三相电能表设计Word格式文档下载.docx
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业内人士分析，随着电力部门对用电政策的调整，国家逐步推行分时电价政策，传统的机械式电能表已不能满足需要，机械表被电子表代替是大势所趋。
国内民用电表的市场需求正在悄悄的从以机械式电能表为主体向以电子表为主导转变，具体表现为从普通功能型电表向长寿命、分时段、多功能等高科技含量和高附加值的电子式电能表方向过渡。
随着电子技术的不断发展，电子式电能表独特的优点越来越被广泛地使用。
电子式电能表容易达到较高的精度等级，较好解决了机械表长期以来难以解决的诸多问题，而成为快速发展的电能计量装置。
电子式电能表、电卡式预付费电子式电能表、三项电子式多功能电能表及多费率电子式电能表将成为主要产品。
2000年后，电子式电能表的需求比例就已逐年呈现上升趋势。
今后几年，电子式电能表的质量、抗干扰及抗攻击能力将进一步加强，产量将进一步提高，电子式电能表系列产品正向多元化方向发展。
电力负荷分析管理仪等各种电能计量管理表计，集电量监测、分析、控制、保护等功能于一体，自带通信接口，包括常规仪表的电力监控、变送器、测量、RTU、事故记录和报警、谐波分析、故障滤波和电能质量标准分析等功能。
目前电力部门所使用的单相电子式电能表，大多是功能简单的电子表。
随着民用电能表产品技术的不断创新，国内各种新型电子式电能表将被广泛推广应用[10]。
1.2课题研究的内容及意义
由于多功能电能表主要应用于变电站、电厂、大工业用户等场合,因此微小的计量误差会对电能计费、结算产生较大影响，又因各地区因使用场合、负荷特性、管理模式等不同而各异。
但其核心是主控芯片及计量电路,重点解决电能计量、费率与时段控制的高准确性、稳定性及可靠性,并力求各功能的模块化设计及通信规约的兼容性设计。
此方案基于数字信号处理技术（DSP）,实现高速、高稳定性电能计量。
计量芯片选用珠海矩力公司推出的大规模集成电路ATT7022A,可以防止窃电。
计量与时钟电路的稳定性决定多功能电能表有功、无功、费率与时段的正常切换与计费。
普通方案的电能计量,由于易受环境的影响,尤其是干扰、谐波等,其计量误差的稳定性较难保证。
选用DSP方案,由于其运算速度高,抗干扰能力强,可有效克服上述问题。
通常,多功能电能表是一个微处理系统,微处理器是多功能电能表的核心,所有的计算、数据交换、控制、显示、通信等功能都是基于单片微处理器来完成的。
国内常见电能表选用的微处理器有ATMEL公司、PHILIPS公司等相关产品。
综合考虑性能、资源及应用情况,设计选用了三菱公司up系列单片机。
选用DSP方案,由于其运算速度高,抗干扰能力强,可有效克服上述问题通过模数转换器（ADC）进行交流采样,然后通过由MCU或者DSP构成的数字信号处理单元进行处理,得到无功功率,对无功功率进行对时间的积分,最后得到了无功电能。
电能表工作时,电压、电流经互感器采样电路分别采样后,电压、电流模拟信号送至专用DSP计量芯片（ATT7022）处理,DSP与89C52单片机之间进行电能量与电参数的交换，同时,89C52单片机完成数据处理、存储、控制及通讯等功能。
用户可随时通过各种操作从电能表的外部接口得到各种数据。
本课题设计的电能表具有如下功能：
计量电能、计量最大需量、记录负荷曲线、断电检测、每相失压检测、记录事件、结算。
2.电能表基本知识介绍
2.1电能表的基本概念
2.1.1电能表的概念
电能计量是准确可靠、公正计量电能的专门学科，是电工基础知识中的重要组成部分。
电能表（电度表）是记录电能累积值的专用仪表，是所有电气测量仪表中使用量最多的仪表。
在发电、供电、用电过程中，其发电量、供电量、用电量的多少离不开电能表的计量。
