（电力电子与电力传动专业论文）电子式单相复费率ic卡电能表的研制.pdf

西安理工大学硕士学位论文 t i t l e ：t h ed e v e l o p m e n to fs i n g l e - p h a s ei cc a r de l e c t r i c a le n e r g y i n s t r u m e n tm a d eu po fe l e c t r o n i ce l e m e n t sf o rm u l t i - l e v e l e l e c t r i c a lp r i c e s m a j o r ：p o w e re l e c t r o n i c sa n dp o w e rd r i v e n a m e ： f u t a n gh e s u p e r v i s o r ：p r o f s h o u z h i l i a b s t r a c t s i g n a t u r e ： s i g n a t u r e i nt h ef i e l do fe l e c t r i c a li n s t r u m e n t s t h es i n g l e p h a s ei cc a r de l e c t r i c a le n e r g yi n s t r u m e n t m a d eu po fe l e c t r o n i ce l e m e n t sf o rm u l t i l e v e le l e c t r i c a lp r i c e si san e wt y p eo fi n s t r u m e n tt o m e a s u r ee l e c t r i c a le n e m y i tc a nb eu s e dt od i s p l a yt h ee l e c t r i cq u a n t i t yc o n s u m e db yt h eu s e r s a c c o r d i n st ot h ed i f f e r e n tt i m es t a g ea n di n d i c a t e st h ec u r r e n tt o t a ie l e c t r i cq u a n t i t y t h i s i n s t r u m e n tw i l ld i r e c tt h eu s e r st ou s ee l e c t r i c a le n e r g ys e n s i b l y , e n s u r et h ee c o n o m i c a lr u no f e l e c t r i c a lp o w e rs y s t e m sa n ds u i tt h er e q u i r e m e n t so ft h ee l e c t r i c a lp o w e rd e p a r t m e n t s a u t o m a t i ca d m i n i s t r a t i o n ，w h i c hw i l lb ev e r yi m p o r t a n t t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h em e a s u r ep r i n c i p l ea n dd e v e l o p m e n tp r o c e d u r eo ft h es i n g l e p h a s e i cc a r de l e c t r i c a le n e r g yi n s t r u m e n tm a d eu p0 fe l e c t r o n i ce l e m e n t sf o rm u l t i 1 e v e le l e c t r i c a l p r i c e s f i r s to fa 1 1 t h i sp a p e re l a b o r a t e st h ep r i n c i p l eo fi n d u c t i o n w a ye l e c t r i c a le n e r g yd e v i c e a n dp o i n t so u ti t sp r e s e n ts h o r t c o m i n g s ，a n a l y s e st h es t r u c t u r e sa n df e a t u r e so fs e v e r a le l e c t r i c a l e n e r g yi n s t r u m e n tt h a tc o n s i s to fe l e c t r o n i ce l e m e n t sa n df i n a l l yp u t sf o r w a r dan o v e lr e a l i z e d s c h e m eo fe l e c t r i c a le