（电气工程专业论文）三相电子式多功能电能表的研究.pdf

a bs t r a c t w i t ht h ep r o g r e s so fr e c o n s t r u c t i o no ft h em u n i c i p a la n da g r i c u l t u r a le l e c t r i c p o w e rn e t w o r k sa sw e l la sr e v e n u e sa c c o r d i n g t or a t ep e r i o d sa n db i l l i n ga n dm e t e r i n g a u t o m a t i o no ft h ee l e c t r i c a lp o w e rs y s t e ma l o n gw i t ht h ef a c tt h a tm o r ea n d m o r eb i g c o n s u m e r sa p p e a r , d e m a n d sf o rt h r e ep h a s ee l e c t r o n i cm u l t i f u n c t i o nm e t e r sa r e g r o w i n g a tt h es a m et i m e ，r e l i a b l em e t e r sw i t hh i g ha c c u r a c y , l o wc o s t , a n d a d v a n t e dp e r f o r m a n c ea r ee s s e n t i a lf o rm a n u f a c t u r e r st og a i nac o m p e t i t i v ea d v a n t a g e a sm e t e r i n gt e c h n o l o g yd e v e l o p sa n dt h en u m b e ro fc o m p e t i n gm a n u f a c t u r e r s i n c r e a s e s t h ep a p e ra n a l y z e sd o m i n a n td e s i g ni d e a so fc o n t e m p o r a r yt h r e ep h a s es t a t i c m e t e r s ：e n e r g ym e a s u r e m e n tc h i p ，m c u ，a n dd s p , s u m m a r i z i n gt h e i r c u r r e n t s i t u a t i o n sa n dd e v e l o p m e n ta n di n v e s t i g a t i n gp r i n c i p l e sa n dl a t e s tt e c h n o l o g y b a s e d o nt h es w i t c h i n gp o w e rs u p p l y , e n e r g ym e a s u r e m e n tc h i pa n dm c u ，an e wt y p eo f t h r e ep h a s em e t e r s w i t ht h ef o l l o w i n gf e a t u r e si sp r o p o s e dm a k i n gu s eo fs t a t eo f t h e a r tc o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g i e ss u c h 嬲g p r sa n dc d m a ：g e n e r a lp u r p o s e m e a s u r e dv a l u e s ，f o u rq u a d r a n te n e r g yc a l c u l a t i o n ，m u l t i - r a t ee n e r g yc o m p u t a t i o n ， m a x i m u md e m a n d ，a b u n d a n tc o m m u n i c a t i o nm o d e s ，t a m p e re v e n t si n c l u d i n gp o w e r f a i l u r e 。