電能表可靠性技術研究

李俊明 鞠縢瑩子

（1.哈爾濱電工儀表研究所〈中國電工儀器儀表質量監督檢驗中心〉，黑龍江哈爾濱150028；2.黑龍江省創業培訓服務指導中心培訓信息管理處，黑龍江哈爾濱150036）

0 引言

多功能電能表可靠性技術，主要是可以準確提供多功能電能表檢測電力線路的電流、電壓信號，計算電流、電壓、有功功率、無功功率，從而得到多功能電能表有功電能、無功電能，并保存在存儲器中，給多功能電能表用戶計量結算、狀態檢測提供依據。

多功能電能表可靠性技術的計算結果分為兩大類：一是，暫時的、無需掉電保持的數據保，如電流、電壓、功率等參數，可保存在隨機存取存儲器RAM 中。 二是，需要長期保存的、掉電保持的數據，主要是多功能電能表的電能數據，必須存儲到非易失性存儲器中—通常采用FLASH 閃存。 為保證多功能電能表在檢測、采樣、存取過程中信號完整性及數據可靠性，尤其是多功能電能表數據存取可靠性技術，需要從硬件和軟件兩個方面都采取措施，相互配合共同實現。 本文基于多功能電能表專用電能計量芯片ATT7022b，采用單片機PIC16F77 以及存儲器AT45D041，研制了三相多功能電能表，現就將相關多功能電能表數據可靠技術進行探討。

1 多功能電能表硬件設計技術

多功能電能表硬件方面的可靠性技術主要包括電源監測管理以及輸入信號的濾波調理的相關技術。

1.1 多功能電能表電源管理監測

多功能電能表應用的單片機、ATT7022b、存儲器等器件都只能在可靠的、有效的電源下才能工作。多功能電能表的要求標準高，電源方案包括變壓、整流、濾波、穩壓等電路。 在三相電能表中， 只要有一相電源供電，多功能電能表就必須工作，故使用三個單相變壓器分別對三相電源輸入進行隔離變壓，再經過三個單相橋整流后并聯輸入電源管理與監測電路，此時可以得到多功能電能表穩定的直流電壓Vz。VCC和AVCC分別是多功能電能表數字電路電源與模擬電路電源，RST 是CPU 的復位信號，PF 是線路拉閘、電源掉電監測信號。 為避免模擬測量電路受數字電路脈沖信號的干擾， 模擬電源與數字電源要分別走線，R16、C18、C17 組成的RC 濾波器， 濾除VCC中含有的數字電路產生的高頻脈沖干擾， 使多功能電能表不能通過AVCC進入模擬信號電路中。

多功能電能表的Vz與VCC的變化在上電時會受濾波電容C15的制約，VCC滯后于穩壓電源Vz并按指數曲線上升。 多功能電能表掉電時Vz會按指數規律下降， 但由于二極管D1阻斷了電容C15的放電回路，因此VCC會大大滯后于Vz的變化。 如果多功能電能表掉電時刻是不確定的，可能發生在多功能電能表CPU 正在執行寫存儲器操作，因此要求掉電時，VCC滯后于Vz下降， 以提供足夠的時間保證多功能電能表CPU 可靠的寫入數據。

為保證多功能電能表CPU 工作的可靠， 必須提供多功能電能表正確的復位信號RST。 當VCC低于復位閾值V2時，復位信號RST 有效而為低電平，使多功能電能表的CPU 以及各主要芯片處于復位狀態，在多功能電能表電源不能確認有效的情況下，保證不會進行存取操作而導致數據不可靠性。 在多功能電能表運行時間為t1～t3。 在實際調試中發現復位信號的邊沿必須陡峭并且不能抖動， 否則多功能電能表CPU、存儲器處于復位和未復位的不確定狀態，容易出現導致死機的現象。 因此采用電壓比較器U18產生復位信號RST。

掉電監測信號PF 通過監測Vz 的數值來了解電力線路的供電狀態，電壓比較器U19的閾值設定為V3，當Vz＞V3時PF 高電平“1”，認為線路處于穩定供電狀態，否則處于掉電或不穩定狀態。在儀表上電時，要等到Vz＞V3，即進入t2時段后，才進行數據存取，在t1時段只運行等待程序，而不能對存儲器、通信接口進行操作。 在掉電的t3時段，結束正在執行工作以后，立即轉入等待程序。 即使在最大負載情況下，t3時間長度必須大于對存儲器訪問操作的最長時間。

1.2 多功能電能表輸入信號濾波

多功能表通過采樣保持、模數轉換電路把連續的電流、電壓信號轉化為離散的數字信號再進行分析處理。 由于多功能電能表受到采樣器采樣時間、軟件運行時間的限制，采樣的頻率fs 會小于一個極限值，根據奈奎斯特定理，多功能電能表若輸入模擬量信號頻率為f1＞fs/2，則采樣后的信號頻譜會產生混疊現象，在信號重構時，當作頻率為(fs- f1)的信號處理，而引起混疊失真。 為解決這個問題，需要濾除頻率高于fs/2 的高頻信號，在采樣電路之前設置抗混疊低通濾波器。

在多功能電能表采用R=1.2kΩ，C=0.01μF 組成單極點無源濾波器，放在ATT7022b 的兩個差分輸入端，就可以用來濾除高頻信號，減少混疊誤差，對于基波頻率等于50Hz 的電力線路而言，可以準確測量到一定數量的次諧波信號，達到設計標準的要求。

2 多功能電能表數據存儲技術操作

多功能電能表大部分時間是在穩定狀態下工作，但也可能出現惡劣的電磁環境， 這時候多功能電能表存儲器的讀寫操作就會受到干擾， 也可能導致數據出錯。 為了提高數據存取可靠性， 就一定要注意多功能電能表的現象。第一，不在某一時間段出現，如t1和t3時間內不進行讀寫操作。第二，在寫操作之前，先讀出數據與要寫入的數據進行比較，若兩者相同則跳過寫入操作，減少擦寫操作，可提高壽命。第三，數據寫入后，再讀出校驗，確保寫入正確。第四，寫入過程中，盡量避免開放中斷。第五，只在寫入操作時打開寫操作使能，而在寫操作結束后立即關閉寫使能，防止干擾造成的誤寫動作。

為保證多功能電能表數據的存儲功能， 應采用如下的寫操作算法：第一，置計數器CNT1 初值為2，清“出錯標志”；第二，計算主存儲區地址；第三，置計數器CNT2 初值為3；第四，把目標單元的內容讀出與要寫入的數據比較， 相同則轉下一步， 否則繼續到第⑤步； 第五，如CNT2=0 則置位“出錯標志”，轉如下一步，否則打開存儲器寫的性能； 第六， 把數據寫入到目的單元， 回到前一步； 第七，CNT1-1 和CNT1，如CNT1=0 則跳到下一步，否則轉前一步；第八，計算副存儲區地址；第九，關閉寫的性能，返回開始狀態。

3 結語

文中從分析多功能電能表中與數據可靠性相關的技術性問題進行了探討，提出了低成本的電源管理監測的硬件電路，分析了制約多功能電能表存儲器壽命的主要因素，給出了多功能電能表進行合理的數據存儲結構， 以及數據寫入操作的算法。 利用這種方法開發的DTSD1102 系列多功能電能表，在實際運行過程中經過實踐的檢驗效果良好。

［1］卿柏元,周毅波,李剛.基于元器件應力法的電子式電能表可靠性預測技術[J].廣西電力,2011-10-28.

［2］陸寒熹.國內電能表的技術發展趨勢[J].電力設備,2007-08-15.