数字双向多功能电度表设计

1、数字双向多功能电度表设计侯曦，曼国华，张士文（上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海）摘要：介绍利用公司的位单片机（以下简称）和公司的电能测量芯片设计的多功能双向电能计量表。它可以根据电网上的电流与电压相位夹角大小，来对一个系统使用电能的方向进行判断，从而可以计量一个系统的消耗或者输出电能，该表既可用于三相四线系统也可用于单相系统。除此之外，该电表还可以测量电冈其它电气参数：比如有用功率、电流有效值、电压有效值等。该电表可以应用在小型发电系统上及其它相关应用领域。另外，该电表具有良好的人机界面，具有高低电压运行及掉电保护等功能。关键词：接口；双向电能表；文献标识码：中图分类号：概述为了实施可

2、持续发展，解决环境与发展的矛盾，世界许多国家正在积极探索绿色能源来减少传统发电方式对环境的污染和不可再生资源的损耗。各种家用太阳能供电系统，家用风力供电系统等家用洁净能源已经出现，比如法国已经利用太阳能光电屋面瓦发电，日本神钢电机公司风力发电系统已经被普通百姓家庭使用等。经过系统科学地设计和电能市场合理地规划，这些分散的小规模供电系统不仅可以解决居民能源问题而且也可以把富余的电能反馈到电网实现以电偿电，从而减轻供电系统的负担，减少不可再生资源的消耗。为了满足该系统的应用需要，必须设计一种既可以计量用户消耗电网的电能（即正向电能）又可以计量用户反馈到电网的电能（即反向电能）的电度表双向电度表。目

3、前，许多国家规定用户自已的发电系统产生并入电网的电能可以等价换取相同电网的电能。虽然在我们国家还没有开始实施，但作为一种发展方向，我们做了这方面的尝试。另外在某些情况下，人们除了要测量用户消耗电能使用外，还要知道其它电气参数，如有功功率，电压有效值，电流有效值，供电频率等。而本电表的设计可以满足上述要求。设计原理系统大体上分为电能测量，和控制两大部分，其框图如图所示。是电能测量核心芯片。通过电流互感器和电压分压电路从电网上采集的电压和电流模拟信号分别进入的电压信道和电流信道，经过片内的转换器转换成对应的两路数字信号。电流数字信号经过数字高通滤波器滤波滤去部分，与经过相位校正的电压数字信号在数字

4、乘法器相乘后得到瞬时功率信号，此信号通过数字低通滤波器成为瞬时有功功率后，在有功电能寄存器内累加成电能信号。更有特色的是，该芯片可以根据电网上的电流与电压相位夹角变化，实时地判断一个系统功率方向。从而为实现双向电能的测量提供前提。图系统框图可以编程设置为两种工作模式：半满（）工作模式和线周期（）工作模式。在半满工作模式下，电能寄存器达到半满状态时，立即通过外部中断通知来读取，被读完后寄存器立即清零。此模式主要适合用于电能计量情况。在线周期工作模式下，可以每隔固定的时间间隔发送读取电能寄存器中断请求，并且被读完后自动清零电能寄存器。时间间隔可以编程设置。该模式主要使用于电表的校正，但在本方案中，

5、主要用于平均功率的计量。内部具有有效值（）测量模块，可以测量电网中电流，电压的有效值，并用相应的寄存器存储。系统的控制部分则由实现。该通过和，可对的所有寄存器进行读写，其主要负责响应发出的请求，根据不同的中断源分别采取相应的措施。除此之外还必须负责对进行校准以及把正负电能信息进行标定，并且把它们直观地用显示出来，内嵌入的支持在线擦写功能，可以在断电后的瞬间能够及时保存重要信息进行掉电保护，当系统程序跑飞之后，看门狗功能可以使系统自动重启动，并且在自重启之前把重要参数保存到。硬件设计这里仅就本系统中较为关键的部分电路设计做简单介绍。通信设计在整个系统硬件设计中，连接是较为关键的部分之一。连接要能

6、确保通信的稳定性，其参考电路如图所示。图通信连接时作为主机（），作为从机（），把对应的接口直接相连。通常作为只有单一从机的系统，从机的片选应一直接地从而始终处于被选中状态，但是本人在开发过程中发现在这种连接方式下，由于要频繁地对从机读写，通信不是十分稳定，但如果把从机的片选脚与的一个脚相接，当需要与通信时只要选中片选，这样可以使得通信更加稳定。电源设计系统电源采用电容降压电源。该电源成本小。易集成，功耗低非常适合对成本和体积都有较高要求的系统设计。其电路拓扑如图所示。图电源部分电路假设电网频率为，则的容抗为：。，从向右看去的等效负载为则等效电路图可以简化为图所示。从而可以推出两端电压与输入电压

7、的关系为：以黼作为分压电容的电容值一般为几个，在频率为的情况下容抗约为几千欧姆，而等效微处理机短负载一般为欧姆以内，所以蜀从而可知：可，图电源等效电路由上推理可知：电容降压电源中分担了大部分电压所以其耐压至少要，由于其容抗较大，同时起到限流，稳流作用。流过的电流可以近似等于输出的电流大小。作为滤波电容应该选择较大的容值，这样可以保证输入的电压波形中直流分量比重大。除了可以作为滤波作用外更重要的是作为蓄能电容。当发生掉电时，可以通过放电维持系统短暂的工作时间，从而为掉电保护提供前提。作半波整流，稳压管限定了输入端的电压。压敏电阻防止电网浪涌。电容降压电源由于是非隔离的，所以在系统设计的时候要注意

8、防止电击。软件设计系统软件主要由前后台构成，前台负责响应发出中断请求，后台由初始化子程序，功率子程序。有效值测量子程序，双向电能计算子程序，以及显示子程序构成。并设计一个全局标量作为电能读取标志。整个程序流程图如图。图软件总流程图在前台程序里，对发出的外部中断源进行判断。如果发出的是低电压中断请求，则马上进人掉电保护子程序。如果是电能读取请求则置位电能读取标志，该请求在两种情况下可以触发：电能寄存器半满中断或者是线周期中断。在后台中，初始化子程序首先对进行初始化设置使其可以驱动，再对进行初始化，使其工作在半满模式下；把校准好的工作参数写入相应的工作寄存器中使其可以精确运行。最后把保存的历史双向电能从中下载到相应的双向电能加法器中。双向电能计算子程序是本系统软件的核心之一。流程图见图。主要设计思想如下：分别设计一正一负两个电能加法器累加正负电能大小。图双向电能计算子程序当电能读取标志置位时，该进程被触发。当该进程运行后，首先通过中寄