p h a s ed i s c o n n e c t i o n ，v o l t a g em i s s i n g ，n ol o a d s ，c u r r e n td i s c o n n e c t i o n ，c u r r e n t a n dv o l t a g eu n b a l a n c e ，o v e rv o l t a g e ，u n d e rv o l t a g e ，p h a s es e q u e n c er e v e r s a l ，s o e ， a l a r m s ，s e l fd i a g n o s i s ，a n dn e wr e q u i r e m e n t ss u c h a st a m p e rp r o o fp r o v i s i o n s ， h a r m o n i cm e a s u r e m e n t s ，e t c b r e a k t h r o u g h sa r em a d ei nt h ep e r f o r m a n c et op r i c er a t i o ，a c c u r a c y , o v e r l o a d i n g c a p a c i t y , e m c ，c o m m u n i c a t i o n s ，e t c t h et e s tp r o v e st h a th a r d w a r ea n ds o r w a r eg e t a l o n gv e r yw e l la n dt h eo r i g i n a ld e s i g nt a r g e th a s b e e nf u l f i l l e d k e yw o r d s ：m u i t i f u n c t i o nm e t e r s ，c o m p u t a t i o n ，r e l i a b i l i t y , e m c 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 靴做储躲么少毒渺字嗍。7 年7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权基盗盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：导师签名： 欲吞始 签字嗍口_ 7 年f 月7 日 期：叼年月刁日 第一章绪论 1 1 研究背景和现状 第一章绪论 近几年，国内电力供应严重不足已经成为制约国民经济发展的瓶颈之一，如 何合理、有效地利用电力资源已经成为电力市场供需双方共同关注的焦点，而准 确高效地进行电能计量，更好的利用能源为广大人民服务，就需要精度更高、功 能更强的计量工具，因而集多参数测量、电能计量、分析、控制等功能的多功能 电能表正在应市场的需求而快速发展。 三相电子式多功能电能表主要用在大、中、小型工厂和车间、商厦宾馆、机 关、学校的配电室及乡、镇、村和城市住宅小区，几乎包括所有企、事业单位用 户和其他集体用户。目前，我国三相电能表现有挂表量约3 0 0 0 万台，且呈逐年 增长态势。按每年安装新型表、新增表和更换到期旧表约为三相表挂表总数的 1 0 - 1 5 来计算，三相电子式电能表的年均需求量约为3 0 0 4 5 0 万台。2 0 0 3 年， 国家发展改革委出台了关于运用价格杠杆调节电力供求促进合理用电有关问题 的通知，在保持电价总水平基本稳定的前提下，大力推行峰谷分时计电价，鼓 励用户合理移峰用电。同时，要求完善两部制电价制度，扩大多功能表应用范围。 此政策的出台，为多费率和多功能电能表带来了广阔的市场空间。当年，三相多 费率和多功能表产量达6 0 万台，2 0 0 4 年又同比增加3 0 。可以说，对多功能表 的需求是超常规性快速增长的n 射。 随着中国电力系统的电量计量自动化的推广以及大用户抄表的普及，当每套 电量计量自动化系统的实施或升级发生时，就会造就少者几千台多者数万台的高 压三相电子式多功能电能表的需求。当每套大用户抄表系统的实施，就会造就上 万台g p r s 或c d m a 通讯方式的低压三相电子式多功能电能表的需求。 我国在电能计量方面起步较晚，这主要受我国的电力发展进程影响。但进入 上世纪八十年，我国的电力发展进入高速期，特别是在上世纪末我国的装机容量 已达到世界前列。在我国的电力高速发展的过程中，电能计量技术也经过了以下 三个阶段发展。 第一阶段：2 0 世纪5 0 7 0 年代，基于电磁原理的交流感应式电能表。由于 其机械结构和电磁结构的不稳定性和复杂性，一般来说精度较低，稳定性较差， 特别是其机械结构的轴承在长时间运行的条件下，对精度影响极大，误差很容易 发生变化。另外启动电流大，过载能力小，功耗大也是其难以克服的缺点。 第一章绪论 第二阶段：2 0 世纪8 0 年代，随着电子技术的发展，同时电力设备的智能化 不断推进。就出现了交流感应式计量原理和电子技术相结合的机电一体的电能 表。此种表是在普通感应式电能表的基础上经不断的改进和实践，运用新技术、 新材料，特别是选用材料上有较大的改进。轴承选用石磨衬套的磁推轴承，改进 了轴承磨损对精度的影响。同时增加了电子部分，实现了和智能设备通讯和复费 率功能。 第三阶段：2 0 世纪9 0 年代，全电子式多功能电能表。主要解决了机械式电 能表摩擦力的问题，提高了灵敏度，很微小的负荷均能准确计量出来。同时电子 式多功能电能表在防窃电问题和同智能设备通讯等方面有了本质的提高。