多費(fèi)率電能表設(shè)計(jì)策略分析
當(dāng)前，由于電力供需矛盾十分突出，國家提倡能源的節(jié)約，尤其是電能的節(jié)約，制定措施推行分時(shí)電價(jià)和電力負(fù)荷控制裝置的應(yīng)用。95年以來全面推行分時(shí)電價(jià)，這幾年也正是復(fù)費(fèi)率電能表迅速發(fā)展的時(shí)期。電能表也不再是簡(jiǎn)單的電能計(jì)量，而是集計(jì)量、電能管理、事件記錄、自動(dòng)抄表功能于一體的高科技產(chǎn)品。隨著計(jì)量芯片的推陳出新，功能日益強(qiáng)大，不僅具有完善的模擬采樣校驗(yàn)功能，而且還引入了數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，可以計(jì)算多個(gè)電量參數(shù)，大大簡(jiǎn)化了多功能表的軟硬件設(shè)計(jì)。
作者：嚴(yán)國強(qiáng) 
圖1：?jiǎn)蜗鄰?fù)費(fèi)率電能表系統(tǒng)框圖。
本單相多費(fèi)率電能表采用ADI公司的ADE775X作為計(jì)量芯片，以及Microchip公司的MCU PIC16F7X作為主控芯片，系統(tǒng)框圖如圖1所示。本文主要以組成原理、模擬前端設(shè)計(jì)、主控MCU功能、PCB抗干擾設(shè)計(jì)和PCB的布線以及元器件質(zhì)量對(duì)電能表精度的影響等幾個(gè)方面進(jìn)行討論。
組成原理
接入線路后，電表通過分流電阻或電流互感器對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣，經(jīng)放大、乘法、積分、V/F變換、分頻功率驅(qū)動(dòng)等電路處理，利用ADE775x輸出標(biāo)準(zhǔn)脈沖，MCU(PIC16F7X)微控制處理器計(jì)量脈沖數(shù)或直接通過其SPI讀取有功電量并根據(jù)預(yù)先設(shè)定的時(shí)段運(yùn)算出電量在LCD上顯示，并將數(shù)據(jù)結(jié)果保存到EEPROM。本表設(shè)有斷電數(shù)據(jù)自動(dòng)保存功能、時(shí)鐘不中斷等功能，采用專用POS機(jī)進(jìn)行紅外通訊或RS-485標(biāo)準(zhǔn)接口通訊連接，對(duì)時(shí)段、需量窗口寬度等參數(shù)設(shè)置，并可以察看分段電量和需量等，實(shí)現(xiàn)了單相四費(fèi)率分時(shí)電能計(jì)量、預(yù)置、抄表等集線抄表網(wǎng)絡(luò)功能。
模擬前端設(shè)計(jì)
圖2給出了兩種電流信號(hào)采樣處理方式，一種經(jīng)過電流互感器接入采樣處理電路(如圖2a)，另一種是經(jīng)過分流電阻采樣處理電路(如圖2b)。本設(shè)計(jì)采用第二種方法獲取電流信號(hào)，電壓信號(hào)檢測(cè)一般采用簡(jiǎn)單的電阻衰減網(wǎng)絡(luò)分壓獲得(如圖2c)。
圖2. 模擬前端信號(hào)處理。
1．電流輸入
a. 電流互感器
電流互感器次級(jí)電流由次級(jí)繞阻輸出負(fù)載阻抗轉(zhuǎn)化為一個(gè)電壓量。值得注意的是，如果次級(jí)開路，即不接負(fù)載，在次級(jí)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)非常大的電壓，可能引起器件損壞。絕大多數(shù)電流互感器在50Hz/60Hz存在0.1°-1°相位漂移，導(dǎo)致電量測(cè)量誤差，尤其是在低功率因數(shù)時(shí)，這種相位漂移或相位誤差可以通過相位調(diào)整寄存器來糾正。
b. 分流電阻
