劉　建，黃　杰，田正其，祝宇楠，任智仁

(1.江蘇省電力公司 電力科學(xué)研究院，南京　210019；2.威勝集團(tuán)有限公司，長沙　410205；3.國家電網(wǎng)公司電能計(jì)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京　210019)

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一種三相三線與三相四線自適應(yīng)電能表的設(shè)計(jì)

劉建1，3，黃杰2，田正其1，3，祝宇楠1，3，任智仁2

(1.江蘇省電力公司 電力科學(xué)研究院，南京210019；2.威勝集團(tuán)有限公司，長沙410205；3.國家電網(wǎng)公司電能計(jì)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210019)

針對傳統(tǒng)三相電能表因應(yīng)用現(xiàn)場接線方式不同，衍生出來多種電壓規(guī)格的表型，造成電能表廠商的生產(chǎn)和維護(hù)成本高、用戶使用和管理難度大的問題；該文介紹了一種三相三線與三相四線自適應(yīng)電能表；該自適應(yīng)電能表以測量到的三相電壓幅值和三相電壓間的相角為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，結(jié)合電能表的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)規(guī)范和實(shí)際運(yùn)行環(huán)境，形成了一整套的電壓規(guī)格識別和管理、計(jì)量參數(shù)調(diào)整和顯示報警機(jī)制，并通過軟件程序?qū)崿F(xiàn)了電能表對三相三線與三相四線兩種接線方式下不同電壓規(guī)格的自適應(yīng)功能；測試結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的自適應(yīng)電能表在57.7 V、100 V和220 V三種電壓規(guī)格下都能準(zhǔn)確地測量和計(jì)量，完全能滿足國家電網(wǎng)公司在《Q/GDW1827—2013三相智能電能表技術(shù)規(guī)范》中對0.2 S級三相智能電能表的技術(shù)規(guī)范要求，且性價比高，具有廣闊的市場前景。

三相電能表；電壓規(guī)格；自適應(yīng)

0　引言

三相電能表[1]作為計(jì)量電能的儀表，被廣泛地應(yīng)用在電力系統(tǒng)[2]的各個方面，它根據(jù)應(yīng)用現(xiàn)場的接線方式不同，可以分為三相三線電能表和三相四線電能表兩種，其中三相三線電能表的常用表型是100 V電壓規(guī)格，三相四線電能表的常用表型是57.7 V和220 V兩種電壓規(guī)格。不同表型對設(shè)計(jì)、物料、生產(chǎn)、測試、倉儲和售后的要求各不相同，這既不利于電能表廠商的生產(chǎn)和維護(hù)，也不便于用戶的使用和管理。

針對上述問題，本文設(shè)計(jì)了一種三相三線與三相四線自適應(yīng)電能表[3-12]，它可以自動識別電網(wǎng)的接線方式和電壓規(guī)格，并同時自動調(diào)整計(jì)量參數(shù)與之匹配，從而實(shí)現(xiàn)在57.7 V、100 V和220 V三種電壓規(guī)格下的準(zhǔn)確測量和計(jì)量。

1　系統(tǒng)組成及工作原理

1.1系統(tǒng)組成

如圖1所示，本自適應(yīng)電能表主要由電源單元、電壓采樣單元、電流采樣單元、計(jì)量單元、管理MCU單元、顯示單元、通信單元及存儲單元等部分構(gòu)成，還特別包括一根電壓短接線，它與普通三相表的最大的區(qū)別如下：

圖1　系統(tǒng)原理框圖

1)電源單元必須同時滿足57.7 V、100 V和220 V三種電壓規(guī)格的寬電源工作要求，不再采用傳統(tǒng)的基于變壓器的線性電源供電，而是改為采用轉(zhuǎn)換效率更高、穩(wěn)壓范圍更寬和可靠性更高的開關(guān)電源供電；

2)電壓短接線是一根外置的電纜線，用于短接電壓采樣單元的B相和N相。它根據(jù)電能表的應(yīng)用現(xiàn)場不同，人為選擇使用或不使用，電能表應(yīng)用于三相三線接線方式時，需要將它的一端接電能表的B相電壓端子，另一端接電能表的N相電壓端子；而在電能表應(yīng)用于三相四線接線方式時，不需要使用它。