全电子 式多功能电能表在电能信号的采集方面也经过了两个阶段的发展。即采用霍尔效 应乘法器、平方差法乘法器、热电变换型乘法器、三角波平均乘法器、时分割乘 法器等模拟乘法器计算电能的方法，该种计量方法的精度受元器件的参数影响较 大，所计量的电能参量有限。随着a d 转换器技术的法展，其采样精度和速度的 不断提高，电能计量的理论算法不断出现。通过对交流模拟量进行高速采样，将 其转换为数字量及进行数字运算。通过单片的强大的计算和控制功能，很容易实 现模拟乘法器计量方法难以实现的功能。这种采集方法可以将原有的多块表的功 能由一块表实现，同时电能的计量精度和过载能力也得到了较大的提高脚。目前， 预付费表受到政策的限制，而电力载波集中抄表由于技术不成熟，都很难大规模 推广。在电力部门推行分时计费、实施削峰填谷、实现电力资源优化分配的政策 引导下，经过电表厂家多年技术推广应用，逐步形成如下两大设计方案的三相电 子式多功能电能表： 方案一：采用三相电能计量芯片+ m c u 的方法实现。三相电能计量芯片包含 高精度一a a d 宽范围、高精度，片上接口可直接与微分电流互感器连接，通 过m c u 把测量的到的各种电参数从芯片中读取出来，然后在了l e d 或液晶界面上 显示出来。 方案- - ：采用专用一a d + d s p + m c u 的方法实现。d s p 控制一a a d 实现 数据采集，电参数的采集计算，m c u 实现数据的交换、显示、存储等功能。 1 2 本文研究的对象 随着计算机技术和通讯技术的不断发展，电量计量自动化技术得到了长足的 发展。面向省级和地级的电量计量自动化系统得到了推广。电量计量自动化系要 求采用分层、分布、开放型结构，需充分考虑了系统功能的全面性、实用性，实 现对电能量数据进行自动采集、远传和存储、预处理、统计分析，以支持电力市 2 第一章绪论 场的运营、电费结算、辅助服务费用结算和经济补偿计算等功能。在与其它系统 ( 如d m s s c a d a e m s m i s 等) 的集成基础上，构建电力企业电能数据应用平台， 充分挖掘使_ h j 电能基础数据，实现全网、分级、分压、分线、分区等不同类别、 全方位的线损电量的统计和分析，从而达到提高线损管理工作效率和管理科学化 的目的，同时为电网商业化运营提供决策依据。 电景讣最白动化系统构成时要求采用全面的跨、f 台解决方案，设计时充分考 虑了对硬件平台和软件平台的多样性兼容。系统计算机网络采用全分布式体系 结构，与m i s 等系统的通信通过w e b 服务器节点实现多个l a n 之间的互连， 并配置物理隔离设备以保证系统内网的安全性；独立的数据采集网保证主网的安 全性和采集的高效率；业务、维护、应用工作站分配到系统的各个网络节点l - ， 各个功能模块跨平台设计充分保证了系统的可扩充性。系统对变电站的三相电子 式多功能电能表数据的采集是通过变电站用的集中器实现。电量计量自动化系统 网络拓扑图如图卜l 所示。 厂t 。t a s ，e “i 厂t 几 8 ( ：显示单元( 样 数 1 t 单垧半儿 据 八 c p u 厂、 采 v 。 集 删眵钟一 电 ， 压卜 o ( y 取 样 = 爿 其他单元 - 由由源冠苴管理pv 。厂f池由池 7 n， 图2 - 3 三相电子式多功能电能表的原理框图 2 2 2 主要性能 2 2 2 1 主要功能 ( 1 ) 计量功能：可计量并记录当前和前二个月的正向有功、反向有功、正向 无功、反向无功及四象限无功的电能和最大需量。可计量视在电能，可计量a 、 8 第二章总体设计方案 b 、c 三相的电压、电流、有功功率、无功功率、相角和功率因数，总的有功功 率、无功功率和功率因数以及电网频率等。 ( 2 ) 分时功能：内部实时时钟，具有百年时钟，闰年自动转换，可实现分时 记录各个电能及最大需量。具有1 2 种费率、1 0 个日时段、1 2 个日时段表、1 2 个时区及1 2 个公共假日。还具有网络对时功能。 ( 3 ) 监控功能：可记录最近一次编程时间、最近一次最大需量清零时间，编 程次数，最大需量清零次数，电池工作时间等数据。有逆相序及电池电压低提示。 可记录a 、b 、c 各相及总的断相次数，断相累计时间，最近一次断相的起始和 结束时刻。可记录最近8 次的停电及上电时刻。可记录总失压次数，失压时间累 计值，最近8 次失压故障的失压相别，起始及恢复时刻，未失压相的有功，无功总 电能。可记录总失流次数，失流时间累计值，最近8 次失流故障的失流及相别，起 始及恢复时刻，未失流相的有功，无功总电能。可记录负荷代表日的0 0 ：0 0 , - - , 2 4 ： o o 小时的正反向有功无功电能。可记录当前和前二个月的电压合格率情况。可 冻结并记录自动抄表日的电能数据。 ( 4 ) 通讯功能：具有1 路光隔离4 8 5 接口，1 路光隔离4 8 5 2 3 2 复用接口或1 路红外通讯接口。通过通讯口可完成设置编程和抄表。 ( 5 ) 显示功能：可通过l c d 显示各种参数和数据。可实现轮显。轮显的参数、 时间可设置。 ( 6 ) 设置功能：具有设置禁止功能和电能数据清零、需量清零功能。 ，( 7 ) 输出功能：具有普通发光二极管输出指示，可用于电表校准和工作指示。 具有有功及无功测试脉冲输出。r s 4 8 5 输出用于连接采集器、集中器或其他智能 终端。r s 2 3 2 用于连接m o d e m 和主站直接通讯。具有正向有功、无功，反向有功、 无功远动脉冲输出。具有超负荷报警输出和故障跳闸输出。 ( 8 ) 停电抄表功能：停电情况下由内部停电抄表电池供电，通过键显按钮或 红外通讯口进行抄表，分非接触式遥控唤醒和手动唤醒。 ( 9 ) 自检功能：上电自检，检查主要芯片和e e p r o m 中电能数据的有效性、 校表参数的有效性，出错信息由液晶代码指示。 ( 1 0 ) 负荷曲线记录功能：“负荷曲线记录模式，“负荷曲线记录起始时间 可设，根据选定的模式记录数据内容。 ( 1 1 ) 通讯协议：以 d l t 6 4 5 多功能电能通讯协议为基础，并根据需要 进行相应的扩充。 2 2 2 2 主要技术指标 参照三相电子式多功能电能表的计量相关标准和运行环境，提出三相 9 第二章总体设计方案 电子式多功能电能表的主要技术指标，见表2 - 1 。 表2 1 主要技术指标 项目技术指标 参比电压3 l o o v ，3 x 2 2 0 3 8 0 ，3 x5 7 7 1 0 0 v 电压测量范围 0 8 - 1 2 u n 电流测量范围3 1 5 ( 6 ) h 精度等级有功0 5 s 级，无功2 0 级 工作温度 一2 0 + 5 5 极限工作温度 - 3 0 + 6 0 相对湿度小于8 5 参比频率5 0 h z 启动电流在额定电压、参比频率及c o s 巾= 1 0 的条件下，负载 电流为0 0 0 1 i n ，电能表能起动并连续计量电能 功耗2 w ，4 v a 设计寿命1 5 年 时钟误差0 5 s d ( 2 3 ) 电池寿命大于1 0 年 电池连续工作时间大于1 0 年 1 0 第三章三相电子式多功能电能表的硬件设计 第三章三相电子式多功能电能表的硬件设计 3 1 供电单元 根据电能表安装的位置不同，对电能表的电压输入范围也有不同的要求。 可分为5 7 7 v 、l o o v 、2 2 0 v 三种。而对5 7 7 v 、2 2 0 v 这两种输入范围的电源要 求电源的输入范围至少为标称值的8 0 - - ，1 9 0 口1 。 三相电子式多功能电能表的供电电源一般可分为线性电源和开关电源。线 性电源输入范围窄，效率低，体积大，但成本低，设计简单。开关电源输入范 围宽，效率高，体积小，但成本高，设计难度大。本系统采用开关电源。 供电单元主要有电压取样电路、电流保护电路、三级防雷保护电路、三相 整流电路、专利电路、开关电路、3 3 v 输出、5 v 输出、隔离5 v 输出组成，如 图3 - 1 所示： r、， l 电压取样电路f _ 山洲删 专开 l 电流保护电路仁 相4利 、关“ 5 v 输出 lj ， 电 整 y 电 流路 路 l 器保护电路广叫 二爿隔离5 v 输出： 图3 - 1 供电单元组成 设计上考虑c p u 板的通用性以及减少库存半成品的种类，电源板输出到 c p u 板的采样电压统一设计为1 8 v 。三相电子式多功能电能表要承受4 0 0 0 v 浪 涌的电磁兼容试验，6 0 0 0 v 冲击绝缘耐压试验。因每个电阻可承受5 0 0 v 电压， 因此电压取样电路采用八个r j 2 4 金属氧化膜电阻，通过分压的方法将电压降 到1 8 v ，采用两个3 0 v 稳压关在1 8 v 处进行过电压保护，如图3 2 所示。不同 电压等级的多功能电能表选用不同阻值的电阻，三相三线电表，不焊b 相的电 阻，将u b 接到u n 上即可。电流取样电路主要是电流保护，采用i n 5 8 1 9 对地 保护。 第三章三相电子式多功能电能表的硬件设计 三相电子式多功能电能表应用的低压环境比较恶劣，特别是在雷区和大用 户端，雷击经常把压敏电阻击穿，造成电源毁坏。三相电子式多功能电能表通 过采用线绕大功率电阻、保险丝、y 电容、压敏电阻、电感等器件组成三级防 雷电路。采用八个1 2 0 0 v 高压二极管组成整流电路，取代整流桥，将交流转换 成直流，提高了三相电子式多功能电能表的电源防浪涌的能力和可靠性。 图3 - 2 电压取样电路 多数开关电源芯片所能承受的输入电压为直流8 5 v - 2 6 5 v ，不能满足三相电 子式多功能电能表使用场合的要求。东方威思顿的专利电路是将电源的输入电 压拓宽为直流5 5 v - 8 2 0 v 。充分满足了三相电子式多功能电能表的使用环境，进 一步提高了产品的可靠性。 开关电源芯片采用t o p 2 3 2 p ，t o p 2 3 2 p 是t o p s w i t c h - - f x 系列一种，该芯片 采用改进的t o p s w i t c h 技术制造而成。它把高压功率m o s f e t 管、p 删控制、保 护及其它控制功能集成到了一个c m o s 芯片中。