雙方向功率檢測儀表的設(shè)計

林勇

（福建省計量科學(xué)研究院，福建福州，350003）

1 問題提出

隨著國家“十四五規(guī)劃”出臺，加強電網(wǎng)建設(shè)，發(fā)展智能電網(wǎng)，發(fā)展新型能源（太陽能，風(fēng)能）已經(jīng)越來越成為當(dāng)下的研究重點。而發(fā)展智能電網(wǎng)，新能源卻對儀表行業(yè)，尤其是電度儀表這個行業(yè)提出了更高的要求。而且根據(jù)國際上電力市場化的經(jīng)驗，電能計量將來要朝著高精度，高可靠性，免維護和雙向通訊功能的方向發(fā)展。

本設(shè)計是在基于現(xiàn)有的智能的電表基礎(chǔ)上來設(shè)計一款雙向功率檢測的電能儀表，通過所設(shè)計的這款儀表用戶可以在電能顯示屏上看到兩個電能的讀數(shù)，一個是使用傳統(tǒng)市電的電度數(shù)，另一個是使用有太陽能，風(fēng)能得電度數(shù)。本設(shè)計將使用兩個電度式的計量芯片結(jié)合單片機等設(shè)備，通過脈沖來判斷電流方向來確定用戶此時用的是市電還是太陽能或風(fēng)能提供的電，從而進行不同類型的電能的計量。

2 新型智能電表的結(jié)構(gòu)

該新型的智能電能表由六個部分組成：電源單元、電能測量單元、中央處理單元(單片機)、顯示單元、輸出單元、通信單元。

圖1 新型智能電能表電氣原理框圖

正常供電時，該新型的智能電表的工作電源通常有三種實現(xiàn)方式：工頻電源(即變壓器降壓)、阻容電源(電阻和電容降壓)、開關(guān)電源。在該新型的智能電表中，電能的測量單元采用的的電能計量芯片AD7755，該智能電表的顯示單元主要分為LED數(shù)碼管和LCD液晶顯示器兩種，后者功耗低，并支持漢字顯示。因此選用LCD液晶顯示。在這里，通信單元和中央處理單元通過RS232或RS485來實現(xiàn)電能表與終端電腦的數(shù)據(jù)共享達到免人工抄表的目的。

3 雙向功率檢測的智能電表組成結(jié)構(gòu)

本設(shè)計的一種雙向功率檢測的智能電表的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 雙向功率檢測的智能電表的結(jié)構(gòu)框圖

假設(shè)規(guī)定由太陽能，風(fēng)能發(fā)出的電提供給負載時候的電流方向為正方向，那么市電給負載提供電源時候的電流方向就為負的方向。在負載工作的某一時刻，通過電流方向的檢測可以判斷出此時給負載提供電源的是太陽能，風(fēng)能還是由市電來提供的，而在知道了負載是由哪種形式提供電源后，我們采用兩片AD7755來分別計量負載消耗市電的電能和消耗太陽能，風(fēng)電的電能，其中電能測量1就是表示消耗太陽能，風(fēng)電的電能，電能測量2是表示消耗市電的電能。然后這兩片AD7755把采集到的電能量值送到中央處理單元，中央處理單元通過內(nèi)部軟件的數(shù)據(jù)一番處理后，最后把兩種不同類型的電能值在LCD上給分別的顯示出來。

4 電度計量芯片AD7755測量電功率的原理

AD7755是美國模擬器件公司(ADI)生產(chǎn)的一種高準(zhǔn)確度電能測量集成電路。它的內(nèi)部只有模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路和基準(zhǔn)電源是用模擬電路，其它的信號處理都使用數(shù)字電路，這使得AD7755在惡劣的環(huán)境下仍能保持極高的準(zhǔn)確度和長期的穩(wěn)定性，具有優(yōu)良的溫度和時間穩(wěn)定性,其技術(shù)指標(biāo)超過了IEC1036規(guī)定的準(zhǔn)確度要求，能適應(yīng)各種環(huán)境要求，為電能表的質(zhì)量提供了保證。

AD7755的輸入為電流和電壓信號,輸出為與有功功率成正比頻率信號,其內(nèi)部組成主要由可編程放大器，電源監(jiān)控電路，基準(zhǔn)電路，模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路(ADC)，相位校正網(wǎng)絡(luò)，乘法器，高通濾波(HPF)，低通濾波(LPF)，數(shù)字—頻率轉(zhuǎn)換器等組成。

