屈召貴,，劉強(qiáng),魯順昌

　　（四川工商學(xué)院 實(shí)驗(yàn)中心,，四川 成都 611745）

　　摘要：針對大中專院校學(xué)生公寓用電情況,，設(shè)計(jì)了一款基于AMI模型的智能電表，實(shí)現(xiàn)一支回路只計(jì)量,，另一支回路計(jì)量與監(jiān)控。測試表明,，該電表具有計(jì)量精度高,、監(jiān)控準(zhǔn)確、通信安全穩(wěn)定,，能夠?qū)崿F(xiàn)學(xué)生公寓安全用電管理,。

　　關(guān)鍵詞：智能電表；計(jì)量,；監(jiān)控;通信

　　0引言

　　許多高校學(xué)生公寓用電實(shí)行了嚴(yán)格的管理措施,，目的是讓學(xué)生養(yǎng)成良好習(xí)慣。然而單靠制度管理很難監(jiān)控,，采用技術(shù)的手段是較有效的辦法,。本文提出用單相雙支路計(jì)量智能電表完成對用電情況的監(jiān)控。該電表采用雙回路計(jì)量與監(jiān)控,，一支路完成空調(diào)等大功率電器的計(jì)量,；另一支路可實(shí)現(xiàn)計(jì)量、違禁電器識別和控制,。雖然為雙回路,，但不增加任何硬件成本，在硬件上采用了集成電路設(shè)計(jì)思想,，采用的集成計(jì)量模塊和低功耗微控制器,，簡化了PCB線路；在軟件上,，該電表采用了模塊化設(shè)計(jì)［1］來分別保證計(jì)量的準(zhǔn)確性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性,。因此，該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)更為簡單,、抗擾能力更強(qiáng),、計(jì)量精度更高，并具有成本低等優(yōu)勢,。

1電表的方案設(shè)計(jì)

　　電表采用計(jì)量芯片（ADE7953）和微控制器（ST32L15）構(gòu)成的電信息采集電路,、人機(jī)交互電路、信息存儲電路,、通信電路,、監(jiān)控等電路硬件方案,，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

　　ADE7953是一款高精度單相電能計(jì)量IC,，可測量一路線電壓和兩路電流,，并計(jì)算有功、無功,、視在功率,、瞬時(shí)電壓電流有效值和功率因數(shù)值。利用ADE7953能測量兩路電流的功能實(shí)現(xiàn)雙支路計(jì)量,，總電能E=ERL1+ERL2,，RL1支路僅完成電能計(jì)量，RL2支路除計(jì)量外,，還通過功率因數(shù)值判斷是否為違禁用電器,，并進(jìn)行作息時(shí)間開關(guān)用電。

2電表的硬件設(shè)計(jì)

　　2.1系統(tǒng)電源電路

　　電表內(nèi)電源用5 V和3.3 V供電,，采用線性穩(wěn)壓電源,，由變壓器降壓、整流,、濾波和穩(wěn)壓組成,，RS485電路的供電由隔離型DC-DC電源(B0505LS1W)提供，以提高抗干擾力,。備用電源采用鋰電池供電,。

　　2.2電力參數(shù)采集電路

　　電力參數(shù)采集電路主要由信號變換電路和ADE7953構(gòu)成的采集電路組成，如圖2所示,。信號變換電路的作用是接入用戶的電流和電壓,。電流采集用電流互感器，電壓采集用鉑金電阻分壓接入計(jì)量芯片［23］,。電流通道允計(jì)輸入的差分電壓滿量程為500 mVp-p,，負(fù)載電阻取決于最大電流(Imax)、ADC輸入電平(U)以及CT使用的匝數(shù)(CTRN),。最大電流時(shí),，電流通道的輸入信號應(yīng)當(dāng)為半輸入滿量程，以便留有裕量,。選用CT匝數(shù)比為1 000∶1,，根據(jù)DLT6142007可知電流互感器接入方式Imax＝5 A×2＝10 A，則負(fù)載電阻Rb上的最大電壓有效值計(jì)算如式(1)所示,，最大互感電流ICT計(jì)算如式(2)所示,，Rb計(jì)算如式(3)所示。

　　電壓通道輸入的差分電壓滿量程為500 mVp-p，電壓采樣采用電阻分壓的方式［4］,。在火線與零線間串聯(lián)接入4個(gè)150 kΩ和1個(gè)330 Ω的電阻,，從330 Ω電阻上取得的電壓作為A/D輸入端，由此可以計(jì)算出可測量的最大電壓有效值,，如式(4)所示,。由計(jì)算可知，電壓支路被測的電壓范圍為0~321.6 V,，完全滿足計(jì)量要求,。