n e r g yi n s t r u m e n tm a d eu p0 fe l e c t r o n i ce l e m e n t sf o rm u l t i - l e v e le l e c t r i c a l p r i c e s w h i c hi sb a s e do ns i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e ra n dm e a s u r i n ge l e c t r i c a le n e r g yc h i p b e s i d e s i ti n t r o d u c e st h es c h e m eo ft h ep o w e rm e t e r sa t t a c h e dd e v i c e t h ei n f r a r e dr e m o t e c o n t r o l l e r t h ep l a na n dr e a l i z a t i o no fc o m b i n i n gt h em e t e r sm u l t i r a t ew i t hi cc a r d se x p e n s e i st h ei n n o v a t i v eb r i g h to ft h i ss u b j e c t t h ei n f r a r e dr e m o t ec o n t r o l l e rp r o v i d e sac o n v e n i e n t t o o lf o rt h ep o w e rd e p a r t m e n t sm a n a g e r s t h ep a p e ra l s om i n u t e l ya n a l y s e st h ep r i n c i p l ea n d a d v a n t a g e so ft h ea n a l o g t o d i 西t a lc o n v e r t e rb a s e do ne m o d u l a t i o n i nt h es o f t w a r e ，t h e d e s i g n so fs o m es u b r o u t i n e sa r ea l lu n u s u a l ，s u c ha st h es e l f - c h e c ko np o w e ro p e r a t i n g ，t h e c a l c u l a t i o na n dm a n a g e m e n to fe l e c t r i c a le n e r g ya n dc h a n g i n gp e a kn o r m a lv a l l e yd i s p l a y t h e t w of o r m e rs u b r o u t i n e sc a nd i s p l a ys t a t u so fm a i ni ca n dk e e pt h es u r p l u st i n ye n e r g ya f t e r c a l c u l a t i n g t h et h i r dc a nr e a l i z et h ef u n c t i o nt h a to n c et h ea l a r mt i m eo ft h ec l o c kc h i pc o m e s ， p e a kn o r m a lv a l l e yd i s p l a yw i l lb ec h a n g e d a tt h es a m et i m e ，t h et h e s i si n t r o d u c e ss o m e a n t i i n t e r f e r e n c em e a s u r e st a k e ni nt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，s u c hs o f t w a r em e a s u r e sa st h e t e c h n i q u e so fo r d e rr e d u n d a n c y , s o f t w a r et r a pa n d “w a t c h d o g ，f i n a l l y ，t h ea u t h o ra l s op r e s e n t s t h ew h o l ee x p e r i m e n t sd e t a i ld a t aa n dt h er e s u l to fe r r o ra n a l y s i s s i n c et h es y s t e ma d o p t st h ee l a b o r a t ed e s i g n ，t h i sd e v i c eh a ss u c hf e a t u r e sa ss i m p l e o p e r a