單相復費率數字電表設計研究

李廣慶

摘要：近年來我國經濟發展迅速，用電問題也隨之出現。用電量的急劇增長給供電系統帶來了極大地負擔，這就需要平衡用電負荷并進行分時計費，采用多種計價方式的單相復費率電表也就應運而生。單片機自身集成度較高，因此本設計使用單片機作為電表的控制芯片，采用模塊化設計，在基于電能采集和計量的基礎上，設計了一種單相復費率電表。

關鍵詞：復費率電子式電能表;電能采集與計量;ADE7755;信號處理

1 緒論

1.1 課題的理論意義和實際應用價值

隨著我國經濟的快速發展，工業用電和其他類用電量快速增長，呈現高峰期電力負荷極大而閑時負荷又很小的不均衡分布，為了平衡用電，就需要采取削峰填谷的手段，于是就有了分時電價政策的出臺，而現有的電表并不能滿足這一發展趨勢，所以復費率電子式電能表便成為研究和推廣的主流和趨勢。因此，高精度、高可靠性的電表成為我國電表行業發展的要求[1]。

1.2 電子式電能表的發展現狀及發展趨勢

“十一”五期間，國家出臺多項相關政策來刺激電工0儀表行業的發展，同時對電工儀表的投入也達到了一個新的高度，政策帶動了電能表需求的平穩上升。目前來看，我國的電能表行業國內市場逐漸飽和，出現了產能過剩的情況。然而電能表的高端產品卻大多由國外公司生產，這種形式對我國的電能表行業的發展提出了新的要求。現在我國并沒有獨自研發的電能計量芯片，絕大多數公司生產的電能表均使用國外芯片，這嚴重制約著我國電能表行業的發展和進步[3]。就目前的形式來看，為了實現電表行業的轉型，我們需要將精力投入到技術研發上，借鑒國外的技術來研發更符合國內需求的電子式電能表，從而實現國內電表行業從數量優勢到技術創新的轉變。

2 設計方案的確定及相關理論

2.1 設計方案的確定

傳統電能表是通過電壓與電流相乘的計算得到電量后進行電能的累計。但這種方式可能因電流電壓的相位差和其他因素造成電能計量的不精確，所以在電能計量方面我們采用ADE7755電能計量芯片進行精確的電能計量。

單片機通過編程和內部中斷即可完成時鐘的作用，但其單片機主晶振和與之相連接的電容對時鐘精度的影響極大，在長期的運行中很容易產生誤差，而誤差的疊加對電能表的計量精度影響是巨大的，因此我們選用精度和穩定性都相當高的DS1302芯片作為時鐘芯片。

電源方面我們需要將電網中的220V交流電轉換為5V直流電，因此我們采用先降壓后整流的方式來獲取理想電壓。

考慮到便捷抄表和遠程通信的因素，我們采用紅外通信技術來進行便捷的抄表，這在節省了人力的同時也避免了人工抄表可能產生的誤差，提高了工作效率也提高了精確度。遠程通信方面我們采用長距離、高速率的RS-485通信技術。

顯示模塊出于功耗的考慮，我們選用高性能、低功耗的LCD顯示屏。

2.2 電能表總體工作原理

將電能采集電路接入電網后，通過電壓和電流互感器進行降壓和濾波后得到差動電壓信號輸入ADE7755，在其中經一系列步驟的處理輸出高頻脈沖[4]。單片機接收從ADE7755發出的脈沖并進行電能累計，每隔一段時間自動將累積的電能存入數據存儲器中。單片機讀取時鐘芯片中的時鐘信號，根據提前劃分好的峰時、平時和谷時進行電能的分時累計，用LCD顯示器顯示出用戶當前用電量的多少。

3. 電能計量模塊

ADE7755 是ADI 公司推出的一款高精度電能計量芯片，其技術指標超過了IEC1036 所要求達到的精度要求，同時也超過了GB/T17215- 2002 的國家標準所要求的精度要求

LPF表示低通濾波。來自電壓和電流采樣的電壓信號分別進行模數變換，將模擬量變換為數字量再進行相位校正，之后進入高通濾波器HPF濾掉電流信號中的直流分量再進入在乘法器中進行相乘運算得到瞬時功率，隨后把瞬時功率進行低通濾波去除高頻分量得到瞬時有功功率。現階段普遍采用這種的交流采樣的處理方法，它與直流采樣相比有著計算靈活且精度更高的優點。得到瞬時有功功率之后，經過時間的累計從數字頻率轉換器從芯片的F1和F2端輸出頻率較低的脈沖。以較短時間進行累計的有功功率經頻率轉換器從CF端輸出高頻脈沖。

在一段時間內所消耗的電能與這段時間內單片機所接收到的脈沖個數在數值上是一樣的。單片機完成對脈沖的計數和累加就可以完成電能計量，根據預先擬定好的的劃分，達到預期的設計要求。

結論

本設計完成的是單相復費率電能表的設計，采用單片機作為控制核心，通過對電流和電壓的測量將數據輸入到ADE7755電能計量芯片中進行模數轉換并輸出高頻脈沖到單片機的計數器中進行電能累加，再訪問時鐘，按照峰時、平時、谷時的時間劃分來實現分時計費的功能，隨后將數據及時的存入數據存儲芯片中以免斷電產生誤差，最后將電量顯示在LCD 顯示器中供用戶參考。這種電表能夠實現與上位機的遠程通信，并按照上位機的指令進行相關操作，大大的提高了工作效率，同時紅外抄表的應用也節省了人力并在最大可能上避免了誤差的出現，極大地提高了數據的準確性。

參考文獻

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[4]夏敏.淺談電子式電能表的現狀與發展[J].農村電工，2017， 15（12）：39-39

[5]穆麗娟，李曉明.單相復費率電子式電能表的設計[J].電子工藝技術，2007，28（6）：358-360