　　Vmax=R取R總×V取=600.33330×22×500 mV=321.6 V(4)

　　2.3通信電路設(shè)計(jì)

　　通信電路作用是實(shí)現(xiàn)電參數(shù)的上傳與下載，要求硬件電路滿足高速,、高可靠性,。電路如圖3所示，ADUM1301為三路iCoupler 磁耦隔離器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)隔離,，其傳輸?shù)乃俾士蛇_(dá)90 Mb/s,；MAX485為RS485總線驅(qū)動器；二極管D2,、D3防止雷擊；電源采用前述的DCDC隔離電源與其他電路的電源隔開,，以實(shí)現(xiàn)干擾源的隔離。

　　2.4繼電器控制電路設(shè)計(jì)

　　繼電器控制電路主要實(shí)現(xiàn)通斷電控制,，其開關(guān)頻率較高，可控電流較大,，使用壽命長,。根據(jù)電表技術(shù)規(guī)范,，對繼電器的選擇應(yīng)考慮以下因素：開關(guān)次數(shù)N，每天開關(guān)10次,，按60年使用壽命計(jì)算,，N=10×365×60=21.9萬次,，因此選用開關(guān)頻率在30萬次以上的繼電器；觸點(diǎn)電流I，按2級電表可控電流最高為10 A,，因此選用20 A以上的繼電器,；驅(qū)電壓V，選用5 V驅(qū)動,。綜上，選用80 A磁保持繼電器,，電路如圖4所示，控制端OC連接到STM32L15的PA11腳,。

3電表的軟件設(shè)計(jì)

　　3.1軟件設(shè)計(jì)總體思想

　　電表的軟件是基于操作系統(tǒng)μC/OSIII，采用層次化,、模塊化的設(shè)計(jì)思路,，在層次上分為底層驅(qū)動程序和應(yīng)用層程序,，如圖5所示,；在模塊上分為電參數(shù)測量與處理程序、通信程序,、顯示程序、存儲程序和監(jiān)控程序,。

　　3.2電參數(shù)測量與處理程序設(shè)計(jì)

　　電參數(shù)的測量涉及電流電壓有效值,、功率,、電能,、功率因數(shù)等參數(shù)的測試與處理,。

　　電流電壓有效值測量軟件實(shí)現(xiàn)方法：這兩個(gè)參數(shù)分別存放在24位寄存器VRMS和IRMSA中,，需測試寄存器1LSB位代表實(shí)際值,。方法是通過高精度參考電表進(jìn)行測試，如圖6所示,，測試的計(jì)算方法如式（5）,、式（6）所示,。式中U和I分別為參考電表測出的實(shí)際電壓電流值；DRMSV和DRMSI分別為有效值寄存器中的二進(jìn)制數(shù)值,；k為乘法系數(shù),，保持?jǐn)?shù)據(jù)分辨率,，因?yàn)檐浖惺M(jìn)制數(shù)使用定點(diǎn)乘法,，不同的電表這一常數(shù)是不一樣的,，在后續(xù)的校表過程中還得加以校正,。通過測試，設(shè)計(jì)的電表的Icontant=0×181,，Vcontant=0×10B,，k=100×216。

　　圖6測試電流電壓常數(shù)圖

　　有功電能測量的實(shí)現(xiàn)方法：有功電能分別對應(yīng)兩路電流通道存放在24位寄存器AENERGYA和AENERGYB中,，將兩路電能相加即為總有功電能，實(shí)現(xiàn)雙回路計(jì)量,。在編程過程中需找到電能寄存器的LSB對應(yīng)的實(shí)際電能值Wh/LSB常數(shù)（也即數(shù)字量的權(quán)重）,。這一常數(shù)算法關(guān)系如式（7）所示，式中AENERGYn表示A或B兩通道電能寄存器中一定時(shí)間內(nèi)的數(shù)字量累積,，用十進(jìn)制計(jì)算,，N為瓦時(shí)/位常數(shù)，U為被測負(fù)載的電壓有效值,，I為流過負(fù)載的電流有效值,，cos為功率因素，T為累積時(shí)間,。