2.1.2数字式电能表的结构
数字式电能表从结构上可分为以下四个部分:
第一部分:
电压、电流输入回路，是将被测功率的电压和电流分别通过分压器和互感器变换为适合于电子式电能表乘法器所需要的小电压送至乘法器:
第二部分:
乘法器是一个功率转换单元，当被测电路的电压电流分别加到其相应的输入端时，就可转换成与被测电路相应的直流电压输出，送至变换器进行（V-f）的转换。
乘法器是电子式电能表的核心，表计的测量精度就取决于它。
其测量原理就是使用乘法器实现测量电功率和电能，根据其测量原理主要可分为热电转换、数模转换乘法器、霍尔乘法器和时分割乘法器等几种类型，其中以时分割乘法器型的电子式电能表的制造技术最为成熟，应用也最广泛。
第三部分:
变换器也称电压一频率（V--f）转换电路。
因乘法器输出的是一个模拟量（直流电压），用电压表（数字式表）测量这个电压，用功率单位（（W或KW）表示的测量结果就是功率数。
测量电能则需将这个电压转换成相应的脉冲数，在一段时间内所累计的脉冲数，才是要测的电能量。
第四部分:
计数器就是将与功率成正比的脉冲数显示出来的器件绝大部分采取液晶或LED显示。
电能表电子化的实现和应用，使得电能表的功能从单一的电能量的计量向多功能化的方向发展。
2.1.3电能表的分类
电能表分为电气机械式和电子式两大类。
电气机械式按工作原理分为感应系和电动系，前者用于计量交流电能，后者用于计量直流电能。
感应系按用途分为有功电能表、无功电能表和特种用途电能表，如最大需量表、峰谷分时计费表、标准电能表、铜铁损耗电能表等。
按被测线路的不同又分为单相电能表、三相三线电能表、三相四线电能表[5]。
电子式电能表是近年来发展起来的新产品，其分类形式与感应系相同。
电子式电能表具有精度高、功能多、不检修、寿命长的特点，目前应用较广泛的有脉冲电能表、预付费电能表、分时计费电能表和多功能电能表。
按我国电能表的标准体系可以有以下几种分类。
（1）按使用电源的性质分：
交流电能表与直流电能表。
（2）根据用途分：
工业及民用电能表、标准电能表和特殊用途电能表。
（3）按精度等级分：
普通精度（1.0，2.0，3.0）电能表、精密级（0.2，0.5）电能表、最精密级（0.1，0.05等）电能表。
（4）按结构原理分：
感应式电能表和电子式电能表。
2.1.4几个常用术语和名词
（1）基本电流：
标明在电能表上作为计算负载的基数电流，用Ib表示。
（2）最大额定电流：
把电能表能长期工作，而误差与温升完全满足要求的最大电流值；
用In·
max表示。
在电能表上基本电流和最大额定电流表示为6（12）A。
其中"
6"
是基本电流6A，"
12"
表示最大额定电流为12A。
（3）额定电压：
额定电压有不同的表示方法，例如：
3×
380V表示三相，额定线电压380V；
380/220V，表示三相，额定线电压380V，额定相电压220V，即此表电压绕组长期承受的额定电压是220V。
经电压互感器接入的电能表，以互感器额定变比的形式，3×
35000/100V表示，表的额定电压是100V。
（4）电能表常数；
电能表记录电能量和相应的转数之间关系的常数，常见的表达方式如有功电能表以Wh/r（瓦·
时/转）或r/（KWh）[转/（千瓦·
时）]的形式表示，无功电能表以varh/r（乏·
时/转）或r/（kvarh）[转/（干乏·
时＞）的形式表示。
（5）潜动：
经轻载调整后的电能表，有时会出现电流线路无负荷时圆盘依然会转动-整圈的现象。
（6）起动电流：
在额定电压、额定频率和
＝1的条件下，能使圆盘不停转动的最小负荷电流。
2.1.5常用的电能表及特殊用途电能表
1．有功电能表
有功电能表用于计量电能有功部分的电能表，其计量的结果为Wp=UＩcos
ｔ，计量单位用kWh表示（千瓦·
时），主要包括单相、三相、三相四线电能表。
