电子式智能单项电表毕业设计正文.docx

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电子式智能单项电表毕业设计正文

摘要

电能是国民经济、工业、商业、等人民生活的重要二次能源，电能在现代社会中是普遍使用的，所以电能计量装置在发、供、用电的地位是十分重要的。

电能计量装置就更显得重要，电能表作为测量电能的专用仪表，自诞生已有100多年的历史。

电能表在电能管理用仪器仪表中占有很大比例，其性能直接影响着电能管理的效率和科学文化水平。

100多年来，随着电力系统、所有以电能为动力的产业的发展以及电能管理系统的不断完善，电能表的结构和性能也经历了不断更新、优化的发展过程。

电能表作为测量电能的专用仪表其性能直接影响着电能管理的效率，为使电能计量仪器仪表适应工业现代化和电能管理现代化飞速发展的需求电子式电能表应运而生。

本设计的单相电子电能表具有用电计量、监视、控制、管理四大功能，由于内部无机械摩擦而准确度高，灵敏度高，易实现自动化测量，用RS——485可实现远方通信。

本次设计的多功能单相电子式电能表能采集计算电压、电流、有功电能、无功电能，在电能表本体上有LCD显示器，显示采集和计算的各种所需数据；并具有RS485通讯接口。

该设计对电能表的功能及分类作了简单的介绍，让读者对电能表有个基本的了解，知道它是如何产生的及它的发展情况，它有什么用途，对单相电子式电能表的硬件结构作了详细的描述，分别从电源电路、计量电路、通讯电路、管理电路及其它部分电路四大部分着手介绍了各部分的原理及电路图，并对它们分别作了讲解。

关键词：

电能表电子式单相式RS485多功能

Abstract

Electricityisthenationaleconomy,theindustrial,commercial,andpeople'slifeasanimportantsecondaryenergy,powerinmodernsocietyiscommonlyused,soenergymeteringdeviceinhair,offer,electricitypositionisveryimportant.Electricitymeasurementdeviceismoreimportant,thespecialpowerasmeasurementwatt-hoursmeter,hassincebirthhistoryofover100years.Watt-hourmeterinpowermanagementwithinstrumentsofverylargeproportion,itscapabilitydirectlyaffectstheefficiencyofpowermanagementandscientificandculturallevel.Morethan100years,alongwiththepowersystem,allbasedonthepowerforthedevelopmentofpowerindustryandpowermanagementsystem,perfectingthestructureandpropertiesofthemeterhasexperiencedconstantlyupdated,optimizingtheprocessofdevelopment.Asaspecialmeasuringelectricpowermeteritscapabilitydirectlyaffectstheefficiencyofpowermanagement,tomakeelectricitymeasurementinstrumentstoadapttoindustrialmodernizationandpowermanagementmodernizationrapiddevelopmentneeds）-phasewatt-hourmeterarisesatthehistoricmoment.

Thisdesignsingle-phaseelectronicwatt-hourmeterhaselectricitymeters,surveillance,control,managementfourfunction,duetointernalnomechanicalfrictionandhighaccuracy,highsensitivity,easytorealizeautomaticmeasurement,canberealizedwithRS-485distancecommunication.Thisdesignismuti_functionsingle-phase）-phasewatt-hourmetercanacquisitioncalculationvoltage,current,power,reactivepowermeritoriousthereinwatt-hourmeterontology,LCDmonitoranddisplaythecollectionandcalculationofthedata;AndwithRS485communicationinterface.

Thedesignofthefunctionandclassificationofwatt-hourmetermakesbriefintroductiontoletreadershaveabasicunderstandingofwatt-hourmeter,knowhowitisproducedanditsdevelopmentsituation,ithaswhatpurposes,ofsingle-phase）-phasewatt-hourmeterhardwarestructurehasmadethedetaileddescription,separatelyfromthepowersupplycircuit,measurementcircuit,communicationcircuit,managecircuitsandotherpartscircuitisintroducedfourmosttoallpartsofthecircuitdiagram,andtheprincipleandexplaintothemrespectively.