t i o n o n em e t e rw i t hf o u rf u n c t i o n s ，h i g ha c c u r a c y 0 5d e g r e eo fc h i n a s t a n d a r d ，l o w p o w e rl o s sa n das t r o n ga b i l i t yo fa n t i i n t e r f e r e n c e a n dw i l ln o ti o s et h ei m p o r t a n td a t aw h e n t h ep o w e ri sc u tf o ral o n gt i m e i ti sp r o v e db yt h es i m u l a t e de x p e r i m e n tt h a tt h em e a s u r e d r e s u l t so ft h i si n s t r u m e n tm e e tt h er e q u i r e m e n to fd e s i g n e d t a r g e t t h er e s e a r c hh a ss h o w nt h a t t h es c h e m ec o m b i n i n gm u l t i 1 e v e le l e c t r i c a lp r i c e sw i t hi cc a r di sh o v e la n df e a s i b l e k e y w o r d s ：i cc a r de l e c t r i c a le n e r g yi n s t r u m e n t ；m u l t i l e v e le l e c t r i c a lp r i c e s ；s i n g l e c h i p ； v o l t a g et r a n s f o r m e r ；c u r r e n tt r a n s f o r m e r h 独创性声? 明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：；本人所里交的学位论文是我 个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，1 除特别加以标注和致诩 jj 的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。，j 与我同工作的同志对本文所研究的1 作和成果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论立及其相关瓷料若有不实之处，由本人承担_ 切相关责任 论文作者签名；批。，叩弓年一簪月 ， 一自 学位论文使用授权声明 本人遂量整采导师的指导下创作完成毕业论文：，本人已通过论文的答辩， 并已经在西安理工大学申请博士，硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意 授权西安理工大学拥有学位论文的部分使用权；即；1 ，) 已获学位的研究生按学校规定 提交印刷版和电子版学位论文，：，学校可以采用影印：，缩印或其他复制手段保存研究生 上交的学位论文，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；2 ) 为 教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、 资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，一适用本授权说明) 论文作者签名：嫩：导师签名：丝， 如6 宫年 午月， 日 1 综述 1综述 本课题的任务就是研制一种电子式单相复费率i c 卡电能表。该表既有复费率的功能， 又有i c 卡的方便。 1 1 电子式电能表的发展 自从1 8 8 8 年以来，意大利物理学家非拉旱斯( f e r r a r i s ) 发明的感应式电度表在全 世界得到了广泛的应用，至今已有百余年的历史n 1 。随着科学技术的进步，电能表的发展 经历了三个主要阶段。本世纪7 0 年代以前，电能表基本上采用电气机械原理，其中应用 最广泛的是感应式电能表，其具有结构简单、价格低廉、制造技术较为成熟等优点。然而， 感应式电能表就其原理和结构来看，机械磨损、机械阻力、放置角度等因素会造成种种误 差，要进一步提高精度是很困难的，这是电能表发展的第一阶段。6 0 年代以后，电子式 电能表日益成为电能测量领域的一项重大课题。6 0 年代探索其可行性，7 0 年代解决高精 度问题。进入8 0 年代，大规模集成电路( b s i ) 取得突破性进展，对电能表产生了划时代 的影响。在北美和欧洲，几家大的专业制造电能表的公司相继生产出全电子式电能表，9 0 年代已全部停止生产原感应式机械电度表，这是电能表发展的第二阶段。9 0 年代后，由 于大规模集成电路的发展，商用的高性能单片机、1 2 b i t 、1 6 b i t a d c 已是常用器件。