由于用于测量电路的情况不同，通常又分为：
①单相电能表：
这是应用最多的一种表，广泛使用在居民、机关、商店等照明用电消费中，也可利用三只单相表合为三相电能表。
②三相电能表：
可分为三相三线和三相四线电能表两种，测量电动机等三相三线用电设备的耗电量时，一般采用三相三相电能表。
如果照明等单相设备与三相设备混合使用或大容量照明等可采用三相四线电能表。
2．无功电能表
无功电能表用于计量电能的无功部分，其计量的结果为
＝UIcos
ｔ，计量单位用kvarh（千乏·
时）。
由于用电负荷性质的不同，电路中电压和负荷电流间的相位角
是不相同的，这将会造成线路的损耗不同，即总耗电量时不同。
3．复费率分时电能表[3]
复费率分时电能表是有多个计度器分别能在规定的不同费率时段内记录交流有功和无功电能的电能表。
电力部门依此对用户在高峰和低谷的用电量进行计量，以多种电价进行收费。
一方面从降低电能售价上鼓励在负荷低谷时多用电，鼓励非连续生产部门避开高峰用电；
另-方面有利于提高电网的负荷率，达到经济合理地使用电能。
目前使用的有机械式的和机电-体式。
4．预付费电能表
预付费电能表是在能正确计量电能的基础上，具有了控制用户先付费后用电，并且-旦用电过量即能跳闸的功能的电能表。
在我国，预付费电能表经过了"
投币式电能表"
、"
磁卡式电能表"
IC卡式电能表"
的阶段。
目前采用的电卡式预付费电能表，俗称IC卡。
它是把-种具有存储、加密及数据处理能力的集成电路片镶嵌于塑料基片中具有智能性又便于携带的卡片，根据读写卡的接触方式，可将其分为接触形（如存储卡、加密存储卡、CPU卡）及非接触形（如射频卡）。
在北京地区使用较多的表型有富根DDY90、博纳DDYl08、新巨升DDY200、双翼DBYl86等表型。
电卡式预付费电能表在抗破坏性、耐用性、存储容量、加密性；
相关设备的成本等方面的优势都是以往磁卡表不可比拟的，因此，IC卡有逐步取代磁卡表的趋势。
5．最大需量表
是一种在计量有功电能的同时还可以指示在规定时间内的平均电功率最大值的仪表，实行两部电价制的用户使用此表。
最大需量表是一种既计算用户耗电量的数量，还指示用户在一个电费结算周期中（例如1个月），指定时间间隔内（如15min）平均最大功率的电能表；
是实行两部制电价的一个测量手段。
实行两部制电价，按最大需量收费的原因是：
用电户的负荷，在一个月中各个时间都在变化，常用负荷率来表示这种关系即
负荷率（%）=
（2.1）
如负荷率很低，假如最大负荷为1000kW，平均负荷仅为200kW，而供电部门仍必须为它准备1000kW容量的所有发、供电设备，这必然造成投资过大，浪费严重的情况，为此采用经济手段，实行两部制电价来促使用户合理用电，限制最大负荷。
发供电部门可利用多余的设备供给其他用户用电，以发挥最大的效益。
2.2电能计量知识
2.2.1相关概念
2.2.1.1功率
在交流电路中，由电源供给负载的电功率有两种；
一种是有功功率，一种是无功功率。
有功功率是保持用电设备正常运行所需的电功率，也就是将电能转换为其他形式能量（机械能、光能、热能）的电功率。
有功功率的符号用P表示，单位有瓦（W）、千瓦（kW）、兆瓦（MW）。
无功功率比较抽象，它是用于电路内电场与磁场的交换，并用来在电气设备中建立和维持磁场的电功率。
它不对外作功，而是转变为其他形式的能量。
凡是有电磁线圈的电气设备，要建立磁场，就要消耗无功功率。
无功功率的符号用Q表示，单位为乏（Var）或千乏（kVar）。
无功功率决不是无用功率，它的用处很大。
电动机需要建立和维持旋转磁场，使转子转动，从而带动机械运动，电动机的转子磁场就是靠从电源取得无功功率建立的。
变压器也同样需要无功功率，才能使变压器的一次线圈产生磁场，在二次线圈感应出电压。
