基于開關電源的低功耗單相智能電表設計與研究

楊麗華，丁 黎，汪旭祥，李 莉

（國網湖北省電力公司計量中心，湖北 武漢 430077）

0 引言

智能電能表作為國家電網的底層終端，國家電網實現信息化、數字化、智能化建設的基礎。智能電表除了具備傳統電能表基本用電量的計量功能以外，為了適應智能電網和新能源的使用，它還具有用電信息存儲、雙向多種費率計量功能、用戶端控制功能、多種數據傳輸模式的雙向數據通信功能、防竊電功能等智能化的功能。在中國，隨著國家堅強智能電網建設的進展，作為用戶端的智能電表在未來也將逐步被全面推廣和應用。

傳統的智能單相表的電源電路主要采用變壓器加DC/DC的線性電源方案，即先將交流電經過變壓器變壓，再經過整流電路整流濾波得到未穩定的直流電壓，要達到高精度的直流電壓，必須經過電壓反饋調整輸出電壓，這種電源技術很成熟，可以達到很高的穩定度，波紋也很小，而且沒有開關電源具有的干擾與噪音。但是它的缺點是需要龐大而笨重的變壓器，所需的濾波電容的體積和重量也相當大，而且電壓反饋電路是工作在線性狀態，調整管上有一定的電壓降，在輸出較大工作電流時，致使調整管的功耗太大，轉換效率低，還要安裝很大的散熱片[1-2]，不符合電能表節能降耗的未來發展趨勢。

雖然目前已經有將開關電源應用到單相智能電表的案例，但是由于其采用的開關電源模塊自身的高頻信號會通過電源線傳到電網上，嚴重干擾單相智能電表進行載波通信，這也是制約著開關電源不能廣泛應用到單相智能電表的關鍵性問題[3]。針對這個問題，本文提出了基于開關電源的低功耗單項智能電表技術。該技術的開關電源模塊首先采用整流電路整流，然后高頻濾波抗干擾電路濾除高頻雜波信號，接著開關電源電路進行AC-DC變換，最后經過整流濾波穩壓電路提供穩定直流源，能夠有效地濾除高頻干擾信號，解決了開關電源自身的高頻特性而造成的EMI問題，并避免其對載波通信可能產生的影響，且該設計已經通過實驗驗證投入批量生產。

1 單相智能電表總體設計

單相智能電表的系統原理框圖如圖1所示，主要包括工作電源模塊、計量模塊、實時時鐘模塊、通信模塊、液晶模塊、數據儲存模塊、ESAM安全認證模塊、輸出模塊、功能按鍵模塊等模塊。

圖1 單相智能電表的系統原理框圖Fig.1 System principle block diagram of single phase intelligent electric meter

其中，主控芯片MCU采用瑞薩公司的R7F0C004M2DFB芯片，擁有RL78內核，在同類產品中實現了以最低功耗實現高處理性能；計量模塊采用國產RN8209芯片，不僅能測量有功功率、無功功率、有功能量、無功能量，而且能提供2路獨立的有功功率和有效值、電壓電流有效值、線頻率、過零中斷等；數據存儲模塊采用AT24C512芯片為核心的數據存儲器，容量夠大，可靠性高，保存時間長，功耗低；ESAM嵌入式安全控制模塊通過身份認證，數據加密/解密確保數據安全存儲，通信保密；顯示模塊采用上海復控華龍公司的HL9576LCD顯示驅動芯片，功耗低，采用I2C接口，通過SDA腳和SCL腳與2B8的引腳相連，接收2B8發送的數據來驅動液晶顯示屏顯示；通信方式主要采用RS485通信、紅外通信、載波和模塊通信方式，且在紅外通信總線接口上增加了避雷的措施，通過光耦和單片機系統進行隔離，雷擊時可以有效防止整個系統被破壞；時鐘電路采用DS1302為核心的芯片，為電表提供精確的時間基準；功能按鍵模塊即按鍵顯示鍵，根據客戶需求通過串口靈活設置當前的按鍵顯示項，方便客戶查詢當前、以往的電表信息；輸出模塊包括拉閘指示燈（指示用戶負載的切斷與否）、報警指示燈（指示電表運行中發生的異常）、電表運行脈沖指示燈（指示用戶用電）[4]。

2 電源電路設計

實現單相智能電能表的高效率，低功耗性能，需要考慮的最關鍵部分是供電電源方案。目前國內大多數單相智能電能表生產廠商一般還是采用線性電源技術方案，即其技術相對比較成熟，制作成本低，可以達到很高的穩定度，波紋較小，自身的干擾和噪聲都比較小。但是其電壓工作范圍窄、功率密度小、效率低、功率因數低[2]。因此國內的一些儀表廠家已經開始嘗試著將開關電源逐步運用到單相智能電能表中為單片機中央處理單元及外圍電路和功能模塊供電，尤其計量電路部分對電源電壓的精度要求比較高，而傳統的開關電源模塊輸出的電壓帶有高頻信號，會通過電源線將高頻信號傳導給交流電網，由于帶載波通信功能的電能表對電源的耐壓和抗干擾要求較高，在載波通信過程中會產生嚴重干擾，使得開關電源供電方案遲遲未能廣泛應用在智能電表上，嚴重制約著開關電源在智能電表領域的應用。