t o p 2 3 2 另加了两个引脚，第一 个是多功能( m ) 引脚，它能执行可编程线性o v o v 关闭及利用线性电压提供线 性反馈并减少d c m a x ( 最大占空比) ，该脚还可以用来在外部准确地设置限流值， 在任何一种情况下都可以用作远程o n o f f 控制或者使振荡器与外部较低频率 的信号同步；第二个是频率( f ) 引脚，它只出现在y 类封装中，可用于在接到 引脚控制( c ) 时提供半频率选择。将该脚接到源极( s ) 引脚时不发挥效能，这一 特点可使系统工作于三端t o p s w i t c h 态，同时具有多种优良性能：如软启动、 周期跳跃、1 3 0 k h z 的转换频率、频率跳变、更宽的d c m a x 和滞后热关断等。另 外，它与t o p s w i t c h - - i i 系列比起来，所有的关键参数如频率、电流范围、p w m 增益等等都具有更好的温度性能及抗干扰能力。更高的限流精度和更大的 o c m a x 使得t o p s w i t c h - - f x 设备的输出功率与t o p s w i t c h 一比起来，在相同 情况下可提高l o 1 5 8 9 。t o p 2 3 2 的主要特点如下： ( 1 ) 可减少外围器件的耗费； 1 2 第三章三相电子式多功能电能表的硬件设计 ( 2 ) 全集成的软启动功能可最大限度地减少功率器件的电压电流应力； ( 3 ) 可以由用户设置精确的限流值； ( 4 ) 可获得最大的占空比； ( 5 ) 具有线性限压检测：无关断尖峰干扰； ( 6 ) 超出波动范围时可实现线性过压关断； ( 7 ) 用单电阻设置o v u v 门限； ( 8 ) 频率跳变时可减少e m i 及e m i 滤波损耗； ( 9 ) 可调至零负载； ( 1 0 ) 1 3 0 k h z 的频率减少了变换器供电电源的尺寸； ( 1 1 ) 具有自动恢复的滞后热关断功能； ( 1 2 ) 具有大幅度的温度滞后，可防止印制电路板过热； ( 13 ) 有主控开和主控关的远程o n o f f 功能： ( 1 4 ) 可与较低频率同步。 开关电路提供四路输出，两路3 3 v 输出，一路5 v 输出，一路隔离5 v 。 3 3 v 又分主付，主电源需并法拉电容和大容量电解电容，为设备断电后，c p u 转存电量提供电源，采用法拉电容和大容量电解电容是冗余设计。5 v 输出同 3 3 v 共地，为模拟电路供电。隔离5 v 为r s 4 8 5 、报警输出等电路供电。详细 电路如图3 - 3 所示： 图3 - 3 开关电源原理图 第三章三相电子式多功能电能表的硬件设计 3 2 采集单元 采集单元采用专用计量芯片实现电能计量。三相电子式多功能电能表所采用 的主流计量电路分别为a d e 7 7 5 8 ，a t t 7 0 2 2 b ，a d e 7 7 5 3 ，c s 5 4 6 0 a ，c s 5 4 6 3 a 。 a d e 7 7 5 8 ，a t t 7 0 2 2 b 是三相电能采集专用芯片；a d e 7 7 5 3 ，c s 5 4 6 3 a ，c s 5 4 6 0 a 是单 相电能采集芯片，采用两片可以实现三相三线电能采集，三片可以实现三相四线 电能采集。该五种电能采集芯片都是s p i 接口，可以很方便地同c p u 进行数据交 换。a d e 7 7 5 8 ，a d e 7 7 5 3 ，a t t 7 0 2 2 b 都是单5 v 电源供电，数字接口为1 1 l 电平。 c p u 是3 3 v 电源供电。计量电路输出信号有可能超过3 3 v ，故需要加电平转换 电路，一种方法采用电阻分压，此方法简单：另一种方法是加专用电平转换芯片。 因其是1 1 l 电平接口，其输入可以不考虑电平兼容问题，c s 5 4 6 0 a ，c s 5 4 6 3 a 芯 片本身的数字电路可3 3 v 供电。本设计采用a t t 7 0 2 2 b 。 3 2 1a t t 7 0 2 2 b 的芯片特性 ( 1 ) 高精度，在输入动态工作范围( 1 0 0 0 ：1 ) 内，非线性测量误差小于0 1 ； ( 2 ) 有功测量满足0 2 s 、0 5 s ，支持i e c6 2 0 5 3 - 2 2 g b t1 7 8 8 3 - 1 9 9 8 ； ( 3 ) 无功测量满足2 级、3 级，支持i e c6 2 0 5 3 - 2 3 g b t1 7 8 8 2 - 1 9 9 9 ； ( 4 ) 提供基波、谐波电能以及总电能测量功能； ( 5 ) 提供视在电能测量功能； ( 6 ) 提供正向和反向有功无功电能数据； ( 7 ) 提供有功、无功、视在功率参数； ( 8 ) 提供功率因数、相角线、频率参数； ( 9 ) 提供电压和电流有效值参数，有效值精度优于0 5 ； ( 1 0 ) 提供电压相序检测功能； ( 1 1 ) 提供电流相序检测功能； ( 1 2 ) 提供三相电流矢量和之有效值输出； ( 1 3 ) 提供三相电压矢量和之有效值输出； ( 1 4 ) 提供电压夹角测量功能； ( 1 5 ) 提供失压判断功能； ( 1 6 ) 具有反向功率指示； ( 1 7 ) 提供有功、无功、视在校表脉冲输出； ( 1 8 ) 提供基波有功、基波无功校表脉冲输出； ( 1 9 ) 合相能量绝对值相加与代数相加可选； ( 2 0 ) 内置温度测量传感器； 1 4 第三章三相电子式多功能电能表的硬件设计 ( 2 t ) 电表常数可调； ( 2 2 ) 起动电流可调； ( 2 3 ) 可准确测量到含2 1 次谐波的有功、无功和视在功率； ( 2 4 ) 支持增益和相位补偿小电流非线性补偿； ( 2 5 ) 具有s p i 接口，方便与外部m c u 通讯； ( 2 6 ) 适用于三相三线和三相四线模式； ( 2 7 ) 采用q f p 4 4 封装n 们。 