因此，没有无功功率，电动机就不会转动，变压器也不能变压，交流接触器不会吸合。
在正常情况下，用电设备不但要从电源取得有功功率，同时还需要从电源取得无功功率。
如果电网中的无功功率供不应求，用电设备就没有足够的无功功率来建立正常的电磁场，那么，这些用电设备就不能维持在额定情况下工作，用电设备的端电压就要下降，从而影响用电设备的正常运行。
无功功率对供、用电产生一定的不良影响，主要表现在：
（1）降低发电机有功功率的输出。
（2）降低输、变电设备的供电能力。
（3）造成线路电压损失增大和电能损耗的增加。
（4）造成低功率因数运行和电压下降，使电气设备容量得不到充分发挥。
从发电机和高压输电线供给的无功功率，远远满足不了负荷的需要，所以在电网中要设置一些无功补偿装置来补充无功功率，以保证用户对无功功率的需要，这样用电设备才能在额定电压下工作。
这就是电网需要装设无功补偿装置的道理。
2.2.1.2功率因数
电网中的电力负荷如电动机、变压器等，属于既有电阻又有电感的电感性负载。
电感性负载的电压和电流的相量间存在着一个相位差，通常用相位角
的余弦cos
来表示。
cos
称为功率因数。
功率因数是反映电力用户用电设备合理使用状况、电能利用程度和用电管理水平的一项重要指标。
功率因数[12]分为自然功率因数、瞬时功率因数和加权平均功率因数。
（1）自然功率因数：
是指用电设备没有安装无功补偿设备时的功率因数，或者说用电设备本身所具有的功率因数。
自然功率因数的高低主要取决于用电设备的负荷性质，电阻性负荷（白炽灯、电阻炉）的功率因数较高，等于1，而电感性负荷（电动机、电焊机）的功率因数比较低，都小于1。
（2）瞬时功率因数：
是指在某一瞬间由功率因数表读出的功率因数。
瞬时功率因数是随着用电设备的类型、负荷的大小和电压的高低而时刻在变化。
（3）加权平均功率因数：
是指在一定时间段内功率因数的平均值。
提高功率因数的方法有两种，一种是改善自然功率因数，另一种是安装人工补偿装置。
2.2.2电能计量基本公式
用户端额定电压为220/380V，额定频率为50Hz。
设在t时刻负载两端的交流电压和流过负载的交流电流的表达式为：
（2.2）
（2.3）
式中：
为电压峰值，
为电流峰值，
为电压有效值，
为电流有效值，
为电压、电流相位差，
为角频率。
如果已知电压、电流的有效值及相位差，那么负载上消耗的瞬时功率为
（2.4）
有功功率
定义为瞬时功率
在一个周期内的平均值
（2.5）
为正弦周期，
=2
/
。
一个周期
内的电能
可由下式求得：
（2.6）
2.2.3有功电能谐波处理
对于电能计量，当电压输入和负载电流均出现谐波时，就会产生谐波功率。
所以有功功率
通常可以用基波有功功率
和谐波有功功率
之和表示:
（2.7）
其中:
（2.8）
（2.9）
（2.10）
通常有功功率是采用对电压、电流的乘积进行积分,然后进行平均得到的,所以也称为平均功率,计算公式为
显然有功功率的谐波处理能力直接取决于电压、电流的采样速率。
2.2.4无功电能的谐波处理
按照无功电能测量原理来区分,无功电能表基本上可分为两类:
一类是传统的人为无功电能表,另一类是新型的自然无功电能表。
新型自然无功电能表直接从无功的定义出发进行测量,又成正弦式无功电能表（或真无功电能表）,主要通过模数转换器（ADC）进行交流采样,然后通过由MCU或者DSP构成的数字信号处理单元进行处理,得到无功功率,对无功功率进行对时间的积分,最后得到了无功电能。
如果电压输入和负载电流均出现谐波,就会产生谐波无功,但是对于含有谐波的非正弦电路的无功功率还没有广泛认同的、科学且有权威性的定义。
但是目前采用得最多的
是下面的公式[11]:
（2.11）
基波无功功率
（2.12）
次谐波无功功率
（2.13）
要实现真无功测量,90°
移相是必须的。
