新型單相多功能電能表的設(shè)計(jì)

王夢(mèng)玲，邱益農(nóng)

（1.南京供電公司，江蘇 南京 210008；2.江蘇聯(lián)宏自動(dòng)化系統(tǒng)工程有限公司，江蘇 南京 210036）

隨著大型公共建筑智能化的進(jìn)一步推廣，市場(chǎng)急需符合Lonworks技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的各種電能表。目前絕大部分單相電能表不同時(shí)具備測(cè)量、遙控、定時(shí)控制及過流或過載保護(hù)等功能，且?guī)缀醵际荝S485通信接口，其存在以下不足：不支持多種通信介質(zhì)；只能是總線式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；通信距離短、節(jié)點(diǎn)容量小，抗干擾能力差；只能是主從式通信。本文采用LonWorks技術(shù)，結(jié)合ATT7025微處理器設(shè)計(jì)了一種能實(shí)現(xiàn)測(cè)量、遙控、定時(shí)控制及過流或過載保護(hù)于一體的單相多功能電能表。

1 LonWorks控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

LonWorks是由美國(guó)Echelon公司開發(fā)的一種完整的、全開放的、互操作性強(qiáng)、可靠性高、成熟的分布式控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它支持多種通信介質(zhì)包括雙絞線、電力線、無線（RF）、紅外（IR）、同軸電纜和光纖；常用的雙絞線傳輸速率達(dá)78 Kbps/S，傳輸距離達(dá)2700m；電力線傳輸速率5.4Kbps/S，傳輸距離300～30 km；支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌ò偩€型、星型、環(huán)型、自由拓樸），在同一個(gè)網(wǎng)域內(nèi)，還可以通過中繼器、網(wǎng)橋、路由器將多個(gè)網(wǎng)段或子網(wǎng)聯(lián)接成一個(gè)大的網(wǎng)域，一個(gè)網(wǎng)域內(nèi)可支持3萬多個(gè)節(jié)點(diǎn)；LonWorks技術(shù)的核心是LonTalk通訊協(xié)[1]，該協(xié)議提供一整套完善的通信服務(wù)，使裝置中的應(yīng)用程序能在網(wǎng)上對(duì)其他裝置發(fā)送和接收?qǐng)?bào)文而無須知道網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⒚Q、地址或其他裝置的功能,所有采用LonWorks技術(shù)的產(chǎn)品都遵循LonTalk通信協(xié)議，因此不同廠家生產(chǎn)的帶LonWorks接口的產(chǎn)品都可以很方便地接入同一個(gè)LonWorks網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中去。

2 新型單相電能表設(shè)計(jì)原理

單相電子式多功能電能表的原理如圖1所示，其硬件包括ATT7025單片機(jī)、LonWorks通信接口模塊、RS485通信接口、紅外通信單元、電源、電壓和電流采樣電路、實(shí)時(shí)時(shí)鐘單元、LCD顯示單元、脈沖輸出單元、輸出控制單元、掉電檢測(cè)單元、系統(tǒng)容錯(cuò)處理單元。

圖1 單相電子式多功能電能表設(shè)計(jì)原理

2.1 單片機(jī)ATT7025

在該單相電能表的設(shè)計(jì)中，選擇了ATT7025單片機(jī)作為產(chǎn)品的核心。ATT7025是帶MCU的多功能單相電表芯片，該IC片內(nèi)集成了單相計(jì)量MEU、MCU（兼容 8052）、LCD 驅(qū)動(dòng)器、一路 SPI接口、一路I2C接口、兩路UART通信口、多路IO口；片內(nèi)含有32 K字節(jié)FLASH程序存儲(chǔ)器，256字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)寄存器，1 K字節(jié)外部數(shù)據(jù)寄存器；可充分利用其各個(gè)功能，最大限度地降低成本。

2.2 EMU

ATT7025片內(nèi)集成的單相電能計(jì)量單元（EMU）具有測(cè)量有功電能、無功電能、電壓、電流、有功功率、無功功率等電參數(shù)功能，能滿足作為多功能電力監(jiān)控終端的要求，同時(shí)具備有功、無功電量脈沖輸出口。電流采用錳銅電阻片，直接串在電流回路中的采樣方式；電壓采用電阻分壓的采樣方式。

2.3 UART0和UART1

該電能表既能接入LonWorks雙絞線或Lon-Works電力線網(wǎng)絡(luò)，又能接入RS485總線網(wǎng)絡(luò)，采用同一外殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。尤其在LonWorks通信模塊設(shè)計(jì)中將LonWorks雙絞線與電力線通信模塊設(shè)計(jì)成接口完全兼容的結(jié)構(gòu)，接口之間的切換非常方便靈活，可適應(yīng)不同場(chǎng)合的應(yīng)用。