KEYWORDS：

watt-hour,meterelectronic,Single-phasetype,RS485,multi-function

1电能计量基本概念

电能是国民经济、工业、商业等人民生活的重要二次能源，电能可以方便地转化为其他形式的能量。

电力的生产和其他产品的生产不同，其特点是发电厂发电、供电部门供电、用户用电这三个部门是连成一个系统，不能间断地同时完成，而且是互相紧密联系缺一不可，它们互相如何销售，如何经济计算，那就需要一个计量器具在三个部门之间进行测量计算出电能的数量，这个装置就是电能计量装置。

在电力市场的整体运作中，电能计量装置的读数作为电力产品贸易结算的依据，已经越来越受到贸易双方的重视，是贸易双方经济核算的重要指标。

随着我国加入WTO、融入国际大市场的步伐，工农业生产的自动化程度及劳动生产率已大大提高，降低产品的电能成本已成为广大电力用户追求的目标[3]。

必须加强电能计量的学习，加强电能计量新技术的学习，使电能计量工作管理规范化，符合国家标准，计量准确可靠。

1.1电能计量装置

电能计量是由电能计量装置来确定电能量值的一组操作，是为实现电能量单位及其量值准确、可靠的一系列活动。

电能计量原理框图如图所示。

图1.1电能计量原理框图

用户供电线路分支是与高压配电系统相连接的，要对这个高压供电系统分支的电能进行计量，首先要通过电压信号源器件将高电压信号成正比地变为低电压信号，通过电流信号源器件将大电流成正比地变为小电流信号；然后通过传输线将这个低电压、小电流信号传输给电能量采样、测量、计算、显示、存储器件。

电压信号源器件一般选用电磁式电压互感器，也有用电容分压器或电阻分压器的，高新技术选用光电压互感器；电流信号源器件一般选用电磁式电流互感器，高新技术选用电子式电流互感器、光电流互感器；传输线一般选用电缆，高新技术选用光缆；电能量采样、测量、计算、显示、存储一般由电能表来完成，高新技术直接用计算机来取代电能表。

1.2计量电路部分

本次设计的单相电子式电能表的计量部分主要是针对ADE7755计量芯片的电路设计，它是有美国ADI公司2003年研制生产的有功电能单相测量芯片。

它是为单相两线制系统设计的，用来生产低成本、高精度单相电能表。

ADE7755内部包括两路数模转换器（对来自电压、电流传感器的电压信号进行数字化转换，在电流通道中还设计了PGA电路，同时还在电流通道中设置了HPF电路滤掉直流分量），一个基准电压源（其标称值为2.5V，一般无需外接基准）和用来计算有功功率的信号处理电路。

瞬时功率是通过电压、电流信号的直接相乘得到的，此瞬时功率信号经过低通滤波器得到有功功率，再经过数字—频率转换器累计脉冲得到有功电能量。

ADE7755的功率脉冲输出是通过对上述有功功率信息的累计产生

P（t）=u（t）*i（t）式1.1

W（t）=∫p（t）=∫u（t）*i（t）式1.2

这个部分主要包括电压拾取电路设计、电流拾取电路设计以及其他部分电路的设计。

电压拾取电路实际上是一个分压电路，将火线和零线（负荷电压）分压：

R23/（R9+R10+R11+R12），输入到测量芯片输入端8脚。

通过电阻分压确保ADE7755电压通道中信号电压在其工作范围内[6]。

上面带有开关的电阻是一个电阻调整网络，可在一定范围内调整信号电压的大小。

使电能表精度提高。

图1.2电压拾取电路

图1.3电流拾取电路

在电流拾取电路中，R26、C15和R27、C16组成两个一阶低通滤波器，滤除电流通道中的高频分量。

C17是通过K10的合开来选择是否作用于系统的，它是补偿电流信号本身不平衡造成ADE7755计量电能出现比较大的误差，因此通过人为造成不平衡，使得系统达到平衡的目的。