3 2 2a t t 7 0 2 2 b 的功能简介 a t t 7 0 2 2 b 是一种高精度、三相电能专用计量芯片，它适用于三相三线和三 相四线应用。 a t t 7 0 2 2 b 集成了六路二阶s i g m a - d e l t aa d c 参考电压、电路以及所有功率、 能量、有效值、功率因数以及频率测量的数字信号处理等电路。 a t l 7 0 2 2 b 能够测量各相以及合相的有功功率、无功功率、视在功率、有功 能量以及无功能量同时还能测量各相电流、电压有效值、功率因数、相角、频率 等参数，充分满足三相多功能电能表的需求。 a t t 7 0 2 2 b 支持全数字域的增益、相位校正，即纯软件校表。有功、无功电 能脉冲输出。c f i 、c f 2 提供瞬时有功、无功功率信息，可以直接接到标准表进 行误差校正。 a t t 7 0 2 2 b 可以对基波有功、无功功率进行测量，提供脉冲输出c f 3 和c f 4 提供瞬时基波有功功率以及基波无功功率信息可直接用于基波的校正。 a t t 7 0 2 2 b 提供两类视在能量输出p o d s 视在能量以及p q s 视在能量c f 3 和c f 4 也可被配置为视在能量脉冲输出。 a t t 7 0 2 2 b 提供一个s p i 接口方便与外部m c u 之间进行计量参数以及校表参 数的传递s p i 具体规格参见后面第四部分的详细说明所有计量参数都可以通过 s p i 接口读出。 a t t 7 0 2 2 b 内部的电压监测电路可以保证加电和断电时正常工作。 3 2 3a t t 7 0 2 2 b 的内部结构 a t t 7 0 2 2 b 主要由时钟控制电路、七路一a d 、d s p 数字信号处理器、温度 传感器、参考电压、脉冲生成器、s p i 通讯接口、电源管理等几部分组成n l m 别。 a t t 7 0 2 2 b 的内部结构见图3 - 4 。 第三章三相电子式多功能电能表的硬件设计 3 2 4 采集单元电路图 图3 - 4a t t 7 0 2 2 b 内部框图 图3 - 5 采集单元原理图 a t t 7 0 2 2 b 片内集成了7 路1 6 位的a d c 采用双端差分信号输入。输入最大的 第三章三相电子式多功能电能表的硬件设计 正弦信号有效值是l v ，建议将电压通道输入的额定电压时对应到a d c 的输入选 在0 5 v 左右，而电流通道输入的额定电流时对应到a d c 的输入选在0 i v 左右， 参考电压r e f c a p 与r e f o u t 典型值是2 4 v 。a t 7 0 2 2 b 有功功率是通过对去直流分 量后的电流电压信号进行乘法加法数字滤波等一系列数字信号处理后得到的电 压电流采样数据中包含高达2 1 次的谐波信息。参照a t 7 0 2 2 b 的技术资料和用户 的实际要求，采用六路通道分别对三相电压和电流进行采样。考虑信号的带宽， 作采集部分的原理设计，见图3 - 5 采集单元原理图。 3 3c p u 单元 c p u 单元是整个电能表设计的核心， 调试和加快开发进度以及日后程序升级， 具有在线编程能力； m c u 首先具备良好的性价比，同时方便 m c u 应满足如下要求： ( 1 ) 为提高电磁兼容性和节约成本，r o m 和r a m 必须集成在m c u 中； ( 2 ) 为了方便应用程序的开发和调试，m c u 应支持c 语言编程； ( 3 ) 为了满足整机功耗小于2 w 和停电抄表的要求，m c u 至少应具有工作和 休眠两个工作状态； ( 4 ) m c u 的价格应比较低，并且r o m 应有6 0 k ： ( 5 ) m c u 最好具有液晶驱动能力； ( 6 ) m c u 应至少提供一个异步串行口和一个s p i 接口。 在上述要求的制约下，通过比较和研究，本方案选用t i 公司m s p 4 3 0 系列单 片机的m s p 4 3 0 f 4 4 9 。 3 3 1m s p 4 3 0 f 4 4 9 特点 美国t i 公司的m s p 4 3 0 系列单片机可以分为以下几个系列：x l x x ，x 3 x x ，x 4 x x 等等，而且在不断发展，从存储器角度，又可分为r o m ( c ) 型，o t p ( p ) 型，e p r o m ( e ) 型，f l a s hm e m o r y ( f ) 型。系列的全部成员均为软件兼容，可以方便地在 系列各型号间移植。m s p 4 3 0 系列单片机的m c u 设计成适合各种应用的1 6 位结构。 