使采 用数字采样技术的电能表已越来越多地被用于工业和民用的电能计量装置中。 与传统的感应机械式电能表相比，电子式电能表有以下优点 ( 1 ) 测量精度高，若需要提高精度，只要选择适当位数的单片机、m d 转换器及d a 转换器即可。 ( 2 ) 计量值接近实际，包含高次谐波的能量2 1 1 3 1 。感应式电能表有下降的频率特性， 主要计量基波电能。而电子式电能表的频率响应特性曲线平坦，计量值为基波电能和全部 谐波电能之和。 ( 3 ) 易于实现一表多用，一种多功能电子式电能表不仅可以测量电能，还可以测量 交流电压、电流、功率、频率及功率因数等参数。 ( 4 ) 体积小、重量轻、操作简便。 ( 5 ) 可现场校准和检测多种测量数据，便于监控和管理。 1 。2 复费率电能表的意义 随着国民经济的的高速发展和人民生活的不断提高，生产用电量和生活用电量急剧增 加，使得用电量的增加超过了发电厂生产电量的增加。为了解决或缓解这一矛盾，就需要 采用“削峰填谷”的方法，即削减峰时期的用电量，增加谷时期的用电量。为此，必须运 用经济杠杆手段，提高峰期的用电价格，降低谷期的用电价格，促使用户在负荷高峰期少 西安理工大学硕士学位论文 用电，节约用电，鼓励用户在负荷低谷期多用电。现在的常规电表无法完成分时段计量电 能的任务，本课题研究的复费率电能表却具有这样的功能。复费率电能表是一种分时段计 量电能，使电力部门可按时段价格收取电费，进而调节电力负荷平衡的一种电能表。目前， 发达国家的部分地区已经开始按复费率电表收取电费。我国电力行业的发展及运营也需要 复费率电能表的电力负荷调节作用。同时国家能源短缺的现状也要求电力用户借助于复费 率电能表，在一天不同时段电价的调节下，避免在用电高峰期电力供应紧张，在用电低谷 时电力生产过剩。由此可见，使用复费率电能表是我国电能表发展的必然趋势。 电子式复费率电能表的主要意义有以下几点： ( 1 ) 使用复费率电能表有利于平抑电力负荷曲线，使发电设备和输电线路运行在较 平稳的状态，从而避免由于用电量的急剧变化产生的电力事故或灾难。 ( 2 ) 对发电厂而言，使用复费率电能表，能使发电及供电设备的容量得到充分的利 用，也可以降低在一定用电量条件下的资金投入。 ( 3 ) 对用户而言，使用复费率电能表，可以减小高峰期和低谷期的用电量的差异， 从而减少一定用电量下的支出，降低家庭、办公室及产品的电费或用电成本。 ( 4 ) 使用复费率电能表，还有利于国家节能策略的落实。电力负荷曲线平稳后，电 力生产的调度部门就能使电力的生产和消费关系达到较好的配合，这样就可以避免电力生 产的过剩，达到节约能源目的。 1 3 国内外电能表抄表方式 要研制全电子式单相复费率电能表，还得涉及电能表抄表方式。目前国内外主要流行 3 种电能表抄表方式g ( 1 ) 人工抄表方式：用户使用普通电能表，定期由管理人员上门抄表收费。优点是 电能表成本低；采用付费方式易于被广大用户所接受( 用多少电付多少费) ，几乎不存在 拉闸停电的问题。缺点是需要管理人员上服务，工作量大。 ( 2 ) 自动抄表方式：要求用户使用有通信功能的电能表，通过通信网络系统自动完 成用户用电量的抄录，再通过金融网点方式或人工方式完成缴费。自动抄表系统目前主要 采用有线通信技术和无线通信技术。 就有线通信抄表系统而言，目前较为可行的是采用电力载波通信技术，以现有的交流 电源线作为通信线路，可以省去铺设线路的的成本及工程量。但也需要采集集中器，电力 线调制解调器等信号处理单元及复杂的通信技术。另外电力线上的高削减、高噪声、高变 形，使得电力线成为一个不理想的通信媒介。虽然国内的电网发展速度非常快，但是电网 的稳定性及国内现有的相关设备还达不到国外的先进水平。因此电力线载波抄表还没有达 到大面积应用的程度。 无线通信抄表系统一般采用一点对多点的分布式遥测遥控系统。用户的电能表需要配 备一个远程终端和数据发送机( 调制器) ；供电管理部门的营业处设有一个中心单元( 主 2 1 综述 要包括接收机和数据处理器) 。当远程终端接收到单元发出的命令后，将采集到的用电量 数据通过发送机发送到中心单元，然后中心单元对接收到的数据进行存储、处理或打印。 自动抄表方式的缺点是电能表本身结构复杂、成本高。通信网络建设及维护费用较大， 对电力管理部门的技术要求有较大的增加。在一些山区、有高楼或电磁场强度大的地方可 能会导致电量管理信息接收不到或接收不准确。同时，无线通信占用频道资源也是一个缺 点。优点是自动化程度高，能达到电力管理部门对用户的实时监控。 ( 3 ) i c 卡收费方式：需要为用户安装具有i c 接口的电能表，将i c 卡作为传输媒介， 在用户和管理部门之间传递信息，实现电能表的抄收及预缴费工作。优点是实现了抄表、 缴费、控制的多种功能，彻底杜绝了欠费现象。但也有一些缺点：例如，随着电子技术的 发展和微型计算机的普及，i c 卡有时被人解密；i c 卡电能表如果用在医院和电梯运行场 所，一旦费完停电，将给病人和用户的健康安全带来伤害。但是。我们如果采用保密性更 先进的i c 卡，考虑大多数用户的需求，i c 卡收费方式仍然是较为理想的选择。 目前，国外发达国家主要采用人工或自动抄表方式，原因是金融业非常发达，不易发 生欠费情况。发展中国家正从人工抄表方式向i c 卡抄表方式过渡。