ADE7755其他电路部分，包括脉冲计数和电能方向指示。

电能脉冲输出为CF（脚22），经过光耦输出：

PULSE电能脉冲，将引入单片机的输入端，进行电能脉冲累计。

REVP输出（脚20）指示电能方向，电能通过光耦输出。

光耦器件是用来隔离MCU电路的。

3.579545MHZ是ADE7755推荐的主时钟频率。

AVDD和DVDD两路电源为模拟和逻辑直流正5V。

电路中DVDD和AVDD通过C18、C19、R28组成的滤波电路连接在一起滤除干扰。

选择内部基准电源，在基准电源输出端加上一个滤波电容C20，防止外界干扰。

目前广泛使用的电能计量装置包括：

计量用电流电压互感器、电能表、互感器与电能表之间的二次回路、电能计量箱、电能计量集抄设备等。

2电子式电能表

2.1电子式电能表的发展史

世界上最早的电能表是爱迪生于1880年利用电解原理发明的直流电能表，交流电的出现和被利用，对电能计量仪表提出了新的要求。

测量直流电能的电能表多采用电动系测量机构，而用于测量交流电能的电能表则采用感应系测量机构。

电能开发及利用的加快，对电能管理和电能表性能提出了更高的要求，感应系电能表准确度等级不够高，为使电能计量仪器仪表适应工业现代化和电能管理现代化迅速发展的需要，电子式电能表应运而生。

电子式电能表是新一代电能表，在近几年得到了用户的普遍认可和接受，使用逐渐广泛起来。

随着电子技术的发展和用户用电管理水平要求的不断提高，电子式电能表得到了迅猛的发展，成为电能计量不可缺少的重要组成部分。

电子式电能表其测量部分完全由电子元件构成，而且内部时钟部分、电源部分、显示部分等均由电子元器件构成。

电子式电能表由于其构成不同于机械电能表而得名。

由于内部没有可以转动部分也成为静止式电能表。

电子式电能表诞生在20世纪40年代，由欧洲的公司制造。

它的诞生也是得益于电子技术的发展。

在20世纪80年代之前，电子式电能表并没有显示出它巨大的生命力和活力，它的应用局限于高精度电能表、标准表和检验装置，其成本较高，性能和可靠性比机械表并不优越很多。

在20世纪90年代，电子技术发展迅速，电子式电能表也取得了飞跃的发展，无论是高档、高精度三相表，还是低档、低精度单相表都有大量的、性能优越的电子式电能表产品[2]。

