單相、三相多功能電能表及網絡電能表原理及設計

中國目前已成為世界電能計量行業最具有活力的市場。城鄉電網改造結束后，電能表市場需求從高速增長期逐步向平穩發展期過渡，居民新增表、網改輪換表以及對外出口的推動使電能表仍有巨大的市場容量。同時電能表也從普通功能型向長壽命、高精度、分時段、多功能、網絡化等高科技含量和高附加值的方向發展。

圖1：單相多功能電能表功能框圖。

單相多功能電能表

本文介紹的方案的電能計量芯片選用美國ADI公司的ADE7753。ADE7753集成了2路16位Δ-ΣADC、高性能DSP、電壓基準及溫度傳感器等電路，在1000:1動態范圍內誤差小于0.1%；提供有功、無功及視在電能、電壓、電流有效值及波形采樣等數據；功率、相位及輸入失調可實現數字校準；在環境條件變化很大和長時間使用條件下，采用專利技術的ADC及DSP仍能保證高精度。實時時鐘(RTC)選用EPSON公司的RX8025，單片機每隔一段時間根據環境溫度的變化對RX8025的內置晶體進行補償，以實現高穩定高精度的實時時鐘。

下面對基于以上芯片方案在單相多功能電能表應用中的一些關鍵問題進行討論。

1．如何選擇電流傳感器

電流傳感器具有多種選擇，各自具有不同的特點：電流互感器(CT)的優點是信號大、精度高、信號完全隔離，缺點是成本高、存在相差，并且在大電流或電網中存在直流分量時容易飽和；錳銅分流器的優點是成本低，不受直流分量影響，缺點是信號小，存在寄生電感，并且不隔離；di/dt微分電流傳感器徹底消除了錳銅分流器不隔離、存在寄生電感的缺點，也消除了傳統的電流互感器的相位誤差和大電流時過飽和的缺點，而且成本非常低廉。

2．如何實現防竊電功能

ADE7753只有1路電流通道，要實現防竊電功能，必須使用模擬開關在零線和火線CT之間進行切換。使ADE7753工作于LINE CYCLE(整數電壓周期)工作模式(LINCYC=2)，計算電能及電流等數據。隔一段時間把電流切換到另一通道，比較兩路的電流大小是否超出一定值，如超出則給出竊電標志，電能按電流較大的通道計算。切換期間的電能數據使用上個LINCYC數據。

3．如何對無功電能進行補償

ADE7753的無功計算是將電流移相90°與電壓進行相乘得到的。由于移相存在有微小角差，要得到高精度的無功電能，可進行相位補償。補償公式：Q=S×Sin(f+D)=S×Sinf×CosD+S×Cosf×SinD=Qr+Pr×C，即相位補償只需將有功寄存器值乘一常數加到無功寄存器值上即可。當電網頻率發生變化時，移相器的角差也會發生線性變化，此時無功電能的頻率補償方法是：Q(f0)=Q(fl)×fl/f0，其中f0為基準頻率、fl為電網頻率。

4．如何輸出無功電能脈沖

圖2：三相多功能電能表框圖。

ADE7753只有有功的電能脈沖輸出，無功電能脈沖必須由MCU發出。有兩種方法：1.

不斷讀取電能值進行累加，達到脈沖當量時即發出脈沖；2. MCU根據功率值，定時發出脈沖。前者受讀數據間隔及MCU速率影響，會造成精度有一定跳動；后者的脈沖跳動很小，但要占用MCU的定時器資源。

5．為何選用RF通訊而不是紅外通訊

紅外通訊在實際應用中存在一些缺點：通訊距離小于10米、具有方向限制、通訊速率低、易受太陽光、日光等光線干擾影響通訊。這里選用了ADI公司的RF芯片ADF7020，它克服了紅外通訊的缺點，其通訊距離可超過200米、無方向限制、波特率可達9,600、抗干擾強，并可通過軟件協議進行聯網。

三相多功能電能表

精度為0.5級和0.5S的三相多功能電能表可以采用ADE7758。ADE7758內部集成了6路16位Δ-ΣADC、高性能DSP、電壓基準及溫度傳感器等電路，在1000:1動態范圍內誤差小于0.1%；提供有功、無功及視在電能、電壓、電流有效值及波形采樣等數據；三相三線/三相四線兼容；DSP內部對無功電能進行了補償；提供獨立的有功電能及無功電能脈沖輸出。這些功能特點大大減少了MCU的軟件開發工作量。

三相多功能電能表面臨以下的問題：不斷增加的功能要求(四象限有功、無功電能計量、諧波分析、智能抄表、用電管理及負荷控制等)；不斷提高的精度要求；不斷升級的通訊協議；越來越嚴格的成本控制。下面介紹采用Blackfin高性能DSP處理器實現的0.2級三相多功能電能表的方案。

高精度電能表對處理器的要求：乘法速度快，能滿足每個周期160點6個通道的計算；比較大的RAM空間，可以輕松完成FFT(傅立葉變換)和其它濾波處理；具有比較高的數據接口，6個通道8kHz采樣數據能順利傳輸到處理器；能夠方便增加功能，滿足電能表不斷變化的需求；電磁兼容性好，產品做出來不僅指標高，還要耐用；開發環境好，能比較快上市；比較低的成本，與進口表相比具有優勢。采用Blackfin高性能DSP處理器解決方案可以滿足以上要求:可以使用過采樣提高精度；可以使用高速采樣提高諧波精度；可以使用系統資源獲得高穩定的校表輸出；可以使用豐富的內存資源對被測量作細微補償。A/D轉換采用了AD73360，它能保證6路模擬信號同時采樣，且在變換過程中延遲很小，非常適合三相電能的采樣。