1.2工作原理

本自適應(yīng)電能表的基本工作原理如下：電網(wǎng)的三相電壓信號根據(jù)是否使用電壓短接線，構(gòu)成三角形或星形的形式接入到電能表的電壓采樣單元，經(jīng)電阻分壓采樣和抗混疊電路濾波后，形成三相電壓模擬小信號，送入到計(jì)量芯片的電壓ADC端口；電網(wǎng)的三相電流經(jīng)CT采樣和抗混疊電路濾波后，形成三相電流模擬小信號，送入到計(jì)量芯片的電流ADC端口；再由計(jì)量芯片內(nèi)部集成的6路24位高精度∑-△型A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行同步采樣，將其量化轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并通過專用電能計(jì)量算法計(jì)算得到電壓、電流、功率和電量等電參量數(shù)據(jù)；然后由管理MCU通過SPI總線定時讀取數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)完成電壓規(guī)格識別、液晶顯示、按鍵查詢、通信、存儲、脈沖輸出等管理工作。

2　自適應(yīng)功能實(shí)現(xiàn)

自適應(yīng)電能表的核心功能是對電網(wǎng)接線方式和電壓規(guī)格自動識別并與之匹配的功能，它必須通過電能表硬件、軟件和安裝3個環(huán)節(jié)密切配合才能實(shí)現(xiàn)，其中硬件只需在成熟的三相四線電能表的基礎(chǔ)上改用寬電壓工作范圍的開關(guān)電源和新增一根電壓短接線即可。因此本文主要介紹電能表的軟件實(shí)現(xiàn)方法和安裝兩個環(huán)節(jié)，對電能表的硬件不做過多說明。

2.1軟件設(shè)計(jì)

電能表要實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)電壓規(guī)格的識別，只有將三相電壓幅值和三相電壓間的相角這幾個電參數(shù)作為判斷依據(jù)進(jìn)行判斷。但是由于電能表的應(yīng)用場合十分復(fù)雜，運(yùn)行過程中存在多種電壓異常的情況，如電能表前端的負(fù)荷控制開關(guān)跳閘會產(chǎn)生瞬間高壓；零線沒有接地或者接地不牢靠，零點(diǎn)漂移導(dǎo)致電壓測不準(zhǔn)。如果自適應(yīng)電能表只靠上電自動識別電壓規(guī)格，那就存在誤判、錯判的風(fēng)險，因此在軟件設(shè)計(jì)上還必須有機(jī)制來約束上電自動識別功能，此外還要有顯示和報警機(jī)制，多管齊下，確保電壓規(guī)格判斷正確。

基于以上考慮，本自適應(yīng)電能表的判斷機(jī)制設(shè)計(jì)為：電能表在走了一定電量之前，上電自動識別電壓規(guī)格，并將判出的電壓規(guī)格顯示給安裝人員確認(rèn)，判不出來就報警提醒；走了一定電量之后，上電直接使用之前保存的電壓規(guī)格，不再進(jìn)行判斷。這種機(jī)制既有上電自動識別電壓規(guī)格的靈活性，又有穩(wěn)定運(yùn)行后固定電壓規(guī)格的可靠性，該機(jī)制的軟件程序?qū)崿F(xiàn)具體可分為管理程序和計(jì)量程序兩部分，下面將這兩個部分進(jìn)行說明。

2.1.1管理模塊

管理模塊主要負(fù)責(zé)電壓規(guī)格管理和顯示報警工作，它的整個處理流程如圖2所示。電能表上電后，管理程序檢測電能表是否已確定電壓規(guī)格(即電能表在該電壓規(guī)格下走字20 kWh)，根據(jù)該檢測結(jié)果的不同分兩種情況進(jìn)行處理：

情況1：如果電能表已確認(rèn)電壓規(guī)格，則通知計(jì)量模塊需要匹配電壓規(guī)格，并顯示在液晶上；

圖2　管理模塊程序流程

情況2：如果電能表尚未確認(rèn)電壓規(guī)格，則通知計(jì)量模塊需要判斷電壓規(guī)格，并等待計(jì)量模塊的判斷結(jié)果，如果計(jì)量模塊判出電壓規(guī)格，就顯示在液晶上，并開始累計(jì)該電壓規(guī)格下的走字電量，達(dá)到20 kWh后確認(rèn)保存電壓規(guī)格；如果沒有判出電壓規(guī)格，就顯示Err-FF報警提示。

2.1.2計(jì)量模塊

計(jì)量模塊主要負(fù)責(zé)電壓規(guī)格識別和計(jì)量參數(shù)調(diào)整工作，本自適應(yīng)電能表設(shè)計(jì)了一個狀態(tài)機(jī)來實(shí)現(xiàn)這個功能，該狀態(tài)機(jī)分初始化狀態(tài)、判斷狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)和報警狀態(tài)4個狀態(tài)，它的整個處理流程如圖3所示。

