多费率电能表设计策略分析
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当前，由于电力供需矛盾十分突出，国家提倡能源的节约，尤其是电能的节约，制定措施推行分时电价和电力负荷控制装置的应用。95年以来全面推行分时电价，这几年也正是复费率电能表迅速发展的时期。电能表也不再是简单的电能计量，而是集计量、电能管理、事件记录、自动抄表功能于一体的高科技产品。随着计量芯片的推陈出新，功能日益强大，不仅具有完善的模拟采样校验功能，而且还引入了数字信号处理技术，可以计算多个电量参数，大大简化了多功能表的软硬件设计。
图1：单相复费率电能表系统框图。
本单相多费率电能表采用ADI公司的ADE775X作为计量芯片，以及Microchip公司的MCU PIC16F7X作为主控芯片，系统框图如图1所示。本文主要以组成原理、模拟前端设计、主控MCU功能、PCB抗干扰设计和PCB的布线以及元器件质量对电能表精度的影响等几个方面进行讨论。
组成原理
接入线路后，电表通过分流电阻或电流互感器对信号进行采样，经放大、乘法、积分、V/F变换、分频功率驱动等电路处理，利用ADE775x输出标准脉冲，MCU(PIC16F7X)微控制处理器计量脉冲数或直接通过其SPI读取有功电量并根据预先设定的时段运算出电量在LCD上显示，并将数据结果保存到EEPROM。本表设有断电数据自动保存功能、时钟不中断等功能，采用专用POS机进行红外通讯或RS-485标准接口通讯连接，对时段、需量窗口宽度等参数设置，并可以察看分段电量和需量等，实现了单相四费率分时电能计量、预置、抄表等集线抄表网络功能。
模拟前端设计
图2给出了两种电流信号采样处理方式，一种经过电流互感器接入采样处理电路(如图2a)，另一种是经过分流电阻采样处理电路(如图2b)。本设计采用第二种方法获取电流信号，电压信号检测一般采用简单的电阻衰减网络分压获得(如图2c)。
图2. 模拟前端信号处理。
1.电流输入
a. 电流互感器
电流互感器次级电流由次级绕阻输出负载阻抗转化为一个电压量。值得注意的是，如果次级开路，即不接负载，在次级会出现一个非常大的电压，可能引起器件损坏。绝大多数电流互感器在50Hz/60Hz存在0.1°-1°相位漂移，导致电量测量误差，尤其是在低功率因数时，这种相位漂移或相位误差可以通过相位调整寄存器来纠正。
b. 分流电阻
使用分流电阻来实现电流至电压的转化是一种单相两线电能表应用的低成本实现方法。两线应用不需要隔离，分流电阻与电流互感器相比不仅没有直流饱和问题的困扰，而且相位响应线性度动态范围宽。尽管分流电阻并非纯阻抗，存在一定的感性电抗，在50Hz/60Hz比较明显，即与之相连的信号会存在一个超前相位漂移，但很容易用一个滤波网络(R41/C11和R42/C21)来补偿。
2. 电压输入
电压输入可以直接连接到线路电压输入端，通过增加一个简单的电阻分压网络衰减至合适的范围，再接至计量芯片ADE775X。电压通道由于其相对信号较大且要求的动态范围小，通常配置为单端输入，如图2c。V2P允许的最大输入电压对地应该不超过±0.5V，衰减网络设计应易于修改。但是为保持通道1、通道2的相位响应一致，电阻R56(1kΩ)不应该改变。
主控MCU部分设计
图3. RS485通讯接口设计。
1.器件选择
如图1，主控MCU部分不仅需要准确采集实时有功脉冲信号，产生计量脉冲信号(采用同一信号源作为电量累计和计量，这很重要)，而且需要根据实时时钟切换费率，保存分时电量及月电量切换，按照需求显示电量以及相关数据。另外，由于一年中温差显著，对实时时钟的频偏不能满足要求，因此需要实时检测温度变化，补偿实时时钟频偏，以满足各地对时间偏差的要求。为保证电量不丢失，还需要掉电检测，及时保存电量。按照以上要求我们选择MICROCHIP PIC16F76。为方便软硬件设计，在外设上我们需用不同设备号I2C接口器件，如数据存储24LC16、实时时钟芯片RX-8025(带校正功能)、温度检测芯片TCN75、LCD驱动芯片PCF8576C。
2.通讯接口设计
另外提供两路物理上完全独立的通讯接口(RS485和红外)，供校表、编程和抄表用。在RS485接口设计中采用无间断收发切换设计，改变了传统三线方式接口设计。如图3。
掉电处理的两点建议 #e#3. 掉电处理的两点建议
硬件上，MCU供电电源整形电解电容的容量应该根据掉电检测开始至完成电量存储所需正常工作电压所需的时间间隔来确定，建议使用2,200uF/16V电解电容。
软件上一旦检测到掉电，关闭中断，所有不需用的输入输出口应遵循电流消耗最少的原则，置为输入或输出相应的电平，以保证有足够的能量保存电量以及相关的信息。软件设计流程如图4所示。
抗EFT/EMI设计的几点参考
图4：主程序流程框图。
为了通过EFT高压快速脉冲测试，设计中应该值得考虑的是：
a. 信号输入端引线串接磁珠电感和磁环，双绞线接入;
b. 市电相线和零线间接入压敏电阻及脉冲吸收电容;
c. PCB布线时，高压线路和相关区域需保持适当的安全距离，各路电源正负线路双面交叉走线。
为了通过EMI，设计中应该考虑：PCB大面积铺地布铜;模拟部分走线尽可能短;考虑芯片自身的电磁屏蔽。
PCB的布线以及元器件质量对电能表精度的影响
由于电能表工作环境较为恶劣，电流电压回路与市电没有隔离，且市电线路上谐波及浪涌干扰十分严重，环境温度变化范围大。所以模拟回路电气参数的稳定，模拟部分PCB板设计和地线、电源线的布局尤其重要。
1.PCB布线的基本原则：
电流电压部分走线应尽可能短;
地线铺设面积尽可能大些;
数字地模拟地采用一点串接磁珠连接，有效防止数字地干扰串入模拟地。
2.元器件选择原则：模拟部分元器件使用高精度SMT元件。
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