使用分流電阻來實(shí)現(xiàn)電流至電壓的轉(zhuǎn)化是一種單相兩線電能表應(yīng)用的低成本實(shí)現(xiàn)方法。兩線應(yīng)用不需要隔離，分流電阻與電流互感器相比不僅沒有直流飽和問題的困擾，而且相位響應(yīng)線性度動(dòng)態(tài)范圍寬。盡管分流電阻并非純阻抗，存在一定的感性電抗，在50Hz/60Hz比較明顯，即與之相連的信號(hào)會(huì)存在一個(gè)超前相位漂移，但很容易用一個(gè)濾波網(wǎng)絡(luò)(R41/C11和R42/C21)來補(bǔ)償。
2. 電壓輸入
電壓輸入可以直接連接到線路電壓輸入端，通過增加一個(gè)簡(jiǎn)單的電阻分壓網(wǎng)絡(luò)衰減至合適的范圍，再接至計(jì)量芯片ADE775X。電壓通道由于其相對(duì)信號(hào)較大且要求的動(dòng)態(tài)范圍小，通常配置為單端輸入，如圖2c。V2P允許的最大輸入電壓對(duì)地應(yīng)該不超過±0.5V，衰減網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)應(yīng)易于修改。但是為保持通道1、通道 2的相位響應(yīng)一致，電阻R56(1kΩ)不應(yīng)該改變。
主控MCU部分設(shè)計(jì)
圖3. RS485通訊接口設(shè)計(jì)。
1．器件選擇
如圖1，主控MCU部分不僅需要準(zhǔn)確采集實(shí)時(shí)有功脈沖信號(hào)，產(chǎn)生計(jì)量脈沖信號(hào)(采用同一信號(hào)源作為電量累計(jì)和計(jì)量，這很重要)，而且需要根據(jù)實(shí)時(shí)時(shí)鐘切換費(fèi)率，保存分時(shí)電量及月電量切換，按照需求顯示電量以及相關(guān)數(shù)據(jù)。另外，由于一年中溫差顯著，對(duì)實(shí)時(shí)時(shí)鐘的頻偏不能滿足要求，因此需要實(shí)時(shí)檢測(cè)溫度變化，補(bǔ)償實(shí)時(shí)時(shí)鐘頻偏，以滿足各地對(duì)時(shí)間偏差的要求。為保證電量不丟失，還需要掉電檢測(cè)，及時(shí)保存電量。按照以上要求我們選擇MICROCHIP PIC16F76。為方便軟硬件設(shè)計(jì)，在外設(shè)上我們需用不同設(shè)備號(hào)I2C接口器件，如數(shù)據(jù)存儲(chǔ)24LC16、實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片RX-8025(帶校正功能)、溫度檢測(cè)芯片TCN75、LCD驅(qū)動(dòng)芯片PCF8576C。
2．通訊接口設(shè)計(jì)
另外提供兩路物理上完全獨(dú)立的通訊接口(RS485和紅外)，供校表、編程和抄表用。在RS485接口設(shè)計(jì)中采用無間斷收發(fā)切換設(shè)計(jì)，改變了傳統(tǒng)三線方式接口設(shè)計(jì)。如圖3。
3. 掉電處理的兩點(diǎn)建議
硬件上，MCU供電電源整形電解電容的容量應(yīng)該根據(jù)掉電檢測(cè)開始至完成電量存儲(chǔ)所需正常工作電壓所需的時(shí)間間隔來確定，建議使用2,200uF/16V電解電容。
軟件上一旦檢測(cè)到掉電，關(guān)閉中斷，所有不需用的輸入輸出口應(yīng)遵循電流消耗最少的原則，置為輸入或輸出相應(yīng)的電平，以保證有足夠的能量保存電量以及相關(guān)的信息。軟件設(shè)計(jì)流程如圖4所示。
抗EFT/EMI設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)參考
圖4：主程序流程框圖。
為了通過EFT高壓快速脈沖測(cè)試，設(shè)計(jì)中應(yīng)該值得考慮的是：
