单相、三相多功能电能表及网络电能表原理及设计

单相、三相多功能电能表及网络电能表原理及设计

中国目前已成为世界电能计量行业最具有活力的市场。城乡电网改造结束后，电能表市场需求从高速增长期逐步向平稳发展期过渡，居民新增表、网改轮换表以及对外出口的推动使电能表仍有巨大的市场容量。同时电能表也从普通功能型向长寿命、高精度、分时段、多功能、网络化等高科技含量和高附加值的方向发展。

图1：单相多功能电能表功能框图。

单相多功能电能表

本文介绍的方案的电能计量芯片选用美国ADI公司的ADE7753。ADE7753集成了2路16位Δ-ΣADC、高性能DSP、电压基准及温度传感器等电路，在1000:1动态范围内误差小于0.1%；提供有功、无功及视在电能、电压、电流有效值及波形采样等数据；功率、相位及输入失调可实现数字校准；在环境条件变化很大和长时间使用条件下，采用专利技术的ADC及DSP仍能保证高精度。实时时钟(RTC)选用EPSON公司的RX8025，单片机每隔一段时间根据环境温度的变化对RX8025的内置晶体进行补偿，以实现高稳定高精度的实时时钟。

下面对基于以上芯片方案在单相多功能电能表应用中的一些关键问题进行讨论。

1．如何选择电流传感器

电流传感器具有多种选择，各自具有不同的特点：电流互感器(CT)的优点是信号大、精度高、信号完全隔离，缺点是成本高、存在相差，并且在大电流或电网中存在直流分量时容易饱和；锰铜分流器的优点是成本低，不受直流分量影响，缺点是信号小，存在寄生电感，并且不隔离；di/dt微分电流传感器彻底消除了锰铜分流器不隔离、存在寄生电感的缺点，也消除了传统的电流互感器的相位误差和大电流时过饱和的缺点，而且成本非常低廉。

2．如何实现防窃电功能

ADE7753只有1路电流通道，要实现防窃电功能，必须使用模拟开关在零线和火线CT之间进行切换。使ADE7753工作于LINE CYCLE(整数电压周期)工作模式(LINCYC=2)，计算电能及电流等数据。隔一段时间把电流切换到另一通道，比较两路的电流大小是否超出一定值，如超出则给出窃电标志，电能按电流较大的通道计算。切换期间的电能数据使用上个LINCYC数据。

3．如何对无功电能进行补偿

ADE7753的无功计算是将电流移相90°与电压进行相乘得到的。由于移相存在有微小角差，要得到高精度的无功电能，可进行相位补偿。补偿公式：Q=S×Sin(f+D)=S×Sinf×CosD+S×Cosf×SinD=Qr+Pr×C，即相位补偿只需将有功寄存器值乘一常数加到无功寄存器值上即可。当电网频率发生变化时，移相器的角差也会发生线性变化，此时无功电能的频率补偿方法是：Q(f0)=Q(fl)×fl/f0，其中f0为基准频率、fl为电网频率。

4．如何输出无功电能脉冲

图2：三相多功能电能表框图。

ADE7753只有有功的电能脉冲输出，无功电能脉冲必须由MCU发出。有两种方法：1.

不断读取电能值进行累加，达到脉冲当量时即发出脉冲；2. MCU根据功率值，定时发出脉冲。前者受读数据间隔及MCU速率影响，会造成精度有一定跳动；后者的脉冲跳动很小，但要占用MCU的定时器资源。

5．为何选用RF通讯而不是红外通讯

红外通讯在实际应用中存在一些缺点：通讯距离小于10米、具有方向限制、通讯速率低、易受太阳光、日光等光线干扰影响通讯。这里选用了ADI公司的RF芯片ADF7020，它克服了红外通讯的缺点，其通讯距离可超过200米、无方向限制、波特率可达9,600、抗干扰强，并可通过软件协议进行联网。

三相多功能电能表

精度为0.5级和0.5S的三相多功能电能表可以采用ADE7758。ADE7758内部集成了6路16位Δ-ΣADC、高性能DSP、电压基准及温度传感器等电路，在1000:1动态范围内误差小于0.1%；提供有功、无功及视在电能、电压、电流有效值及波形采样等数据；三相三线/三相四线兼容；DSP内部对无功电能进行了补偿；提供独立的有功电能及无功电能脉冲输出。这些功能特点大大减少了MCU的软件开发工作量。

三相多功能电能表面临以下的问题：不断增加的功能要求(四象限有功、无功电能计量、谐波分析、智能抄表、用电管理及负荷控制等)；不断提高的精度要求；不断升级的通讯协议；越来越严格的成本控制。下面介绍采用Blackfin高性能DSP处理器实现的0.2级三相多功能电能表的方案。