在我国，人工抄表方 式还在广大农村及一些中小城镇使用。自动抄表方式还处于研究试点阶段。i c 卡抄表方 式在资金较为充裕的行业及一些新建居民区已开始使用。另外从水、电、气、热“一卡通 的收费模式长远目标来看，i c 卡抄表方式是电力收费方式发展的主要趋势。因此，本文 研究的全电子式复费率电能表是插卡式的电能表，在将来相当长的时间内，还有较为广阔 的市场前景。 1 4ic 卡应用现状 i c 卡是集成电路卡( i n t e g r a t e dc i r c u i tc a r d ) 的英文简称。国际标准化组织( i s o ) 在i s 0 7 8 1 6 标准中规定的i c 卡是指在聚氯乙烯( p v c ) 或聚氯乙烯酸脂( p v c a ) 材料制成 的塑料卡内嵌入微处理器和存储器等i c 芯片的数据卡 4 1 0c p u 和存储器可以集成在一个 芯片上。根据卡中所镶嵌集成电路的不同可以分成以下三类“1 ： ( 1 ) 存储卡。卡中的集成电路为e e p r o m ( 即可用电擦除的可编程存储器) 。 ( 2 ) 逻辑加密卡。卡中的集成电路为具有逻辑加密功能的e e p r o m 和可编程只读存 储器p r o m 。 。 ( 3 ) 智能卡。卡中的集成电路包括中央处理器c p u ，电擦除的可编程存储器e e p r o m ， 随机存储器r a m 以及固化在只读存储器r o m 中的片内操作系统c o s ( c h i po p e r a t i n g s y s t e m ) 。 i c 卡的概念是2 0 世纪7 0 年代提出来的。法国布尔( b u l l ) 公司于1 9 7 6 年首先制造 出i c 卡产品，并将这项技术用到金融、交通、医疗、身份证明等多个行业。此后，i c 技 术飞速发展已经形成一涉及全球众多电子巨头的新兴技术产业。全球i c 卡市场基本上被 法、美、同等国垄断。 3 西安理工大学硕士学位论文 目前i c 卡的应用几乎遍布全球，已经广泛应用于金融、交通、医疗、保险、电信、 商贸及公共事业收费管理等许多领域。据统计，1 9 9 7 年，全球就发行i c 卡9 亿张。2 0 0 0 年，2 0 0 3 年分别达到3 6 亿张和6 3 亿张。我国的i c 卡应用起步较晚，1 9 9 4 年才开始，1 9 9 9 年已达到1 2 亿张。2 0 0 0 年已达到4 1 亿张。最近几年，需求量更是有了飞快的发展。 总之，不管从电能抄表方式上分析，还是从i c 卡的应用前景考虑，选用i c 卡式的电 能表都是一项很好的选择。 目前，国内电子式复费率电能表的产品已经逐渐的多了起来，但是采用i c 卡和复费 率相结合的电能表产品几乎没有，本文提出的以单片机为中心的全电子式单相复费率i c 卡电能表实现方案是一次具有开拓性的大胆尝试。 1 5 本课题的技术指标和功能特点及难点 电子式单相复费率i c 卡电能表的工作参数： ( 1 ) 电能表准确度等级0 5 级 ( 2 ) 时钟准确度：日误差4 0 5 s ( 3 ) 电池寿命：1 0 年( 自然放电) ( 4 ) 停电时换电池数据保存时间1 0 分钟 电气参数： ( 1 ) 正常工作电压：0 9 1 1 u n ( 2 ) 极限工作电压：0 8 1 1 5 u n ( 3 ) 极限工作电流： 2 0 a ( 4 ) 功率消耗：2 w 电子式单相复费率i c 卡电能表的功能特点： ( 1 ) 能实现i c 卡预付费和电能表复费率功能相结合的设计方案( 该方案至少在国内 是少见的) 。当i c 卡插拔时，复费率电能表能正常工作并能准确地与i c 卡交换信息。 ( 2 ) 带有红外线遥控装置，为电力管理部门工作人员改进工作效率，提供了有力保 障。 ( 3 ) 本电能表能一表四用，不改变接线，可方便的作为插卡式普通电能表，插卡式 复费率电能表，无卡式普通电能表，无卡式复费率电能表使用。 ( 4 ) 每隔1 0 秒钟数码管刷新一次数据。当峰平谷各时段无论那一段库存电量用完时， 电能表会快速的给出报警并切断电源。 本课题的可行性、精度及降低成本是本课题研制的难点 1 6 本文的主要工作 4 本人根据智能化仪器的设计思想，充分利用微处理器高速数据采集，并行处理数据及 1 综述 实时跟踪功能，采用多软件少硬件的策略，提高了仪器的精度，降低了成本，实现了电子 式单相复费率电能的测量。笔者主要完成以下几个方面的工作： ( 1 ) 阅读国内外大量的电子仪器，电测与仪表，通信与电视等方面的参考文献，分 析了同类产品的工作原理、电路结构及优缺点，以便为自己的课题研究提供帮助。 ( 2 ) 在查阅了大量的技术资料和许多电子与微型计算机应用刊物的基础上，完成了 电子式单相复费率i c 卡电能表的硬件电路设计。 ( 3 ) 设计和焊接三部分印刷电路板( 交流输入，控制显示，红外遥控) 1 ，并进行了 调试。 ( 4 ) 完成了系统软件的方案设计并进行了软件编程。 ( 5 ) 完成仪器的软硬件调试，还对误差进行了整体调试。 ( 6 ) 对仪器系统误差进行了分析，找出了主要的误差根源，并采取了相应的软件及 硬件补偿措施。 ( 7 ) 通过几次修改设计方案，完成了仪器的小型化工作。 通过一年多的辛勤工作，电子式单相复费率i c 卡电能表的样机已经完成，经过模拟 检定实验测试，各项技术指标均已达到设计要求。