多费率电能表

作者：信息来源:电子市场 2007-6-7

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摘要：介绍多费率电能表应具有的基本功能，多费率电能表的工作原理、硬件原理框图和控制程序流程图。关键词：多费率电能表。时钟。单片机多费率电能表是有数个计数器，每个计数器在规定的时间间隔内对应不同的费率工作（记录电能）的电能表。...

摘要：介绍多费率电能表应具有的基本功能，多费率电能表的工作原理、硬件原理框图和控制程序流程图。　　
　　关键词：多费率电能表；时钟；时段；单片机

　　多费率电能表有数个计数器，每个计数器在规定的时间间隔内对应不同的费率工作（记录电能）的电能表。
1　引言
　　电网负荷不断变化，有时出现用电高峰，有时出现用电低谷。在发、供电设备容量一定的情况下，当电网负载处于高峰时，由于电力负荷大于发电机出力，导致电网频率降低，甚至危及系统的安全运行；当电网负荷处于低谷时，由于发电机出力明显减少，使得发供电设备容量不能充分利用，系统运行很不经济。为解决电力供求矛盾，特别是用电高峰时的矛盾，以前在不扩大设备容量的情况下，主要通过行政手段拉电解决。现在又增加了一种经济调控手段，为提高负荷高峰时电能的售价，降低负荷低谷时的电能售价，即实行分时电价。从经济上鼓励低谷时间多用电，鼓励非连续生产部门避开高峰负荷用电，削峰填谷。多费率电能表在此背景下应运而生。
　　按电能测量单元的工作原理，多费率电能表可分为混合式多费率电能表和静止式多费率电能表两种类型。
2　多费率电能表标准
　　经家技术监督局批准，国内于1995年首次发布了“复费率（分时）电度表”（GB／T15284－94）。实施了若干年后并照IEC规范，经修订，国家质量监督检验检疫总局于2002年8月5日发布了代替GB／T15284－94的新标准———“多费率电能表　特殊要求”（GB／T15284－2002）。标准规定了固定安装的、测量参比频率为50Hz（或60Hz）交流有功和／或无功电能的多费率电能表的分类、要求、试验方法和检验规则等。在标准的“要求”部分，GB／T15284－2002对电能表的功能、机械、电气、准确度、气候条件、电磁兼容、输出装置、电能示值误差和平均寿命等的特殊要求作了规定。比如，它应具有下列基本功能：
　　有日历、时钟。在24h内至少可任意编程8个时段（最小间隔15min），至少有2个费率计数器。至少存储上月总电能和各费率电能量值（被测量值可用机电计数器或电子显示器显示），通过数据通信接口可以读出。（每月只允许一次）时间指示偏差±10min内的校准功能。对电子显示器具有自检、计数器复零（应有防止非授权人进行操作的措施）及显示方式选择等功能。应能记录最后一次编程日期及已编程的总次数。
　　根据用户需要，还可以增加功率反向指示及事件记录（单相表）功能，分相计量及事件记录（三相四线静止式表）功能，节假日及特殊日的费率时段、失压记录及失压计时等功能。
3　多费率电能表
3．1　工作原理
　　多费率电能表由电能测量单元与具有分时计量功能的电路组成，原理框图如图1所示。对混合式电能表而言，测量单元主要为感应系测量机构和将电能转换为脉冲输出的光电转换器两部分。对静止式电能表而言，测量单元主要为测量电能的固态电子器件。从去年8月开始，本讲座已介绍了国内外多家公司生产的具有种功能的器件和围绕它们构成的电子电能表。详细内容见第二～第八讲。分时计量功能是多费率电表特有的功能。为了实现分时计量，电表中设有计时准确、时段误差和日误差小、接通／切换准确的时钟和时控电路。因为晶体振荡器的振荡频率稳定度很高，故一般用它作为电能表时钟电路的时基。时基经分频产生秒信号；秒信号经计数产生分、时等时钟信号。时控部分将时间信号分段，控制尖控门、峰控门、谷控门或平控门的开与关，实现电能的分时多费率计量。