網絡電能表

這是一種基于西門子公司TC45無線模塊的無線抄表系統解決方案。本方案通過GPRS網絡實現對電力抄表系統的數據傳輸和智能控制。

圖3：系統框圖。

系統充分利用了TC45支持GPRS、內嵌TCP/IP協議、能夠進行二次開發等智能化特性，通過TC45模塊建立GPRS無線通信鏈路，進行基于TCP/IP的數據傳輸，實現了IP地址設定、電能表數據無線抄讀、電能表數據定時存儲、遠程I/O端口控制、報警通知、充電管理、停電數據保護、自動重啟、三相供電、實時時鐘等十大功能。系統中所有數據傳輸均嚴格遵循多功能電能表通信規范，即645標準，具有良好的可移植性和可擴展性。

系統由多功能電能表、TC45模塊擴展板和服務器端組成，如圖3所示。擴展板電路向客戶開放。TC45模塊的串口2經光隔離RS485接口與電能表連接，實現了抄讀等數據通信和對電能表的智能控制。具體實現：模塊接收服務器端通過GPRS網絡傳達的數據，經過分析，相關查詢指令通過串口2傳輸給電能表，電能表接收到查詢命令后，反饋回相關的信息，然后經過模塊的分析校驗以及相應的處理后，回送到服務器端。模塊的通用I/O接口通過中間電路，實現繼電器拉閘和報警等智能處理。一旦有斷電、超溫等報警事件發生，TC45端將作相應的事件記錄，然后向服務器發出相應的報警信息。

1．服務器端軟件實現

首先，服務器向模塊發送帶有IP地址的短消息，然后等待模塊端與服務器的連接。一旦連接成功，即可以向模塊端發送查詢實時數據，讀取定時抄讀文件以及遠程I/O控制等命令。然后，對接收到的反饋信息進行校驗，并作相應的處理與顯示。同時服務器也開啟連接查詢功能，以確保與模塊端的通信連接暢通。

2．模塊端軟件實現

初始化及通信連接：該部分是在模塊端程序運行時首先執行的部分，對模塊進行初始化操作，然后等待服務器端的IP短消息，從中提取出IP地址，然后向服務器端發起連接。一旦連接成功，模塊開始等待服務器端發送來的相應命令。

數據接收和發送：當連接成功后，該部分負責與服務器端的數據通信，以及與電能表的數據通信。

數據分析處理：當接收到服務器端的控制查詢命令后，先進行校驗，然后分析該指令，執行相應的操作。當從電能表端收到信息時，對數據進行校驗，然后提取有用的信息，轉換成發送給服務器的數據格式，然后交由數據接收和發送部分發送數據。

智能控制：通過TC45的GPIO接口，對電能表進行控制，包括斷電、超溫、開關等報警控制處理，記錄相應數據后，向服務器端發送報警信號，同時也接收服務器端的遠程控制命令，做相應LED的開關。

定時抄讀：該部分定時對電能表進行抄讀，然后將數據以文件形式保存在模塊的閃存中，以便服務器端在需要的時候讀取定時的抄讀數據。

圖4：模塊硬件框圖。

連接保護：定時地接受服務器端的連接查詢命令，以確保鏈路的正常工作。一旦發生連接斷開，則程序等待服務器端的IP短消息，進行再次連接。

3．模塊端硬件實現

模塊端的硬件實現如下：三相變壓器整流后的直流電源經DC/DC變換后提供給充電電路對鋰電池進行充電；充電鋰電池向TC45提供工作電源，使TC45在斷電時有充足時間進行現場保存；IGT電路對電池及供電電壓進行判斷以向TC45模塊發出啟動信號；LDO電路提供外圍電路的工作電壓；電源監視電路當供電電壓低于設定值時向TC45發出斷電報警信號；溫度開關電路當外界溫度超出設定范圍時關斷DC/DC電源并向TC45發出超溫報警信號；RS485接口用于與多功能電能表相連；遙控電路用于繼電器、信號燈等開關信號的開合控制；遙信電路當輸入開關信號發生變化時向TC45發出事件報警信號；RTC電池用于向TC45的實時鐘電路提供電源。

西門子公司最新推出了代替TC45的無線模塊TC65及MC55。TC65與TC45一樣使用JAVA平臺開發，內嵌TCP/IP協議，但資源更豐富：1.7Mb FLASH、400kb RAM，并提供GPIO、SPI、I2C、USB等各種外圍接口。MC55是一種低成本的內置完整TCP/IP協議的GPRS模塊，它通過串口使用AT命令與MCU接口，相對JAVA更加接近電能表設計工程師的開發習慣。

本文小結

近幾年來，隨著新技術的不斷涌現以及生產工藝的革新，電能表的產品結構發生了很大變化，不斷從低附加值向高附加值過渡，技術含量大大增加。電能表不再僅作為單一儀表而存在，已由單一的計量抄表功能向模塊化、智能化、多功能、系統化和多元化發展。