电子式电能表在技术上从模拟乘法器到数字乘法器，性能越来越好，而价格越来越低，大规模批量生产工艺也非常成熟，已形成了一个非常有活力、欣欣向荣的产业。

2.2电子式电能表的一般结构与原理

电子式电能表通常由以下几个部分组成：

电源部分、显示部分、测量部分、管理部分、外部设备[7]。

下面简单的介绍以下各部分的功能：

（1）测量部分：

它接收交流电压、电流信号，将其运算后得到相乘的电功率信号，电子式电能表的精度和稳定性等主要性能就由此部件决定。

它是电子式电能表的心脏，一般由模拟乘法器、数字乘法器或A/D模拟数转换加高速微处理器构成。

（2）电源部分：

将输入的交流电压整流、降压、滤波后得到直流5V、12V等电压等级的电压，供给其他电路。

电源部分非常重要，它是电子式电能表工作的动力源，一般由线性或开关稳压电路构成。

（3）显示部分：

将电能量及其他信息显示出来。

一般有数码管LED、液晶显示器LCD以及机械计度器三种方式。

（4）管理部分：

接收测量部件输出的电功率信号，计算出各种所需的电量，并且管理显示、时钟、通信接口、数据存储器等部件。

一般由单片机或嵌入式计算机构成其核心。

它是电子式电能表的大脑，指挥其他部分完成工作。

（5）外部设备：

包括接口部分、外壳等。

一般有数字通信接口，用于与其他设备进行数据交换、抄表、设置表计参数等，常用的有：

远红外数字通信接口、RS485通信接口、IC卡读写接口等。

下面是电子式电能表的原理框图工作原理框图

图2.1电能表的原理框图

2.3电子式电能表的功能与分类

2.3.1电子式电能表的功能

1．计量功能

电子式电能表的计量功能具体地又分为累计和实时计量两部分。

累计计量功能主要包括累计双向供电的有功电能、无功电能、视在电能的消耗量、断电时间、断电次数等。

实时计量包含测量并显示工频电能的所有参数。

2．监视功能

监视功能为最大需量和防窃电监视；其次还有缺相指示、停电和复电时间记录、预付费表的所购电能将用尽时的报警及电压异常报警。

3．控制功能

主要的控制功能为时段与负荷控制。

前者用于多费率分时计费；后者则是指通过接口接收远方控制指令或通过表记内部的编程控制负荷。

4．管理功能

电子式电能表的管理功能包括按时段费率进行计费、预付费提示、为抄表提供必要信息数据、可参与组网进入电能管理系统等。

5．最大需量计量

需量的定义：

定长时间的平均功率；最大需量：

需量的最大值。

定长时间也称为需量周期，一般为5、10、15、30、60min。

而计算需量的间隔称为滑差步进时间，一般为1、3、5、15min。

其计量方法为：

每个滑差步进时间到时，计算截止到当前时刻的一个需量周期的平均功率，并且与最大值进行比较。

如需量周期为15min，滑差步进时间为5min，即每5min计算一次当前15min的平均功率，并且与最大值进行比较，如果大于最大值，将其记录为最大需量，如图为最大需量计算说明。

功率

15101520253035404550556065707580859095

时间（min）

图2.2功率分布

如图所示，电能表从0min开始计算需量，每5min计算一次最大需量，当第50min计算时达到最大值。

国内只需要计量有功最大需量，并依此进行收费。

国外有计量视在最大需量的需求。

最大需量也需要分时计量。

最大需量为一个月的最大值，过月时，要求将当月最大值保留到上月，而当前最大值清零重新开始计量。

一般要求记录多个月最大需量。

2.3.2电子式电能表的分类

一．电能表按所测电能种类分，可分为有功电能表、无功电能表、直流电能表三种。

后者一般用于特殊行业，不用于电力贸易计量。

有功电能表计量用户实际消耗的电能W有，这些电能已经不可逆转的变成了机械能、热能、光能、化学能、生物能等[5]。

无功电能表用于计量用户的无功电能W无。

无功不是用户消耗的电能而是用户曾经存储起来的电能，这部分电能会与电网进行能量交换。

计量无功的目的，是要核算一个抄表期内的平均功率因数λ，即平均力率，即

式2.1

用户消耗的无功越多，平均功率因数就越低，配电网在为用户输送这些无功电能

时，要增加的线损就越多，增加了供电成本。

因此在电费结算时要对功率因数进行考核。

二．电能表按相别和接线方式分，可分为单相、三相三线制和三相四线制三种。

三．按电压等级分可分为高压表（额定线电压为100V）和低压表（额定相电压统一为220V）两种。

四．按电流的测量范围来分，可分为直通表和经电流互感器接入两种。

五．按准确度等级分，可分为0.01、0.02、0.05、0.1、0.2、0.5、1.0、2.0、3.0级等等。

准确度等级的数字越小准确度等级越高。

六．按结构原理分，可分为感应式电能表、全电子式电能表、机电一体化电能表。

七．按测量功能分，可分为分时计费电能表、最大需量电能表、预付费电能表、集抄电能表、多功能电等能表等。

2.4各种电能表的比较

感应式电能表已有100多年的历史，其工艺成熟，价格低廉，过载能力强，可靠性好，可视性好，但由于元件磨损、灰尘增多、电磁性能变差等因素的影响，准确度等级不高，不易实现自动化，可是目前国内乃至国外，尤其是在农村电网及三相低压中，感应式电能表还占有相当大的市场。

全电子式电能表因其内部没有可动部件，无机械摩擦而准确度高，灵敏度高，使用寿命长，易实现自动化计量，可实现遥测遥控，实现数据自动分析统计，计量中可排除人为因素干扰，功能多，数据可存储，便于无纸化抄核收作业，便于远方集中抄表。

目前单相表选用全电子式电能表已经很普遍。

机电一体化电能表又称为脉冲电能表，它综合了感应式及全电子式电能表的优点。

该表型的电能采样，仍然有感应式母表完成，这部分的结构与一般感应式电能表相同，用字轮显示电度数。

3单相电子式电能表的硬件设计

3.1电子式电能表的硬件框图及结构

本电能表的硬件电路由电源电路设计、计量电路设计、通讯电路设计、MCU（管理电路设计）及其它部分电路设计四大部分组成。

其中核心部分是计量电路的设计，这也是电子式电能表计量功能的体现，它是电能表计量准确性的关键部分，但其他部分也是缺一不可的，他们相辅相成，特别是单片机控制器，它是电能表的灵魂，实现系统中各个部件协调控制。