針對上述問題，本文提出的開關電源解決方案采用AC-DC方案，在電路中設置了負反饋電路（如圖2紅框中的電路）和高頻濾波抗干擾電路（見圖3），能夠有效濾除自身產生的高頻信號，大大降低開關電源電路功耗。如圖3所示的開關電源模塊的電路連接圖，在開關電源模塊接入單相智能電能表后，首先經由整流電路整流，再經過高頻濾波抗干擾電路濾除高頻雜波，后經由開關電源電路進行AC-DC變換，再進行整流濾波穩壓，得到穩定可靠的直流電源，給電能表各個模塊供電[5]。其中，穩壓二極管D3、二極管 D1、二極管D2的作用主要是將耦合變壓器T1的輸入電壓鉗制在一定范圍內，以保護脈寬調制芯片U1能正常工作。脈寬調制電路的作用是根據電路電流的增減來調整輸入耦合變壓器T1的脈沖寬度，通過負反饋的方式調整輸出電流的大小，保證負載電路工作穩定。耦合變壓器T1次級輸出端接有整流濾波穩壓電路，用以提供電能表各部分電路的工作電壓。

如圖2所示，在高頻濾波抗干擾電路中，交流電電壓信號經高頻濾波抗干擾電路中整流橋D5整流后，接入復合熱敏電阻R6，再由電容C3濾波，得到電源電壓。當輸入電壓為420 V時復合熱敏電阻R6中的壓敏電阻將電壓鉗制在保護電壓，其發熱產生的熱量傳給復合熱敏電阻R6中的熱敏電阻，熱敏電阻阻值增大，分壓也增大，使輸出電壓下降，保證電能表正常工作。也可以將復合熱敏電阻R6連接在壓敏電阻ZR1和電容C4之間，先保護再濾波。

因此，單相智能電能表的電源電路采用開關電源方案，通過AD-DC變換，即可得到滿足電路各模塊電路正常穩定工作的直流電源。當不進行載波通信時，電源部分功耗很小；當進行載波通信時，通過開關電源電路的負反饋電路，可增大輸出電流，既滿足了載波通信的要求，又實現了低功耗。

圖2 高頻濾波抗干擾電路Fig.2 High frequency filter anti interference circuit

圖3 開關電源模塊的電路連接圖Fig.3 Circuit connection diagram of switching power supply module

3 實驗論證

3.1 功耗測量實驗

測量單相智能電表整機的靜態功耗時首先將單相智能電表的靜態短接點斷開，使用萬用表接入靜態短接點進行測量。經實驗測試可知：傳統的開關電源模塊單相智能電表的功耗一般在1.0～1.5 W之間，國家電網標準要求單相智能電表的功耗小于等于1.5 W，而本文提出的方案其整機的功耗僅為0.45 W，僅為國家電網標準的30%，大大降低了整機的功耗。

3.2 高頻抗干擾實驗

通常電力線進行載波通信的頻率在150～450 kHz之間，可以通過無線干擾抑制測試系統進行實驗，觀察在該頻率區間傳統未加高頻抗干擾電路與增加本文所提出的高頻抗干擾電路輸出的電源電壓波形，實驗結果如圖4～圖7所示。

圖4 傳統的未加高頻抗干擾電路處理零線波形Fig.4 The traditional zero line waveform without high frequency anti-interference circuit

圖5 加入高頻抗干擾電路處理后零線波形Fig.5 The zero line waveform with high frequency anti interference circuit

圖6 傳統的未加高頻抗干擾電路處理火線波形Fig.6 The traditional fire line wave without high frequency anti-interference circuit

圖7 加入高頻抗干擾電路處理后火線波形Fig.7 The fire line wave with high frequency anti-interference circuit

由圖4和圖6可知∶傳統的未加高頻抗干擾電路的電源電壓的零線和火線在150～450 kHz之間的波形幅度很大，遠遠超過國家標準信息設備的無線干擾平均閾值，而開關電源會通過電力線將高頻信號反饋到交流電網中，載波通信又通過電力線進行通信的，且反饋的高頻信號具有很大的能量，會嚴重干擾載波通信的效果。由圖5和圖7可知：加高頻抗干擾電路的電源電壓的零線和火線在150～450 kHz之間的波形比較平穩，波形幅度降為國家標準信息設備的無線干擾平均閾值以下，可以有效濾除開關電源自身的高頻信號，大大降低了對載波通信的干擾。

4 結語

本文提出的基于開關電源的低功耗單相智能電表方案，成功解決了開關電源自身的高頻特性而造成的EMI問題對載波通信的干擾，將電源部分的體積縮小為普通電能表的一半，功耗為0.45 W，降低為普通電能表的30%，大大降低了整機功耗，達到了節能環保的要求，符合電能表節能降耗的發展趨勢。與此同時，基于開關電源的低功耗單相智能電表還具有抗浪涌能力強，工作電壓范圍寬，可靠性高，對外的傳導和輻射干擾小等優點。

[參考文獻]（References）

[1]盧佳慧.開關電源在電子式電能表中的應用[J].機電技術，2011，34(4)：86-88.Lu Jiahui.Application of Switch Power for Elec?tronic Watt-hour Meter[J].Mehanical and Electrical Technology，2011，34(4)：86-88.

[2]侯鸞,吳國強.智能電表電源分析與設計[J].自動化與儀表,2015(1)：73-76.HouLuan,WuGuoqiang.Analysisanddesignof power supply for smart meter[J].Automation and In?strumentation,2015(1)：73-76.

[3]李中澤.基于開關電源的單相低功耗費控智能電能表：中國,102183683A[P],2011-09-14.Li Zhongze.Single phase low power consumption cost control intelligent electric energy meter based on switch power：China,102183683A[P],2011-09-14.

[4]Q/GDW 1364-2013單相智能電能表技術規范[S].北京：中國電力出版社，2013.Q/GDW 1364-2013 Technical specification for sin?gle phase intelligent electric energy meter[S].Bei?jing：China Electric Power Press,2013.

[5]張蘭蕓.TTEP Buck DC-DC變換器研究與應用[D].廣州：中山大學，2006.Zhang Yanyun.Research and Application for TTEP Buck DC-DC Converter[D].Guangzhou：Sun Yat-sen University，2006.