当i c 卡插入或拔出时，系统都能正确 的工作，并能根据各时段的库存电量状态进行有效的限电。我们相信，随着我国电力系统 的发展及用户对电能计量要求的提高，这种全电子式单相复费率i c 卡电能表，将会有广 阔的市场前景。 5 西安理工大学硕士学位论文 2 交流电能的测量及系统的设计原理 为了形成本课题的设计方案，本章首先叙述了交流电能的传统测量方法，指出了感应 系电度表的主要弊端。然后又分析了离散采样电量测量原理，从三个电子式电能表的方案 中选出了本课题的设计方案，最后分析了本课题应用的调制a d 转换原理及红外遥控 技术。 本文主要涉及到交流电能的测量。所谓测量，就是用实验的方法把被测量与标准量进 行比较的过程7 1 ，测量的基本任务就是获得有用的信息。测量仪器是进行电气测量的工具， 最能反映电气测量技术的发展。电气测量仪器的发展可以分为四个主要阶段。 第一代测量仪器是以电磁感应定律为基础的模拟指针式仪表。当4 0 年代出现电子管， 6 0 年代出现晶体管时，便出现了第二代测量仪器一分立组件式仪表。7 0 年代出现了集成 电路，产生了以集成电路为基础的第三代仪器一数字式仪器。数字式仪器就是通过模数转 换把具有连续性的被测量变成离散的数字量，再显示结果的仪器。进入8 0 年代以来，由 于数字技术、大规模集成电路及计算机技术的飞速发展，出现了一种以微处理器为核心的 第四代仪器一智能仪器。智能仪器主要有以下特点n 1 ： ( 1 ) 具有较完善的可程控能力。 ( 2 ) 面板采用灵活的功能键和数字键。 ( 3 ) 面板显示十进制数或兼能显示英文字符。 ( 4 ) 具有数据处理能力，包括均值计算、变换、误差修正等。 目前，随着科学技术与社会生产的高度发展，测量仪器的要求越来越高，主要要求 是：能够测量多种参数，具有多个输入通道，能快速进行动态在线测量，高准确度和高 分辨率，能实时进行信号分析处理，包括排除噪声干扰、消除偶然误差、修正系统误差 等。能够实现上述要求的仪器，只能是以计算机为中心的测量系统或智能仪器。 2 1交流电能的传统测量方法 2 1 1 感应系电能表的基本原理 电能是功率对时间的积分，为了测量一段时间内负载所消耗的能量，要求测量电能的 电度表能把负载中每一时刻消耗的电能累加起来。所以，电度表是积算式仪表。电度表主 要由驱动组件、转动组件、制动组件和计度器组成n 1 。驱动组件是由电压线圈和电压磁铁 及电流线圈和电流磁铁组成( 如图2 1 所示) ，用来将交变的电压和电流转变为交变磁 通，切割铝转盘形成驱动力矩，使转盘转动。转动组件指的是转盘和轴承( 包括下轴承和 上轴承) 。制动组件主要由永久磁铁构成，它产生的磁通被转动的转盘切割时与转盘中的 感应电流相互作用形成制动力矩，从而阻止转盘加速转动。计度器用来积算转盘转数，以 显示所测电能，计度器可分为机械式和光电脉冲式两种类型。 6 2交流电能的测量及系统的设计原理 通过对电度表的电磁作用过程进行分析， a 驱动力矩 电度表的驱动力矩公式为 m 口一k q u i c o s p = k p 电压线圈 铝转盘 电流线圈 可得到驱动力矩和制动力矩的表达式。 么园囱 永久自 z嚣 盱 日 c ( 2 1 ) 图2 1 单相电厦表结构不恿图 f i g 2 - 1 s t r u c t u r a lc h a no fas i n g a l - p h r a s ep o w e rm e t e r 其中，c ，、，分别是输入的电压和电流，妒是电压和电流之间的相位差，k d 是比例常数。 从上式可见，驱动力矩和负载消耗的功率成正比，这样就保证了电度表的转动圈数和电能 成正比。 b 制动力矩 为了使电度表的转动速度和功率成正比，要求电度表有制动力矩。否则，不管有多 么小的驱动力矩作用在转盘上，都会使其做加速运动而越转越快。制动力矩公式为 m 。一e m 三刀 ( 2 2 ) 式中，m 。为永久磁铁产生的磁通，j ，7 为转盘的转速，厄为比例常数。该力矩的大小和转 盘的转速成正比，方向和转盘的运动方向相反。当负载功率增大时，引起驱动力矩增大， 再引起转盘转速增大，从而使制动力矩增大；同样，当负载功率减小时，也会使得驱动力 矩和制动力矩减小。如果负载功率不变，驱动力矩和制动力矩总是处在平衡状态，转盘在 进行匀速转动。此时，驱动力矩等于制动力矩，即 m 口一m 。 从而推出以。二= p ，k 尸， ( 2 3 ) k 。： 7 西安理工大学硕士学位论文 图2 2 单相电度表的接线图 f i g 2 2 c o n n e c t e dc h a r to fas i n g a l - p h r a s ep o w e rm e t e r 由此可见，转盘的转速和负载消耗的功率成正比，这正是我们所需要的结论。 c 电度表的接线图 电能表的电压线圈和电流线圈与交流电源及负载发生电气连接。电流线圈和负载相串 联；电压线圈和负载相并联 i o l 具体连接如图2 2 所示。 2 1 2 感应系电度表的主要弊端 虽然感应系电度表具有价格低廉、经久耐用、制造技术较为成熟等优点，但是传统的 感应系电能表也有不少的缺点，例如： a 体积笨重，功耗较大。 b 误差较大。 