MCU部分

（89LPC931）

系统掉电

检测

RS-485通讯

信道

被测电压

拾取电路

被测电流

拾取电路

计量芯片电路

（ADE7755）

指示灯

存储器

EEPROM

24WC08

LCD显示器

I2C总线

实时时钟8025

LCD驱动器

（PCF8576）

图3.1硬件框图

3.1.1电源电路部分

电源电路为了提高系统的抗干扰性、可靠性，分为三个独立的电源，使计量电路，RS-485通讯和MCU的电源相互隔离，达到互不影响的目的，但是它们属于同一个变压器，所以选择变压器的时候要注意，如图3.2。

RS-485通讯电源电路

计量电源电路

MCU及其相关部分电源电路

（a）（b）（c）

图3.2电源部分结构

在计量部分，ADE7755芯片是一个数模混合的电路，因此设计比较困难，要想达到良好的计量效果，要采取一定的抗干扰措施，如数字地和模拟地在PCB板上单点连接，特别是在对电流、电压采样的电路直接接在外部线路上，干扰比较严重。

I2C总线在整个系统中占有重要的作用，它关系到LCD显示、电量数据存储、时间和日期的读取等等，它是MCU与外部设备的接口，是MCU获取信息的窗口[4]。

在通讯电路中，在通讯发生时MCU要接受通讯帧，判断是否正确，并执行通讯命令。

从上面简单的分析可以看出，MCU是系统的控制器，起着决定性的作用。

3.1.2输入变换电路

电子式电能计量仪表中必须有电压和电流输入电路。

输入电路的作用，一方面是将被测信号按一定的比例转换成低电压、小电流输入到乘法器中；另一方面是使乘法器和电网隔离，减小干扰。

（一）电流输入变换电路

要测量几安培乃至几十安培的交流电流，必须要将其转变为等效的小信号交流电压（或电流），否则无法测量。

直接接入式电子式电能表一般采用锰铜分流片；经互感器接入式电子式电能表内部一般采用二次侧互感器级联，以达到前级互感器二次侧不带强电的要求。

1．锰铜片分流器

以锰铜片作为分流电阻RS，当大电流i（t）流过时会产生相应的成正比的微弱电压Ui（t），其数学表达式为

Ui（t）＝i（t）R式3.1

该小信号Ui（t）送入乘法器，作为测量流过电能表的电流i（t）。

锰铜分流器和普通电流互感器相比，具有线性好和温度系数小等优点。

锰铜分流器A选用F2锰铜片，厚度2mm，取样电阻Rs选175μΩ，则当基本电流为5A时，1、2之间的取样信号Ui＝0.875mV。

2．电流互感器

采用普通互感器（电磁式）的最大优点是电能表内主回路与二次回路、电压和电流回路可以隔离分开，实现供电主回路电流互感器二次侧不带强电，并可提高电子式电能表的抗干扰能力。

其原理框图如图3.3所示。

（a）（b）

图3.3电流互感器电气原理图

（α）穿线式；（b）接入式

I（t）＝KIiT（t）式3.2

式中i（t）——流过电能表主回路的电流；

iT（t）——流过电流互感器二次侧的电流；

KI——电流互感器的变比。

式3.3

式中u（t）——送往电能计量装置的电流等效电压；

RL——负载电阻。

（二）电压输入变换电路

和被测电流一样，上百伏（100V或220V）的被测电压也必须经分压器或电压互感器转变为等效的小电压信号，方可送入乘法器。

电子式电能表内使用的分压器一般为电阻网络或电压互感器。

1．电阻网络

采用电阻网络的最大优点是线性好、成本低，缺点是不能实现电气隔离。

实用中，一般采用多级（如3级）分压，以便提高耐压和方便补偿与调试。

典型接线如图3.4所示。

图3.4典型电阻网络线路图

2．电压互感器

采用互感器的最大优点是可实现一次侧和二次侧的电气隔离，并可提高电能表的抗干扰能力，缺点是成本高。

其电路图如图3.5所示。

U（t）＝KuUu（t）式3.4

式中u（t）——被测电压；

Uu（t）——送给乘法器的等效电压。

图3.5电压互感器电路图

3.1.3乘法器电路

模拟乘法器是一种完成两个互不相关的模拟信号（如输入电能表内连续变化的电压和电流）进行相乘作用的电子电路，通常