LonWorks通信模塊與ATT7025通過串行口進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)傳輸，LonWorks通信模塊定時(shí)從ATT7025讀取各種參數(shù)和數(shù)據(jù)，包括電參數(shù)、電參數(shù)超限報(bào)警、時(shí)間、日期、輸出狀態(tài)、定時(shí)時(shí)間等，協(xié)議轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)以LonWorks輸出網(wǎng)絡(luò)變量或輸入網(wǎng)絡(luò)變量的形式輸出；通過輸入網(wǎng)絡(luò)變量可遠(yuǎn)程控制電能表的斷送電、或定時(shí)控制斷送電等。

2.4 斷送電控制

該電能表具有斷送電控制功能，采用大容量的磁保持繼電器，最大支持60 A的電流容量，從而可實(shí)現(xiàn)預(yù)付費(fèi)控制功能、過流或過載保護(hù)功能、定時(shí)控制功能、遠(yuǎn)程控制功能。

3 軟件設(shè)計(jì)

單相電能表軟件系統(tǒng)包括程序初始化及主程序、定時(shí)器處理模塊、顯示控制處理模塊、通信命令處理模塊、電參數(shù)運(yùn)算及儲(chǔ)存模塊、電量結(jié)算處理模塊以及系統(tǒng)自檢與軟件抗干擾處理模塊。整個(gè)程序是通過查詢方式執(zhí)行的，通過查詢電表事件發(fā)生的條件情況，判斷電能表事件是否發(fā)生，來執(zhí)行相應(yīng)的操作，這種執(zhí)行方式只要保證MCU的執(zhí)行速度足夠快，是能夠保證事件響應(yīng)的時(shí)效性的。

電能表的工作過程：每次上電要進(jìn)行系統(tǒng)初始化，初始化包括對(duì)ATT7025單片機(jī)定時(shí)器、串行口、中斷等工作方式的設(shè)定，寫入時(shí)鐘及鐵電存儲(chǔ)芯片F(xiàn)M3104的控制字。新電能表的初次工作要對(duì)X25045初始值設(shè)定，包括電能表表號(hào)的設(shè)置、時(shí)段的設(shè)置、時(shí)鐘的設(shè)置、存儲(chǔ)地址的分配等。該系統(tǒng)設(shè)置了3個(gè)時(shí)段，單片機(jī)每秒從時(shí)鐘芯片F(xiàn)M3104中讀取時(shí)鐘值，然后根據(jù)存儲(chǔ)芯片中預(yù)先設(shè)置好的時(shí)段，分析該時(shí)刻屬于哪個(gè)時(shí)段，根據(jù)相應(yīng)的時(shí)段把電能存儲(chǔ)在ATT7025的RAM存儲(chǔ)器中，然后電能每累計(jì)夠1 kW·h便寫入到FM3104相應(yīng)的地址中。16位液晶顯示器輪流顯示時(shí)段與電能信息。若有通信請(qǐng)求將采用中斷方式與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。若停電，將執(zhí)行掉電保護(hù)程序。

4 新型單相電子式多功能電能表特點(diǎn)

新型電能表可以測(cè)量電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)；能設(shè)置電壓、電流、功率、電量預(yù)設(shè)門限值與超上、下限報(bào)警功能；能遠(yuǎn)程輸出控制、有過流過載保護(hù)、能夠定時(shí)控制。這些功能普通電能表均不具有。通信方面，新型電能表有LonWorks雙絞線接口或電力線接口或RS485接口而普通電能表只有RS485接口。總之，該新型電能表是真正實(shí)現(xiàn)了集測(cè)量、遙控、定時(shí)控制及過流或過載保護(hù)于一體的多功能電能表。

5 結(jié)束語

新型單相電子式多功能電能表集測(cè)量、遙控、定時(shí)控制及過流或過載保護(hù)于一體，適應(yīng)了建筑能源管理系統(tǒng)建設(shè)的要求和國(guó)家電網(wǎng)配電網(wǎng)建設(shè)戰(zhàn)略的信息化、數(shù)字化、自動(dòng)化、互動(dòng)化的要求，及時(shí)、準(zhǔn)確、全面反映用戶用電的相關(guān)信息；提出了電能表的自保護(hù)功能的新技術(shù)，解決了電能表的多種形式的自動(dòng)停送電的功能，提高了電能表計(jì)的通信網(wǎng)絡(luò)化功能，為電力用戶管理在高級(jí)應(yīng)用方面打下了基礎(chǔ)。目前已在全國(guó)多個(gè)建筑能源管理系統(tǒng)中獲得了實(shí)際的應(yīng)用。

[1]李秀梅，華洪濤.LONWORKS網(wǎng)絡(luò)——開放的、互可操作的控制網(wǎng)絡(luò)[J].科技資訊，2007（7）：174-175.