　　測試一純阻性負(fù)載（cos＝1）電路,，電壓220 V和電流10 A在一負(fù)載上通過1 s的時(shí)間產(chǎn)生了20 398的讀數(shù)，則Wh/LSB常數(shù)可用式(7)計(jì)算得到式(8),。

　　功率因數(shù)測量的實(shí)現(xiàn)方功：功率因數(shù)存儲在兩個(gè)16位帶符號寄存器PFA和PFB中,。這些寄存器是帶符號的二進(jìn)制補(bǔ)碼寄存器，MSB表示功率因數(shù)的極性,。PFx寄存器的1 LSB相當(dāng)于2-15的權(quán)重,；因此，最大寄存器值0×7FFF對應(yīng)的功率因數(shù)為1,，最小寄存器值0×8 000對應(yīng)的功率因數(shù)為-1,。例如：PFA寄存器里面的值DPFA=26 214（十進(jìn)制），則對應(yīng)的功率因數(shù)為式(9)所示,，程序中可根據(jù)此判斷負(fù)荷情況,。

　　同理還可測出功率值、頻率值,、周期值,、相位值等參數(shù)。

　　3.3通信程序的軟件設(shè)計(jì)

　　通信軟件基于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T6452007,，該標(biāo)準(zhǔn)作為一種通信協(xié)議采用分層架構(gòu)思想,，故設(shè)計(jì)3層模型（包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層）來實(shí)現(xiàn)電能表的主/從方式通信,，分層結(jié)構(gòu)如圖7所示，應(yīng)用層涉及7大類數(shù)據(jù)收發(fā),，數(shù)據(jù)鏈路層涉及尋址和12類控制,，物理層規(guī)定有紅外光通信和RS485通信,。

　　DL/T6452007采用廣播形式實(shí)現(xiàn)主站與從站鏈路,，編程流程如圖8所示,，主站發(fā)送一幀數(shù)據(jù)，從站接收解析和執(zhí)行,，當(dāng)從站正確執(zhí)行后返回正常應(yīng)答幀,，否則返回異常應(yīng)答幀。

4電表的校準(zhǔn)

　　ADE7953可通過讀取內(nèi)部電能寄存器或測量外部CF輸出脈沖來校準(zhǔn),，最多需要3個(gè)校準(zhǔn)階段：增益、相位和失調(diào),，消除由于外部電阻網(wǎng)絡(luò)、前端采樣電路等引起的誤差［5］,。可采用標(biāo)準(zhǔn)參考電表和標(biāo)準(zhǔn)參考源兩種方法校準(zhǔn),，本例中采用標(biāo)準(zhǔn)參考源來校準(zhǔn),，通過校準(zhǔn)去修正軟件設(shè)計(jì)中的各參數(shù)的常數(shù)值,，校準(zhǔn)流程如圖9所示,。

5測試

　　5.1功耗測試

　　電表內(nèi)部安裝了3.2 V鋰電池,，確定掉電情況下數(shù)據(jù)不丟失,，因此電表需運(yùn)行的低功耗模式下,，在電池供電情況下,，系統(tǒng)總電流為28 μA。

　　5.2計(jì)量誤差測試

　　隨機(jī)抽取4臺電表,，規(guī)格為2級,，在溫度為29℃,，濕度為25%環(huán)境中測試,，通過檢定裝置測試基本誤差,，測試結(jié)果如表1所示，誤差遠(yuǎn)低于國標(biāo)單相遠(yuǎn)程費(fèi)控智能電表2級要求,。

　　5.3通信誤碼率測試

　　用泰克誤碼率儀對RS485總線通信的誤碼率進(jìn)行測試，RS485的連接線選取800 m進(jìn)行測試,，波特率選用1 200 b/s、4 800 b/s,、9 600 b/s，測試結(jié)果誤碼率均小1×10-6,，符合DL/T645-2007規(guī)定值，符合要求,。

　　5.4開關(guān)控制測試

　　可控回路選用阻性負(fù)載，并接上數(shù)字功率計(jì)進(jìn)行測試,，選取功率分別為400 W,、600 W、1 200 W的熱水棒,，測得功率因數(shù)均大于0.9,，繼電器迅速斷開。

6結(jié)論

　　雙回路計(jì)量與控制電表通過設(shè)計(jì)與測試,，計(jì)量精度高、穩(wěn)定性較好,、通信可靠,，有較強(qiáng)的抗干擾能力,，現(xiàn)已通過計(jì)量檢驗(yàn)，并成功應(yīng)用于某高校學(xué)生公寓,。

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