它采用冯一纽曼结构，因此r a m ，r o m 和全部外围模块都位于同一个地址空间内 n 3 儿1 4 1 。同其它微控制器相比，m s p 4 3 0 f 4 4 9 具有如下特点： ( 1 ) 低功耗，1 8 v 到3 6 v 工作： ( 2 ) 6 s 的启动时间可以使启动更加迅速； ( 3 ) e s d 保护抗干扰力强； ( 4 ) 低电压供电多达6 4 k b ，寻址空间包含r o m 、r a m 、闪存r a m 和外围模块； 1 7 第三章三相电子式多功能电能表的硬件设计 ( 5 ) 通过堆栈处理，中断和子程序调用层次无限制； ( 6 ) 仅3 种子令格式，全部为正交结构； ( 7 ) 尽可能做到1 字指令； ( 8 ) 源操作数有7 种寻址模式，目的操作数有4 种寻址模式； ( 9 ) 外部中断引脚：i o 口具有中断能力； ( 1 0 ) 中断优先级：对同时发生的中断按优先级别处理； ( 1 1 ) 嵌套中断结构：可以在中断服务过程中再次响应其它中断； ( 1 2 ) 外围模块地址为存储器分配：全部寄存器不占用r a m 空间，均在模块 内； ( 1 3 ) 定时器中断可用于事件计数、时序发生、p w m 等： ( 1 4 ) 看门狗功能通用目的定时器； ( 1 5 ) 1 2 位a d 转换器； ( 1 6 ) 正交指令简化了程序的开发：所有指令可以用任意寻址模式； ( 1 7 ) 已开发了c 一编译器； ( 1 8 ) 模块设计思想：所有模块采用存储器分配； ( 1 9 ) 1 s p 4 3 0 全部为工业级1 6 位r i s cm c u - 4 08 5 0c ； ( 2 0 ) 外设f l l + 时钟系统( 片内d c o + 晶体振荡器) ； ( 2 1 ) 比较器a ( 精确的模拟比较器，常用于斜边( s l o p e ) a d 转换) ； ( 2 2 ) 复位电压控制电源电压管理； ( 2 3 ) 基本定时器1 ( 两个8 位定时器或一个1 6 位定时器) ； ( 2 4 ) l e d 控制器比较器( 多达1 6 0 段) ； ( 2 5 ) t i m e r _ a 3 ( 带3 个捕获比较寄存器和p w m 输出的1 6 位定时器) ； ( 2 6 ) t i m e r _ b 3 7 ( 带7 个捕获比较寄存器和p w m 输出的1 6 位) ； ( 2 7 ) i o 端口l ，2 ( 每一个有8 个i o ，均具有中断功能) ； ( 2 8 ) i o 端口3 ，4 ，5 ，6 ( 每一个有8 个i o ) ； ( 2 9 ) u s a r t o ( u a r t 或s p i ) ； ( 3 0 ) u s a r t l ( u a r t 或s p i ) ； ( 3 1 ) 硬件乘法器； ( 3 2 ) 封装1 0 0 一p i nq f p 。 3 3 2l i s p 4 3 0 f 4 4 9 资源分配 m s p 4 3 0 f 4 4 9 共有1 0 0 引脚。其详细功能设计及资源分配见表3 - 1 。 1 8 第三章三相电子式多功能电能表的硬件设计 表3 - 1 功能设计及资源分配 管脚资源 功能设计 说明 d v c c l ( 1 ) 3 3 v 电源正常工作，由开关电源供 d v c c 2 ( 6 0 )电。 a v c c ( 1 0 0 ) 停电状态，由电池供电。 d v s s l ( 9 9 )g n d d v s s 2 ( 6 1 ) a v s s ( 9 8 ) s 0 - $ 3 9 ( 1 2 - 5 1 )4 0 4 = 1 6 0 段液晶驱动 r 0 - r 3 管脚间串接三个1 0 0 k c o m o c o m 3 电阻，r 0 接地。采用1 0 0 k ( 5 2 - 5 5 )电阻降低功耗。 r 0 - r 3 ( 5 6 - 5 9 ) p 6 2 p 6 6 ( 2 5 )c s i c s 4 片选一片采集电路a t t 7 0 2 2 b 两片存储电路a t 2 5 6 4 0 一片时钟电路r t c 4 5 5 3 a c p 1 1 ( 8 6 )4 8 5 t 第二r s 4 8 5 的发送、接收、 p 1 0 ( 8 7 )4 8 5 r 一 方向控制。利用比较器a 的 p 3 5 ( 6 6 )4 8 5 d i r 2 捕获功能，软件模拟串口。 p 4 1 ( 6 2 )4 8 5 r 2 第一r s 4 8 5 的发送、接收、 p 4 0 ( 6 3 )4 8 5 t 2 方向控制。 p 3 4 ( 6 5 )4 8 5 d i r 2 p 2 5 ( 7 4 )2 3 2 t 红外发 用于1 2 0 0 波特率红外通讯， p 2 4 ( 7 5 )2 3 2 r 红外收 正常工作，用i o 模拟串口。 停电状态，工作u s a r t 0 方 式，可中断唤醒m c u ，实 现停电红外抄表。 p 2 7 ( 7 2 )p k e y 编程按键 编程、上翻、选择三按键是 p 2 3 ( 7 6 )k e y 2 上翻按键 常开接点，开盖检测为常闭 p 2 2 ( 7 7 )k e y l选择按键 接点。