 1 ) 采用硬件乘法电路。硬件乘法电路是由移位寄存器、加法器和时序控制电路组 成，在时序电路控制下，根据每位乘数是“1 ”或是“0 ”，来决定是否累加被乘 数，每进行位运算后，需要将累加和( 即乘积) 右移一位。采用硬件乘法器 运算速度高，但需要提供硬件电路。 2 ) 采用软件乘法器。利用微控制器的乘法指令实现数字量相乘，这实际是利用一 系歹1 j 的累加和移位完成运算的，采用这种方法运算速度较漫，但可以节约硬件 资源。如果微控制器里面含有硬件乘法器，或者采用d s p 作控制运算器，运算 速度也是非常快的。 总之，采用数字乘法器来实现电能计量时，电路里面必须有a d 转换器，这是数字 乘法器和模拟乘法器的最根本的区别。数字乘法器的工作过程是，首先把被测电压、电 1 4 第二章电子式电能表设计原理 流同步采样，将连续信号变为离散的数字信号，然后实现数字相乘，功率可表示为 p = 万1 善n “( n ) f ( n ) ( 2 - - 2 2 ) 式中，“( ，2 ) 、f ( n ) 为电压、电流每次采样值，n 为一个周期内的采样点数。 2 3 4p f 变换器 要把乘法器输出的代表功率的信号变为标准的脉冲，并且用频率的高低来代表功率 的大小，乘法器后面需跟一级p f 变换电路，由它来把功率变为脉冲。不同的乘法器后 面应跟不同的p 玎变换器。铡如电流型时分割乘法器后跟u f 变换器，能把电压或电流信 号变为频率信号。而数字乘法器产生代表功率的数字量p ( d ) ，其后应跟d ，f 变换器， d ，f 变换器由计数器、比较器、控制器组成。计数器对固定时钟频率 计数，每当计数 到p ( d ) 值时，控制器就发出一个脉冲。数学表达式为 厶= 南( 2 - - 2 3 ) 此外，d ，f 变换器也可以由软件实现。 华南理工大学硕士学位论文 3 1 系统设计原理 第三章概要方案设计 三相电子式电能表一般都是由测量单元和数据处理单元等组成的。本组合式电能表 的系统设计原理如图3 1 所示 s p i 堡旦1 l 脉冲输出 - _ 。- _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - 一 j p f 赫埠器 番溃景晕 a m 拱摊 1分压器和分流器 i a 进i a 出i c 进 i c 出 图3 一l 系统设计原理图 f i g 3 1t h ep r i n c i p l eo ft h es y s t e md e s i g n 交流电压和电流分别经过分压器和分流器转换为小信号电压和电流，再送到电能计 量专用集成电路，经电能计量芯片中的模拟乘法器、p f 转换器、基准电源等，将电压 和电流信号转换成频率正比于用电功率的脉冲信号，单片机接收到脉冲后产生中断响 应，累加计数既可以计量用电功率，同时驱动液晶显示器以显示用电量，为保证数据的 可靠性，每两小时保存一次数据，r s - 4 8 5 通讯口采用扫描方式监测。 系统能适应的电表常数为1 6 0 0 i m p k w h ，电表常数的选择可通过软件编程设置实 1 6 第三章概要方案设计 现，系统采样部分按照电表常数m c 输出脉冲信号，m c u 接收脉冲并进行累加，当脉 冲数累加到m c 1 0 0 时，电能值增加0 0 1 度，在e e p r o m 中储存该值，并且能够按照 国家标准协议与上位机的抄表系统通讯。异步串口通讯拟采用扫描方式。 系统的供电电源部分采用开关电源模块实现，其相比于线性电源而言，工作电压的 范围更大，从而使得本系统能准确测量的电压值可达到5 0 0 v ，能有效的发挥本计量产 品的特点，因此本产品的适用范围更为广泛。 3 2 预定实现功能 三相电子式有功、无功组合表性能指标符合g t b1 7 2 1 5 2 0 0 2 和g t b1 7 8 8 2 1 9 9 9 标准，r s - 4 8 5 通信符合d l t6 1 4 1 9 9 7 多功能电能表通信规约。 3 2 1 电气性能 额定电压：3 2 2 0 v 1 3 8 0 v 、3 1 0 0 v 5 7 7 v 标定电流：3 1 5 ( 6 ) a 最大电流为6 a ，在1 5 i m a x 运行时，电能表不损坏