3．2　硬件
　　多费率电能表的硬件结构框图如图2所示。一块电能表通常由测量单元、时钟、单片机、显示器／计数器、存储器、电源、通信接口和操作键等几部分组成。

　　测量单元　测量有功／无功电能并将其转换成对应的电能脉冲。静止式电能表常围绕ADE7755、BL0955、CS5460A等芯片构成测量单元。
　　时钟　多费率电能表中必须设置准确的实时时钟，保证时段的正确切换。实时时钟分硬时钟和软时钟两种。硬时钟不需要单片机干预就能产生秒、分、时、日、月、年等时间／日历数据，并能自动进行闰年补偿等。软时钟利用单片机内部或外部的定时中断，由软件程序对其计数，计算出实时时间。
　　多费率电能表常使用硬时钟芯片，因为单片机万一出现故障不会影响时钟的正确工作。常用的时钟芯片有RTC4553AA、DS1307、DS1338、MC146818等。
　　单片机　接收用电量信息，累计电能脉冲，按时段处理电能数据，控制显示器按要求显示和实现通信功能等。
　　常用器件有PIC16系列单片机、MCS－51系列单片机和BL0938微控制器等。这些单片机一般都带有多个I／O口，内含一定字节的ROM、RAM，有的单片机还含有实时时钟、通信口和“看门狗”等。如，BL0938微控制器，片内嵌有高精度低功耗实时时钟，采用独立的电源供电。系统掉电时能自动切换到备用电源，保证时钟正常工作。高稳定的实时时钟电路可根据外部环境进行自动校准，通过远程控制或遥控校表。实时时间可以精确到秒，日均误差小于0．5s。内置时钟的设计使系统设计简单化，节省了成本，提高了系统的可靠性。BL0938还包含一个串行通信口，便于用户进行红外和集抄通信；用于红外时，内部能产生38k的调制波。BL0938内置硬件“看门狗”电路（此电路也常设置在单片机外部），用来监测单片机程序的运行。一旦发现死机立即向单片机复位端发复位信号，使其从死机状态中解脱出来，使程序恢复正常运行。
　　显示器　多费率电能表用机电计数器和／或电子显示器显示。机电计数器为连续转动的字轮，每个字轮分成10个分度并标有数字，表示小数的字轮与整数字轮有所区别。机电计数器常用步进电机驱动。电子显示器常由led数码管或lcd液晶显示板与相应的驱动电路构成。按规定，用一个显示器显示多种量值时应能显示所有有关存储的内容；显示存储内容时，应能识别每一量值。
　　按规定，在参比电压、最大电流和cosφ＝1．0（或sinφ＝1．0）的条件下，总电能计数器应记录和显示从零开始至少1500h的电能值；各费率计数器的记录值应不少于900h。被测量值的基本单位为kW·h、kvar·h或MW·h、Mvar·h。
　　存储器　主要用来存储各个时段的用电量、电能表常数、时间参数和控制程序等。单片机内存有限，掉电时将丢失随机存取的数据，为了安全地存储更多重要信息，单片机外部一般接一片EEPROM或FLASHROM。
　　电源　用来向表内的单片机、测量单元、接口和时钟等电路供电。多费率电能表的电源一般由AC／DC电源和后备电源两部分构成。交流市电经电源变压器降压，再经整流、滤波、稳压，输出稳定的直流低电压，向表内电路供电，同时将交流电网与表内电子电路隔离开来。外部断电时，电源电路立即产生“停电”信号和转入后备电源供电。备用电源由后备电池（锂电池）和储能电容构成。正常工作情况下处于“充电”状态；故障期间投入运行，保证实时时钟计时的连续性和不丢失重要数据。
　　通信接口　用来与其他设备进行数据交换，如抄表、编程、实施实时监控等。常见的接口有RS485、RS232、IC卡、红外通信、电力线载波、射频通信、光纤等电路。
　　操作键　通过单片机用来对电能表发简单指令，如显示某参数、电量复零、进入检测程序等。
3．3　控制程序
　　多费率电能表的控制程序一般由主程序和中断服务程序两部分组成。比较典型的程序流程图见图3。对键操作等采用查询方式处理，对电能脉冲采用中断方式处理，对时钟采用中断或查询方式处理。
　　电能表上电后进行初始化，包括将各时段、时间、日期、表号、用电数据等读入内部数据缓冲区。接着清“看门狗”，检查是否“停电”。若“停电”则进入低功耗后备状态，用后备电池向相关电路供电。电源正常则检查累计的电能脉冲数是否等于电能表常数的1％。等于，则将累计的脉冲数清零，将该时段累积的电量和总电量都加0．01kW·h，并将它们写入非易失性存储器。然后，检查时段是否需要切换，是否需要执行键操作。执行了上述任务后转显示程序，根据显示缓冲区的内容按要求循环显示。

　　图3（b）是累计电能脉冲的一种流程图。测量单元与单片机可以类似第八讲图3的方式连接。电能脉冲接可中断的输入口，REVP接另一个普通输入口。当有电能脉冲输入单片机时，立即产生中断；单片机响应中断请求后，读REVP，判断功率的方向，然后根据当前时段及正反向信号处理相关数据，对相应时段累计的脉冲数和总脉冲数各加1，分时计量用电量。

参考文献：

［1］本刊编辑部．以AD7755设计的电子电能表．仪表技术，2002，（4）．
［2］本刊编辑部．以CS5460A设计的电子电能表．仪表技术，2003，（2）．
［3］本刊编辑部．以MSP430设计的电子电能表．仪表技术，2003，（3）．
［4］本刊编辑部．以BL0955设计的电子电能表．仪表技术，2003，（4）．

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