编程按键主要用于关 p 2 1 ( 7 8 )s k e y 2 上壳开盖检测 键参数的设置，电表精度的 p 2 0 ( 7 9 )s k e y1 端尾盖开盖检测 校准。上翻按键、选择按键 配合使用，通过液晶查看电 表的数据和事项。开盖检测 主要是防窃电设计。 p 1 5 ( 8 2 )e p + 正向有功电能输出 e p + 、e p 一、e q + 、e q 分别 p 1 4 ( 8 3 ) e q + 正向无功电能输出同四光耦器内部二极管的k p 1 3 ( 8 4 ) e p 反向有功电能输出管脚相连。e p + 、e p 所连的 p 1 2 ( 8 5 ) e q 一反向无功电能输出 光耦器公用一个发光二极 管，e q + 、e q 同理。 p 3 0 ( 7 1 )r e s t 控制复位输出防止采集电路专用芯片死 机。 x i n ( 8 ) 接3 2 7 6 8 k h z 晶体此晶体需选用高可靠、低飘 x o u t ( 9 ) 移产品 1 9 第三章三相电子式多功能电能表的硬件设计 ( 续表3 - 1 ) p 3 1 ( 7 0 )s i m os p i 总线输出口 s p i 总线接口，其负责同采 p 3 2 ( 6 9 )s o m is p i 总线输入口 集单元、存储单元、时钟单 p 3 3 ( 6 8 ) u c l ks p i 总线时钟口 元进行数据交换。 p 1 6 ( 8 1 )c v a l a r m 报警输出 通过输出方波控制继电器 p 6 2 ( 9 0 ) y k 2 遥控输出输出。 p 6 0 ( 9 5 )c v l e d 红外电源控制 分别对红外通讯接口、存储 p 6 1 ( 9 6 )c v r o me e p r o i 电源芯片e e p r o m 、液晶背光的供 p 1 7 ( 8 0 ) 控制 电电源进行控制，主要目的 c b l e d 液晶背光控制降低停电状态下表的功耗， 尽大可能保证停电抄表电 池的使用时间。 p 2 6 ( 7 3 ) d e 需量输出用于校表台对需量精度的 检定。 p 3 6 ( 6 5 )2 5 w p 2 数据写保护 防止数据意外丢失，提高产 p 3 7 ( 6 4 )w r e n 时钟写保护 品可靠性。 v r e f + ( 7 ) 接10 4 电容v r e f + 为a d c 内部基准 p 6 7 ( 6 ) 监测模拟5 v 电压 源。通过检测p 6 7 的电压， v e r e f + ( 1 0 ) 监测时钟电池电压实现停电数据转存控制。通 v e r e f 一( 1 1 ) 监测停电抄表电池电压过检测v e r e f 的电压，测 算电池的寿命。为了检测电 池寿命的同时减少电池能 量的消耗，采用两个1 0 兆 欧姆电阻分压后并联1 0 4 电 容方式实现测量。 t d o ( 9 0 ) 测试数据输出j t a g 在线仿真调试接口。 t d i ( 9 1 ) 测试数据输入 t m s ( 9 2 ) 测试模式选择 t c k ( 9 3 ) 测试时钟 r s t ( 9 4 ) 系统复位管脚 x t 2 i n( 8 9 )经l o k 欧姆电阻接地 高频晶体输入接口，本产品 x t 2 0 u t ( 8 8 ) 空设计不用。 3 3 3c p u 单元电路设计 根据三相电子式多功能电能表的设计要求以及m s p 4 3 0 f 4 4 9 的硬件资源，充 分考虑产品的兼容性和软件设计的方便性，c p u 单元作如图3 6 所示电路设计n 司。 第三章三相电子式多功能电能表的硬件设计 3 4 存储单元 图3 - 6c p u 单元的原理图 m s p 4 3 0 f 4 4 9 本身有数据存储器，采用外加存储器主要考虑电能数据的安全 性。电能数据对用户来讲就是经济效益，其对数据的可靠性具有较高的要求。在 受到能量巨大的雷袭击的时候，m s p 4 3 0 f 4 4 9 受到损坏的可能性要高于外围的存 储器件，另外m c u 受到干扰或程序漏洞极有可能对本身的数据存储器改写。因此 需要外围存储器保存电能数据。采用两片存储器主要处于冗余设计考虑，增加数 据的安全性。 2 1 第三章三相电子式多功能电能表的硬件设计 数据存储常采用两种方法：e e p r o m 和带有后备电池的r a m ，采用r a m 存储优 点是速度比较快，但需后备电池，一旦电池没电，就会造成数据的丢失。本设计 采用串行e e p r o m 存储数据，使用e e p r o m 存储数据具有这样的优点：体积小，只 有8 个引脚；不需要后备电池；存储时间长；达1 0 0 年之久；具有上电，掉电写 保护，上电，掉电时不会造成数据混乱；由于采用s p i 总线操作，要想修改数据， 必须有片选信号和合适的时钟信号，这样不容易产生由于干扰而停电所造成的数 据混乱。 ( 1 ) 存储器的容量 按照最大设置：年时区数1 2 ，日时段数1 0 ，时段表数1 2 ，费率数1 4 ，年公 共假日数7 来计算的话，约需内存6 7 + 4 2 + 6 9 + 3 1 2 + 3 1 0 1 2 + 3 *