圖3　計(jì)量模塊程序流程

電能表上電后，計(jì)量模塊進(jìn)入初始化狀態(tài)，完成初始化工作，并根據(jù)管理模塊下發(fā)的命令標(biāo)志不同，分兩種情況進(jìn)行處理：

情況1：當(dāng)管理模塊下發(fā)電壓規(guī)格匹配命令時，狀態(tài)機(jī)切換到運(yùn)行狀態(tài)，并將計(jì)量參數(shù)調(diào)整到與管理模塊指定的電壓規(guī)格匹配；

情況2：當(dāng)管理模塊下發(fā)電壓規(guī)格判斷命令時，狀態(tài)機(jī)切換到判斷狀態(tài)，運(yùn)行判斷子模塊，如果判出電壓規(guī)格，就將判斷結(jié)果返回給管理模塊，并切換到運(yùn)行狀態(tài)，將計(jì)量參數(shù)調(diào)整到與電壓規(guī)格相匹配；如果沒有判出電壓規(guī)格，就將計(jì)量參數(shù)調(diào)整匹配到默認(rèn)的220 V電壓規(guī)格，并切換到報警狀態(tài)。

2.1.3判斷子模塊

電壓規(guī)格判斷子模塊是本自適應(yīng)電能表的重點(diǎn)內(nèi)容，是實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)功能的靈魂部分，該子模塊以電能表測量到的三相電壓幅值和三相電壓間的相角為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，結(jié)合電能表的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)規(guī)范和實(shí)際運(yùn)行環(huán)境，形成了以下判斷依據(jù)：

依據(jù)1：三相電能表要么是三相三線電能表，要么是三相四線電能表；

依據(jù)2：當(dāng)電能表測到的B相電壓不為0 V時，電網(wǎng)必然為三相四線接線方式；

依據(jù)3：三相四線系統(tǒng)的電壓間相角為120°或240°，三相三線系統(tǒng)的電壓間相角為60°或300°；

依據(jù)4：在實(shí)際運(yùn)行過程中，電網(wǎng)電壓間的相角波動范圍極小，不會超過±10°；

依據(jù)5：根據(jù)電能表的技術(shù)規(guī)范要求，電能表的工作范圍為70%Un～130%Un，判斷220 V規(guī)格用到的電壓閥值取150 V，比220*70%=154 V稍小；判斷57.7 V規(guī)格用到的電壓閥值取77 V，比57.7*130%=75 V稍大。

本自適應(yīng)電能表根據(jù)以上5點(diǎn)判斷依據(jù)進(jìn)行電壓規(guī)格識別功能設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了絕大多數(shù)情況下的電壓規(guī)格判斷，其判斷具體步驟如下：

步驟1：三相電壓都為0時，電壓規(guī)格判不出來。

步驟2：接線模式判斷

1)當(dāng)B相電壓為0，A、C相電壓都不為0時：

(1)AC間的電壓夾角大于110、小于130，或大于230、小于250，判定為3P4W；

(2)AC間的電壓夾角大于50、小于70，或大于290、小于310，判定為3P3W；

(3)AC間的電壓夾角為其它值，接線模式判不出來。

2)當(dāng)B相電壓為0，A相或C相電壓為0時，接線模式判不出來。

3)當(dāng)B相電壓不為0時，接線模式判定為3P4W。

步驟3：電壓規(guī)格判斷

1)當(dāng)接線模式判為3P4W時：

(1)任意相電壓大于150 V，規(guī)格判定為220 V；

(2)所有相電壓小于77 V，規(guī)格判定為57.7 V；

(3)其它情況判不出來。

2)當(dāng)接線模式判為3P3W時：

(1)兩相電壓都在79～132 V之間，規(guī)格判定為100 V；

(2)其它情況判不出來。

3)當(dāng)接線模式未判出來時：

(1)任意相電壓大于150 V，規(guī)格判定為220 V；

(2)所有相電壓小于77 V，規(guī)格判定為57.7 V；

(3)A、C兩相電壓都在79～132 V之間；或其中一相在79～ 132 V之間，另一相為0，規(guī)格判定為100 V；

(4)其它情況判不出來。

2.2安裝說明

本自適應(yīng)電能表應(yīng)用于三相四線系統(tǒng)時，電壓線的接法跟普通的三相四線電能表一樣，電網(wǎng)的A相線接A相端子、B相線接B相端子、C相線接C相端子、N相線接N相端子，但應(yīng)用于三相三線系統(tǒng)時，需要使用電壓短接線，電網(wǎng)的A相線接A相端子、B相線接B相端子、C相線接C相端子、B相端子和N相端子短接，安裝接線如圖4和圖5所示。