5 中央處理單元

本設(shè)計一種雙向功率檢測智能電表的中央處理單元采用的MCS-51單片機，它需要將AD7755轉(zhuǎn)送過來的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后通過數(shù)碼管顯示，而單片機以及單片機的外圍電路構(gòu)成單片機的最小系統(tǒng)。單片機的最小系統(tǒng)，包括了ISP下載線接口，復(fù)位電路按鍵復(fù)位，保證在沒有外部設(shè)備的時候可以正常工作，同時用排插柱將I/O口擴展，這樣就可以保證最小系統(tǒng)不是一次性使用。

6 雙向功率檢測智能電表硬件電路設(shè)計

該部分的硬件電路的設(shè)計可以分為功率測量部分和數(shù)據(jù)處理這兩大部分。

功率測量部分主要是由兩片AD7755來對負載消耗的市電電能，太陽能，風(fēng)能的電能進行采集，從而產(chǎn)生脈沖。該部分的測量示意圖如圖3所示。

圖3 雙向功率檢測智能電表硬件電路圖

功率計量部分主要包括AD7755 ，分流器，分壓器，基本電壓源，保護電路，光電耦合輸出電路。

設(shè)計輸出選擇AD7755高頻引腳CF，利用光電耦合器隔離輸出，其輸出頻率為瞬時功率的大小，設(shè)置SCF=0，S1=1，S0=1,則F1-4=13.6Hz。此時CF的最高輸出頻率為2048F1，F(xiàn)2=5570Hz,其脈寬都固定為18μs。

在數(shù)據(jù)處理部分中，利用MCS-51單片機自帶的兩個16位計數(shù)器來分別對AD7755的CF經(jīng)光電隔離輸出的脈沖進行計數(shù)。

單片機內(nèi)部定時器設(shè)定積分時間內(nèi)對CF輸出的脈沖計數(shù)，平均功率正比于平均頻率:平均功率=脈沖個數(shù)/積分時間。

一個周期內(nèi)消耗的電能為:電能=平均功率×積分時間=脈沖個數(shù)。因此通過利用單片機來計算脈沖的個數(shù)就可以便捷的計算出負載消耗市電的電能大小，負載消耗風(fēng)能，太陽能消耗的電能大小。

7 雙向功率檢測的智能電表的擴展設(shè)計

就目前而言，人均用電量大幅度增加使得“一戶一表制”得到大面積推廣，對電能表的要求和需求大幅度增加。電力部門已試行峰谷不同電價的計費辦法，同時采用智能化遠程抄表，自動計量計費等方法以解決人工抄表存在的諸多問題,減輕勞動強度。

而通過所設(shè)計的這款雙向功率檢測儀表進行外圍設(shè)備的拓展，可以很好的解決這些個問題，本表進行外圍拓展的原理框圖如圖4所示。

圖4 雙向功率檢測的智能電表的擴展原理框圖

單片機通過RS485接口，紅外接口相通訊，可以達到免人工抄表的目的。這種免人工抄表的設(shè)計尤其是在一些社區(qū)得到很大的推廣。

該抄表系統(tǒng)由安裝在每單元號內(nèi)的電能表箱，手持終端電腦，社區(qū)用電管理計算機三部分組成。電能表與手持終端電腦之間數(shù)據(jù)傳遞采用紅外通信技術(shù)，手持終端電腦與社區(qū)用電管理計算機之間的數(shù)據(jù)通過一接口進行通信。電能表的數(shù)據(jù)經(jīng)手持終端電腦存人管理計算機的數(shù)據(jù)庫內(nèi)。

因此，所設(shè)計的這種智能型電表具有兩個通訊接口，一路為調(diào)制型紅外接口，一路為RS485串行通信接口。由于單片機只有一個SCI串行通訊接口，因此為了滿足設(shè)計的要求，需要用軟件模擬一路異步串行通信。通常采用的是三倍速采樣方法，即以三倍于波特率的頻率對RXD的引腳進行采樣，保證能夠檢測到通信的起始位，通過采用兩路接受，一路發(fā)送的方式，對紅外38K的PWM載波和RS485的RTS靈活控制，可以做到使這兩路的通信信號互不干擾。

所設(shè)計的這種雙向功率檢測智能電表通過這樣的拓展設(shè)計，我們就可以做到不用到現(xiàn)場就可以知道負載在某個時刻消耗市電的電能大小，消耗太陽能，風(fēng)能的電能大小。

8 結(jié)束語

本設(shè)計采用電度計量芯片AD7755以及配合MCS-51單片機的使用，通過負載的電流方向的判斷可以計量出負載消耗市電的電能大小，消耗太陽能，風(fēng)電的電能大小。并且本系統(tǒng)通過外圍的拓展，可以達到對不同時段收取不同的電價的目的和遠程抄表的功能。本設(shè)計是只基于單相時候負載消耗電能進行研究，而在三相上的應(yīng)用和單向的一樣的。因此可以得出本系統(tǒng)的設(shè)計方案方法簡單，具有很高的使用性。