由于机械磨损、电压潜动的存在及放置角度的影响，感应系电能表的误差将会偏大。 当负载电流为零时电度表转盘可能连续转动，常把这种现象叫做“电压潜动 或简称潜动。 c 提高精度有限，功能较为单一。 随着微电子技术及计算机技术的发展，针对以上缺点，人们从7 0 年代开始探索和研 究电子式电能表，近年来，已经取得了令人瞩目的成绩。典型的电子式电能表有采用乘法 器方案的电子式电能表，采用数字化采样方案的电子式电能表。 2 2 交流电能的数字测量和计算机测量方法 2 2 1 离散采样电量测量的原理 电量的连续表达式，我们已经很熟悉了。但是在数字测量仪器中或以微型计算机为基 础的智能仪器中，往往需要将连续电量离散采样，得到电量的离散表达式。 电压和电流是电气测量中两个最基本的电量。根据电工理论，一个周期t 变化的交流 电压、交流电流信号，它们的有效值分别表示为 8 u ；痧 ( 2 4 ) 2交流电能的测量及系统的设计原理 h 1 ( i 2 ( t ) x t t 。 在时间上连续的的电压信号 化为在时间与幅度上均离散的数 u = 历 l 一陌1 n - 1 ( 2 5 ) “o ) 或电流信号f o ) ，经过采样保持及a d 转换，可以转 字信号u ( n ) 或f o ) 。电压和电流有效值写成离散形式就是 ( 2 6 ) ( 2 7 ) 上式中为电压信号“( f ) 或电流信号i o ) 在一个周期内的均匀采样点数。根据采样定律， 所对应的采样频率必须大于输入模拟信号频率的两倍，才能最终不失真地恢复出被测信 号。 同理，可得出功率p 和电能f 在模拟域和数字域中的计算表达式， p ；f o 喇) 协 如f ，o o u ( t ) 科d t p 一二罗砧0 ) 洳) n幺 e 。薹“o ) 2 2 2 采用乘法器方案的电子式电能表原理 ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 采用乘法器方案的电子式电能表主要由电压、电流互感器、时分割乘法器、低通滤波 器、v f 变换器、分频器、驱动电路及步进电机记度器组成，如图2 3 所示。时分割乘 法器的工作过程实际上是一个对被测对象进行调宽调幅的过程。它在提供的节拍信号的周 期丁内，被测电压经变换处理后对脉冲宽度进行调制，被测电流同样经变换处理后对脉冲 幅度进行调制，乘法器输出u 为一幅度和占空比不断变化的周期( t ) 脉冲，经过低通滤 波器后，输出电压u 。为每个周期丁内电压u 的平均值，也就是输入信号在周期丁内消耗 的平均功率。就整个时间范围而言，u 。是正比于被测平均功率的脉动直流，即 u o k i 。p( 2 1 2 ) v f 变换器的作用是产生一个与被测功率p ( 对应于砜) 成正比的频率信号，0 。而分频器 与步进电机记度器，则是实现对被测电能的正确计数或显示。步进电机记度器中的电机一 般是单相步进电机，带有两个极靴。只有在两个极靴各施加个输入脉冲后，才可使电机 转动一周。所以，步进电机记度器必须有驱动电路，以便产生多路脉冲推动电机旋转。 设电能的计量时问为互，由于v f 变换器输出的频率厶正比于u o ，则 t o = k ：u o ；k 2 k 。p k p( 2 1 3 ) 如果分频器的输出频率 ，1 ；i o n ( 2 1 4 ) 9 西安理工大学硕士学位论文 式中，n 是分频器的分频系数。那么，在时间瓦内，记度器所累计的脉冲个数 m 听五一a 小半= c - e ( 2 i s ) 可见，记度器所累计的脉冲个数m 正比于被测电能e ( 可设定为记度器的最小单位，如0 0 1 度) 。上式中，e ；p 五，c 为比例常数。 l 撒p夥 v f 兀 分频 驱动 步进电机 时分割 k 低通 l 卜h r 变换器 ， 器 一 电路 及记度器 乘法器 r 滤波器 i 赢b 图2 3 采用乘法器构成的电子式电能表原理框图 f i g 2 3 p r i n c i p l ec h a r to f e l e c t r o n i cp o w e rm e t e rb ym u l t i p l i a b l eu n i t 2 2 3 基于数字化采样方案的电子式电能表原理 基于数字化采样方案的电子式电能表的原理框图如图2 4 所示，这实际上是计算机 多路数据采集系统的结构。根据原理基本上可分为四大部分： a 输入转换和控制部分 输入信号( 电压或电流) 经过电压互感器，电流互感器转换成适当幅度的电压信号。 输入控制电路由多路模拟开关组成，以便将多路输入信号切换到采样保持器的输入端。 b 采样保持和a d 转换电路 根据测量精度要求，可选择适当位数和适当速度的a d 转换器。为了保证采样到的 数据不变化，在柚转换器之前，还需要接上采样保持电路。 c 计算机系统 计算机系统主要完成有功功率、电能的计算，并且完成和外界数据的通信及其它处 理功能。 4 电源电路 由于a m 转换器件需要有高精度的基准参考电压，才能获得精确的转换结果，因此， 采用本方案的电能表，除了提供计算机系统的需要的普通电源外，还需要提供a d 转换 所需要的高精度基准电压源。 