根据采用的移相方式的不同,测量出来的无功功率与真无功功率存在必然的误差,特别是在谐波情况下。
基于Hilbert数字滤波器的无功功率测量方法,不仅能测量正弦电路中的无功功率,而且能够在给定的定义下,也适合于测量含有谐波的非正弦电路中的无功功率。
在含有谐波的情况下,采用Hilbert滤波器法测量的无功功率完全满足正弦式无功功率定义。
3．硬件电路设计
3.1总体框图设计
根据毕业设计大纲要求，此设计要完成的数字式三相电度表要实现如下功能：
（1）计量电能：
ａ.按峰、谷、平三种时段计量正向、方向的有功电能及无功电能，累计总有功、无功电能。
ｂ.实时测量并显示电压、电流、功率、总功率及总功率因数。
（2）计量最大需量：
每隔一定时间，按累计的电量，计算一次平均功率，并与上次计算值比较，记下最大值，同时记录最大量发生的日期与时间。
（3）记录负荷曲线：
电能表能记录一定时间周期内每隔30min的正向有功需量值（kW），可在计算机系统终端绘制负荷曲线，并浏览数据。
（4）断电检测：
可监测断电事件。
记录断电的累计次数，断电次数自动由0开始累计一直到9999后重新开始。
（5）每相失压检测：
可监测任一相的失压，只要电表有一相电压存在，当某低于所设门槛值时，即认为此相失压。
电表一或两相失压时，仍可工作，因为失压相不计电量。
（6）记录事件：
记录欠压事件，当某相电压低于门限值时，即记录为一次欠压事件，同时记录发生的时间与恢复时间。
（7）结算：
电表具有自动结算功能，结算日期可编程设置。
电表可保存最近12月的结算数据。
结算数据包括：
正、反向的有功及无功电能，当月费率下的正向有功用电量，当月电表运行时间，当月事件发生次数，最大需量及发生时间。
结合要实现的功能，最终确定此三相多功能数字式电能表的整体设计框图如图3.1：
电源
分压器
电流互感器
电能计量模块
非易失存储器
实时时钟
看门狗
串行通信
单片微处理器
液晶显示器
图3.1三相多功能数字式电能表
3.2电能计量部分（ATT7022A）
3.2.1计量芯片概述
为了实现设计要求，计量芯片选择了ATT7022A。
ATT702A2是珠海炬力集成电路设计有限公司生产的一款高精度三相电能计量芯片，该芯片对有功、无功功率的测量精度分别达到0.2s和0.5s，所能测量的电参数包括有功、无功、视在功率、双向有功和四角限无功电能；
电压和电流有效值；
相位、频率等。
ATT7022具有计量参数齐全、校表功率完善等优点。
简化了软件设计，缩短了软件开发周期。
特别是AT7022A可支持全数字校表，即软件校表。
软件校表可提高校表精度、简化硬件设计、降低设计成本，为三相多功能计量装置提供了功能更加齐全、设计更加简单的应用方案。
表3.1和表3.2分别给出了三大计量芯片生产商的三相电能计量芯片
表3.1三相电能计量芯片的主要电能测量参数比较
计量参数校表参数的比较。
电能参数
珠海炬力ATT7022
ADIADE7754
SAMESSA9904B
分相
合相
电压有效值
√
—
电流有效值
×
视在功率
容性无功功率
感性无功功率
功率因素
线频率
输入有功能量
输出有功能量
有功能量
容性无功能量
感性无功能量
无功能量
表3.2三相电能计量芯片的主要校表参数比较
注：
“√”表示支持，“×
”表示不支持，“—”表示无此参数
SAMESSA9904B2
有功功率增益
校正
视在功率增益
相位校正
脉冲输出参数
√1
启动电流设置
”表示不支持，“1”表示合相时的参数，“2”表示该芯片不支持软件校表。
3.2.2芯片引脚功能
ATT7022A的引脚排列如图3.2所示，它采用44引脚QFP封装，面积仅有10mm×
10mm，功耗仅
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