智能电能表的硬件电路与元器件功能分析

1、智能电能表的硬件电路与元器件功能分析论文摘要：智能电能表的全面推广使用是国家电网公司智能电网战略的重要目标之一。本文以基于ATT7022B电能计量芯片的三相费控智能电能表为例，介绍了智能电能表内部的硬件电路设计和电路中配置的主要元器件，并结合目前正在开展的智能电能表质量监督检验工作着重分析了各元器件的功能；介绍了智能电能表检验工作的一般分类、发现的问题与分析解决方案。论文关键词：智能电能表,硬件电路,元器件,质量监督检测国家电网公司在2021年特高压大会上提出建设以特高压电网为骨架、各级电网协调开展的统一坚强智能电网的三步走;规划，其关键技术支持包括高品质的根底电力设施、集成通信、高级计量体系

2、、高级管理及效劳系统。作为智能电网中高级计量体系AdvancedMeteringInfrastructure,AMI的用电信息采集系统的根底设备，智能电能表SmartMeter是供电企业和电力用户之间的联通渠道。它的推广使用是实现电力营销集约化、信息化和智能化管理的重要保证，并促进用户科学合理用电。按照国家电网公司的企业标准，智能电能表应具有有功无功功率计量、用电信息管理、事件记录、费控与时段投切、平安认证等20类功能。为实现上述功能，智能电能表在硬件电路设计和元器件选用上需要执行了更高的要求和标准。对于承当电能表检验工作的网省电力公司和地市县供电公司的计量技术人员而言，掌握智能电能表的内部电

3、路原理与各元器件功能将会极大提高智能电能表检验结果的公正性、可靠度和检验效率，也会促进生产厂家不断完善技术，保障电力用户的切身利益。1.智能电能表的硬件电路智能电能表按照应用环境划分可以简单分为应用于一般居民用户的单相智能电能表和应用于100kVA以上和以下的专用变压器用户等三相用电环境的三相智能电能表，按照费控方式划分可分为本地费控和远程费控两种。智能电能表的硬件电路构成可分为电能计量电路、微控制器MicroControllerUnit,MCU、供电电源电路、通信电路、基于EPROM存储器或Flash存储器的用电信息存储电路、基于ESAM模块的密钥信息管理电路以及其它外围辅助电路包括液晶显示

4、驱动电路、功能按键与报警电路等，利用MCU对各功能电路进行协调控制，实电能计量、费控控制、信息管理与存储、事件记录、异常报警、人机交换等功能。图1所示为三相费控智能电能表的硬件电路原理图。相对于单相费控智能表，三相费控智能表的特点在于计量电路较复杂、存储空间大、事件记录种类多、具有电网监测的功能等。图1三相费控智能电能表硬件电路原理示意图2.智能电能表主要元器件与功能分析以三相远程费控智能电能表负荷开关内置为例，主要元器件包括：电能计量专用芯片、微控制器、ESAM模块、互感器电流、电压、光电耦合器、片式二极管、压敏电阻等。2.1电能计量专用芯片电力线经过电压、电流采样、由强电信号转化成相应的弱

5、点信号输入计量专用芯片。通过AD转换和乘法器运算，测量各相以及合相有功功率、无功功率、视在功率、有功电能、无功电能；同时还能测量供电频率、电压有效值、相电流、功率因数以及相角等用电参数，电量信息以计数脉冲形式输出。考察计量芯片优劣的主要指标是输入动态范围内的非线性误差、测量值精度、一致性与芯片温度影响度。以中标安徽电网的首批三相费控智能电能表为例，使用的计量芯片为工业级ATT7022系列，图2所示为ATT7022B内部结构框图。图2电能计量专用芯片ATT7022B内部结构框图ATT7022B内部集成了六路二阶-模拟-数字转换，提供一个SPI接口与外部微控制器进行计量参数与校表参数的传递，适用于

6、三相三线和三相四线智能电能表。计量变差范围为0.1%，在输入动态工作范围1000:1内，非线性测量误差小于0.1%，芯片内部参考电源温度变化小于30ppm，工作温度范围为-4085。2.2微控制器微控制器是智能电能表硬件电路的控制中心。它对电能计量芯片中的电能数据进行读取并存储至存储器，根据表内设置的常数和时段费率表对电量进行复费率处理，控制液晶驱动电路使液晶显示电能、费率等信息。支持ISO7816、DL/T645-2007协议，通过RS485、红外、载波等方式进行通信、控制报警器、接收功能按键的命令信息并执行操作。主要性能指标为：运行速率、RAM空间大小和工作温度。目前，中标安徽电网的三相智

7、能电能表多使用德州仪器生产的MSP430F5438芯片作为微控制器，支持16位AD转换、16kBRAM和256kBFlash，工作温度为-4085，与计量芯片ATT7022匹配。2.3ESAM模块ESAM是嵌入式平安模块EmbeddedSecureAccessModule的简称，多用于水、电、气表中，完成与表的本地或远程控制系统的双向认证。对于智能电能表，ESAM是用电信息密钥管理系统在智能电能表内部的认证、执行终端，主要用于智能表与远程控制主站的通讯数据的加密和解密以及特殊数据的存储，防止线路上的恶意侦测，以保证远程控制的数据平安。2.4电压、电流互感器电压、电流互感器在智能电能表中，用于将