圖4　三相四線系統(tǒng)接線圖

圖5　三相三線系統(tǒng)接線圖

3　自適應(yīng)功能驗(yàn)證

根據(jù)以上設(shè)計(jì)方案，我們制作了一款57.7 V、100 V和220 V三種電壓規(guī)格自適應(yīng)、電流規(guī)格為0.3(6)A的自適應(yīng)電能表，并對樣機(jī)進(jìn)行了3種電壓規(guī)格下的基本誤差試驗(yàn)，測試結(jié)果如表1所示，限于篇幅本表格僅列出正向有功的誤差數(shù)據(jù)。

表1　正向有功基本誤差試驗(yàn)

續(xù)表1

負(fù)載點(diǎn)功率因數(shù)正向有功基本誤差/%57.7V規(guī)格100V規(guī)格220V規(guī)格A相IB0.5L-0.019-0.0160.000A相0.1IB0.5L-0.012-0.012-0.004A相0.05IB1-0.027-0.003-0.016B相IMAX1-0.012/-0.009B相IMAX0.5L-0.018/0.019B相IB1-0.004/-0.011B相IB0.5L-0.003/-0.007B相0.1IB0.5L0.011/-0.001B相0.05IB1-0.003/-0.015C相IMAX1-0.007-0.013-0.002C相IMAX0.5L0.016-0.022-0.007C相IB1-0.012-0.008-0.004C相IB0.5L0.008-0.006-0.008C相0.1IB0.5L0.010-0.0120.004C相0.05IB1-0.023-0.022-0.007

從測試結(jié)果可以看出，自適應(yīng)電能表在3種電壓規(guī)格下都可以準(zhǔn)確計(jì)量，其有功誤差表計(jì)有功誤差均在±0.05%以內(nèi)，精度優(yōu)于國家電網(wǎng)關(guān)于0.2 S級三相智能電能表的要求。

4　結(jié)束語

本自適應(yīng)電能表可以自動識別電網(wǎng)的接線方式和電壓規(guī)格，并同時自動調(diào)整計(jì)量參數(shù)與之匹配，從而確保測量和計(jì)量的準(zhǔn)確性，其有功誤差精度滿足國家電網(wǎng)0.2 S級三相智能電能表的技術(shù)規(guī)范要求。與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案相比，本自適應(yīng)電能表不但大幅減少了現(xiàn)有三相表表型，降低了電能表廠商的生產(chǎn)和維護(hù)成本，便于用戶的使用和管理，還大大提高了產(chǎn)品的市場競爭力，擁有非常廣闊的市場前景。

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Design of Adaptive Electric Energy Meter Used for 3P3W or 3P4W System

Liu Jian1,3,Huang Jie2,Tian Zhengqi1,3,Zhu Yunan1,3,Ren Zhiren2

(1.Jiangsu Electric Power Company Research Institute,Nanjing210019,China；2.Wasion Group Limited,Changsha410205,China；3.State Grid Key Laboratory of Electric Energy Metering,Nanjing210019,China)

Because of the wiring method is different in application,the normal three phase electric energy meter have many voltage specification types,it causes the manufacturing and maintenance cost of the electric energy meter manufacturer very highly,and it is also difficult for the user to use and manage. In this paper,it describes a three phase electric energy meter which can be adaptive in 3P3W or 3P4W system. The meter used the three phase voltage amplitude and included angle as basic data which measured by itself,and combined with the industry standard,technical specification and actual operating environment of the electric energy meter,formed a suit of mechanism which used to recognize and manage the voltage specification,adjust the meter parameters,display and alarm,then used software program to achieve the different voltage specification adaptive function. The test result shows that the adaptive electric energy meter can work correctly under the power grid system whose voltage specification is 57.7 V,100 V or 220 V. The adaptive electric energy meter can perfectly satisfy the technical specifications requirements of State Grid in the Q/GDW1827-2013 Technical specification for triphase smart electricity meters for the class-0.2 S three phase electric energy meter. it has high quality-price ratio,and broad market prospects.

three phase electric energy meter;voltage specification;adaptive

1671-4598(2016)04-0281-03DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.04.081

TM933

B

2015-10-12；

2015-11-12。

劉建(1981-)，男，河南信陽人，博士，高工，主要從事電力電子計(jì)量檢測技術(shù)方向的研究。