1 0 交流电能的测量及系统的设计原理 图2 4 基于数字化采样技术的电子式电能表原理框图 f i g 2 _ 4p r i n c i p l ec h a r to fe l e c t r i c a le n e r g ym e t e rb a s e do nd i g i t a l - s a m p l i n gt e c h n i q u e 2 2 4 采用电能计量芯片的电子式电能表原理 采用电能计量芯片的电子式电能表原理框图如图2 5 所示。它主要由电压和电流互 感器、信号输入电路、电能计量芯片、计算机系统及显示部分1 1 和按键部分组成。电能 芯片主要完成对输入信号的a d 转换及电量的数据处理。通过对上述三种形式的电子式 电能表比较分析，我们发现，采用乘法器方案的电子式电能表虽然结构简单、成本低廉、 但是功能单一，很难满足社会对电子式电能表多功能的要求( 如计量功能、管理功能等) 。 基于数字化采样方案的电子式电能表，由于用到了微型计算机单元，可以实现电能表多 功能的要求，但是结构比较复杂，中间环节较多，很难满足电子电能表线性度好、可靠 性高的要求采用电能计量芯片的电子式电能表，从结构上看，可以说是第二个方案的 紧凑形式，又省略了一些不必要的单元。本课题要求设计电子式单相复费率电能表，显 示和控制功能较多，所以必须以单片机为中心组件。同时考虑到电能专用芯片有许多具 体特点，例如，高度集成( 集成了a d c ，功率计算模块等) ；高精度( 测量误差大多小于 0 3 ) ；高性能( 具有性能优越的a d 转换器，使转换误差更小) ；多功能( 具有相位补 偿功能，自身能克服由于互感器带来的角差，具有片内基准电源，可省去高精度基准电 源电路) 及低功耗( 一般为几十毫瓦) 等，这些都为设计低成本、高可靠性、功能多样 化的电能表提供了有利条件。因此，我们采用基于电能计量芯片的电子式电能表作为本 课题的设计方案。当然在具体实施这个方案时，还应当细化和增加一些电路模块。 目前，国内较为常用的单相电子式电能计量芯片有德国c i r r u sl o g i c a l 公司的 c s 5 4 6 0 ，美国a d 公司的a d 7 7 5 1 和7 7 5 5 。我们选用了c s 5 4 6 0 芯片，因为经过仔细分 析发现，c s 5 4 6 0 采用了基于调制a d 转换技术，这种技术具有一些得天独厚的优点。 西安理工大学硕士学位论文 计算机。区也归信号输 卜、 电能计 、 系统 市 l 互感器p - - - - - - - - - - - - _ j 入电路 量芯片 降 图2 5 采用电能计量芯片的电子式电能表原理框图 f i g 2 - 5p r i n c i p l ec h a r to fe l e c t r i c a le n e r g ym e t e rw i t he l e c t r i c a le n e r g ym e a s u r e m e n ti c 2 3 基于调制a d 转换技术 4 f f f e & ii 数字抽取h 高通滤波器ll 看门狗定时器 墨列h 一 调制器i i 一 电源监视器器 到能曼 。m o d e ， s d l 渤 s c l k ，盯 e d ! 裒 e 西o t va。pfmonx i nx o u tc p u c l ko g n d 图2 6 芯片5 4 6 0 内部结构图 f i g 2 6 i n t e r n a ls t r u c t u r a lc h a r to f5 4 6 0i c c s 5 4 6 0 的内部结构如图2 6 所示，它包括一个电压固定增益放大器和一个电流可 编程增益放大器，两路模数转换器( 含数字滤波器) ，一个电量计算引擎及一个串行 接口。输入的交流电压和电流经过模数转换器后变为数字信号，再进入电量计算引 擎进行数字信号处理，它可以测量或计算出瞬时电压、瞬时电流、瞬时功率、电能、电 压有效值、电流有效值。测量结果存储于2 4 位的专用寄存器中，但它不是真正的电量结 果，需要乘相应的系数才是最终结果。测量结果通过串行接口以三总线的方式可以与单 片机或数字信号处理器( d s p ) 通信。 基于调制a ，d 转换技术在决定c s 5 4 6 0 芯片性能方面起着非常重要的作用。它 最初是数字通信中使用的一种数字调制方式，旨在改进调制中过载信号幅度随信号频率 升高而下降的特性，在不少场合取得了成功的应用。然而，调制真正引起人们高度 重视的成果还是用于构成v l s i 的a ，dd a 转换器。如何在已有的标准v l s i 工艺上研究 和开发高性能的a ，d 、d a 转换器已经引起了人们的浓厚兴趣。 我们知道，数字信号处理系统具有精度高、抗干扰能力强、易于集成化的特点。在 传统的a d 转换器中，需要很多模拟电路和精密的基准电压和分压器。当分辨率很高时， 制造工艺会遇到一定困难。而a ，d 转换器的数字电路占整个电路一大部分，无需工 1 2 丢磊 纠兰一 w 眦 嚣 洲 m 憎 | i 2交流电能的测量及系统的设计原理 艺提供精确的组件匹配，因此，a a d 转换器较传统的a d 转换器更适合制造高性能 的v l s i ，并且具有一些良好的特性。 2 3 1a d 转换中的混叠噪声和量化噪声 为了便于说明a a d 转换器的特点，我们首先分析d 转换的基本过程( 如图2 7 所示) 。一般而言，a d