8、电力线输出的强电信号降至可供采样测量的弱电信号，同时起到强电电路和弱电电路之间的电气隔离作用。目前智能电能表中普遍使用的是电子式电压、电流互感器，其特点是精度高、动态测量范围大、抗电磁干扰性能强、体积小质量轻等。考量电压、电流互感器优劣的指标有精度、线性度和抗电强度。2.5光电耦合器光电耦合器简称光耦，以光为媒介、按照电-光-电;的方式实现信号的传输，使输入、输出之间实现电气隔离。智能电能表电路设计中，光耦一般配置在功能脉冲输出端和RS485接口电路端，不仅提高电路的电绝缘能力和实现输入、输出电气隔离，还能提高电路抗干扰能力和共模抑制能力。光耦的主要性能指标参量有电流传输比CTR、正向压降V、

9、反向击穿电压V以及工作温度。2.6片式二极管在智能电能表中，片式二极管主要有整流二级管、稳压二极管、瞬态抑制二极管等。整流二极管在智能电能表中主要用于电源的整流，其性能指标有反向耐压、正向最大电流、反向电流。稳压二极管和瞬态抑制二极管是一种直到临界反向击穿电压前都具有很高电阻的半导体器件，在临界击穿点上，反向电阻降低到一个很小的数值，电流增加而电压那么保持恒定，用于保护接口电路，这两种二极管主要用于通讯接口的保护，其性能指标有稳定电压、电压温度系数、稳定电流、最大允许功耗等。2.7压敏电阻压敏电阻一般安装在智能电能表相线输入最前端，对于三相四线表加在各相线与零线之间，对于三相三线表加在各相线A

10、、C相与B相之间。作为一种电路保护元器件，压敏电阻主要用于泻放线路上瞬间脉冲电压和浪涌冲击，以保护后端电路和精密元器件免受损坏，其主要性能指标为动作电压、工作电压和冗余量。需要指出的是，除上述主要元器件外，其它一些元器件的优劣也影响着智能电能表性能。如电压采样使用的取样电阻，其阻值受环境温度和外部强电压影响较大进而影响电压采样的准确性和电能计量准确性。因而，取样电阻的优劣局部程度上决定着智能电能表能否通过温度试验和耐压试验。3.智能电能表性能检验智能电能表性能检验分为出厂检验、型式检验、全性能检验、抽样验收检验和全检验收检验。其中，在生产厂家批量供货前的全性能试验由网省电力计量中心组织实施，以

11、确定电能表规定的特性并证明其与标准要求的符合性。全性能检验包括机械性能、准确度、功能性、电气性能、费控、电磁兼容性等10个大项、计59个小项的试验。当前，对智能电能表的硬件电路检验方面主要开展的是开盖元器件比对，即依据电表供给商的中标文书中的元器件清单，翻开抽样表盒盖进行元器件逐个对照。限于生产厂家的技术保密而无法提供电路设计原理图，硬件电路其它性能，如PCB布线的合理性，是难以直接实施检测的，需要通过其它工程试验如电气性能试验和电磁兼容性试验来反映和溯源。如光耦和电源变压器的设计不完善或配置不够会导致电表无法通过绝缘耐压试验，压敏电阻的容量不够会导致电能表无法通过浪涌抗干扰试验，而分流器和互

12、感器由于易受到磁场干扰，它们的性能优劣决定着电表能否通过电磁场辐射抗扰度试验。实际检验中发现，由于市场元器件采购压力大，局部厂家存在私自更换元器件品牌的情况，如一厂家擅自将原定的NEC光耦更改成光宝光耦。此外，也有厂家试图简化硬件电路设计以降低本钱，在一次电快速瞬变脉冲群抗扰度试验中，由于某厂家删去了原有设计中的电源端配置共模电感和匹配电容，导致出现重大不稳定偏差。发现上述情况后，相应厂家均被责令带回电表进行返厂整改。4.总结硬件电路的有效设计和元器件的准确配置是智能电能表实现精确电能计量、费控、通信、平安认证等所有预定功能的前提条件。本文介绍的硬件电路设计方案、主要元器件功能与性能指标参数以及在实际检验中发现的情况、总结的经验将会给网省和地市计量检定人员提供一些参考，以确保智能电能表安装前检定工作的完成。参考文献1 宗建华,闫华光,史树冬等.智能电能表. 北京:中国电力出版社. 2021.9.2 国家电网公司企业标准. Q/GDW 354-2021: 智能电能表功能标准.3 张瑞占,屈百达. 基于ATT7022B三相精确计量智能电能表设计. 电子测量技术. 2021, 9(31): 150-153.4 钱云,庄严,鲁子卉. 基于CS5460A芯片的智能电能表设计. 仪表技术. 2007(5): 8-10.6 Texas Instruments. MSP