高精度电能表对处理器的要求：乘法速度快，能满足每个周期160点6个通道的计算；比较大的RAM空间，可以轻松完成FFT(傅立叶变换)和其它滤波处理；具有比较高的数据接口，6个通道8kHz采样数据能顺利传输到处理器；能够方便增加功能，满足电能表不断变化的需求；电磁兼容性好，产品做出来不仅指标高，还要耐用；开发环境好，能比较快上市；比较低的成本，与进口表相比具有优势。采用Blackfin高性能DSP处理器解决方案可以满足以上要求:可以使用过采样提高精度；可以使用高速采样提高谐波精度；可以使用系统资源获得高稳定的校表输出；可以使用丰富的内存资源对被测量作细微补偿。A/D转换采用了AD73360，它能保证6路模拟信号同时采样，且在变换过程中延迟很小，非常适合三相电能的采样。

网络电能表

这是一种基于西门子公司TC45无线模块的无线抄表系统解决方案。本方案通过GPRS网络实现对电力抄表系统的数据传输和智能控制。

图3：系统框图。

系统充分利用了TC45支持GPRS、内嵌TCP/IP协议、能够进行二次开发等智能化特性，通过TC45模块建立GPRS无线通信链路，进行基于TCP/IP的数据传输，实现了IP地址设定、电能表数据无线抄读、电能表数据定时存储、远程I/O端口控制、报警通知、充电管理、停电数据保护、自动重启、三相供电、实时时钟等十大功能。系统中所有数据传输均严格遵循多功能电能表通信规范，即645标准，具有良好的可移植性和可扩展性。

系统由多功能电能表、TC45模块扩展板和服务器端组成，如图3所示。扩展板电路向客户开放。TC45模块的串口2经光隔离RS485接口与电能表连接，实现了抄读等数据通信和对电能表的智能控制。具体实现：模块接收服务器端通过GPRS网络传达的数据，经过分析，相关查询指令通过串口2传输给电能表，电能表接收到查询命令后，反馈回相关的信息，然后经过模块的分析校验以及相应的处理后，回送到服务器端。模块的通用I/O接口通过中间电路，实现继电器拉闸和报警等智能处理。一旦有断电、超温等报警事件发生，TC45端将作相应的事件记录，然后向服务器发出相应的报警信息。

1．服务器端软件实现

首先，服务器向模块发送带有IP地址的短消息，然后等待模块端与服务器的连接。一旦连接成功，即可以向模块端发送查询实时数据，读取定时抄读文件以及远程I/O控制等命令。然后，对接收到的反馈信息进行校验，并作相应的处理与显示。同时服务器也开启连接查询功能，以确保与模块端的通信连接畅通。

2．模块端软件实现

初始化及通信连接：该部分是在模块端程序运行时首先执行的部分，对模块进行初始化操作，然后等待服务器端的IP短消息，从中提取出IP地址，然后向服务器端发起连接。一旦连接成功，模块开始等待服务器端发送来的相应命令。

数据接收和发送：当连接成功后，该部分负责与服务器端的数据通信，以及与电能表的数据通信。

数据分析处理：当接收到服务器端的控制查询命令后，先进行校验，然后分析该指令，执行相应的操作。当从电能表端收到信息时，对数据进行校验，然后提取有用的信息，转换成发送给服务器的数据格式，然后交由数据接收和发送部分发送数据。

智能控制：通过TC45的GPIO接口，对电能表进行控制，包括断电、超温、开关等报警控制处理，记录相应数据后，向服务器端发送报警信号，同时也接收服务器端的远程控制命令，做相应LED的开关。

定时抄读：该部分定时对电能表进行抄读，然后将数据以文件形式保存在模块的闪存中，以便服务器端在需要的时候读取定时的抄读数据。

图4：模块硬件框图。

连接保护：定时地接受服务器端的连接查询命令，以确保链路的正常工作。一旦发生连接断开，则程序等待服务器端的IP短消息，进行再次连接。

3．模块端硬件实现

模块端的硬件实现如下：三相变压器整流后的直流电源经DC/DC变换后提供给充电电路对锂电池进行充电；充电锂电池向TC45提供工作电源，使TC45在断电时有充足时间进行现场保存；IGT电路对电池及供电电压进行判断以向TC45模块发出启动信号；LDO电路提供外围电路的工作电压；电源监视电路当供电电压低于设定值时向TC45发出断电报警信号；温度开关电路当外界温度超出设定范围时关断DC/DC电源并向TC45发出超温报警信号；RS485接口用于与多功能电能表相连；遥控电路用于继电器、信号灯等开关信号的开合控制；遥信电路当输入开关信号发生变化时向TC45发出事件报警信号；RTC电池用于向TC45的实时钟电路提供电源。

西门子公司最新推出了代替TC45的无线模块TC65及MC55。TC65与TC45一样使用JAVA平台开发，内嵌TCP/IP协议，但资源更丰富：1.7Mb FLASH、400kb RAM，并提供GPIO、SPI、I2C、USB等各种外围接口。MC55是一种低成本的内置完整TCP/IP协议的GPRS模块，它通过串口使用AT命令与MCU接口，相对JAVA更加接近电能表设计工程师的开发习惯。

本文小结

近几年来，随着新技术的不断涌现以及生产工艺的革新，电能表的产品结构发生了很大变化，不断从低附加值向高附加值过渡，技术含量大大增加。电能表不再仅作为单一仪表而存在，已由单一的计量抄表功能向模块化、智能化、多功能、系统化和多元化发展。