張理放,董永樂,張 祺,金 釗
(內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020)
全開放式智能仿真電能表的功能指標(biāo)要符合當(dāng)前通信規(guī)約、技術(shù)規(guī)范和具體使用需求,可與當(dāng)?shù)夭捎玫牟杉K端互通數(shù)據(jù),可實現(xiàn)對電能計量的正向、反向數(shù)據(jù),有功、無功數(shù)據(jù),尖峰負(fù)數(shù),平谷數(shù)據(jù),本月數(shù)據(jù),上月數(shù)據(jù),電壓、電流、功率等數(shù)據(jù)或者參數(shù)的查詢與設(shè)置。采用模塊化的設(shè)計思路,將智能仿真電能表分成不同的模塊,方便對各個模塊分別進行研究。
全開放式智能仿真電能表設(shè)計采用模塊化理念,將三相智能電表劃分為以下幾個模塊,即電源模塊、通信模塊、主計算機控制模塊、顯示模塊和計量模塊,各個模塊分別設(shè)計必要的外展電路,最后將各個模塊統(tǒng)一裝配。該電能表整體尺寸較小,方便電力施工進行存放、攜帶、搬運和安裝。在設(shè)計時,選用絕緣、阻燃、耐火材質(zhì),保證使用的安全性。在接口上,具備電壓和電流的輸入接口。全開放式智能仿真電能表的使用較為靈活,在進行仿真實驗或檢測時,可以進行征集調(diào)試,也可以對單一模塊進行仿真學(xué)習(xí);可以與信號源配合,實現(xiàn)智能設(shè)備相關(guān)功能,也可以直接接入實際電網(wǎng)中,在下載開放式程序之后,作為電能計量儀使用。全開放式智能仿真電能表原理如圖1所示。
圖1 智能仿真電能表原理圖
電能表可以通過仿真學(xué)習(xí)將電量的概念、多種電量值之間的關(guān)系與累計方法納入芯片功能。對于四象限有功、無功電量概念,正反向分相有功電量,蒸飯箱有功電量,四費率有功電量等均可以仿真學(xué)習(xí)[1]。
電能表可以對需量和最大需量的概念及測量方法進行仿真;可以測定蒸飯箱有功四費率的最大需量和需量發(fā)生時間,以及正反向有功最大需量和需量發(fā)生時間。
電能表可以對顯示驅(qū)動、顯示刷新的位置,對數(shù)據(jù)處理方式進行仿真學(xué)習(xí)。
電能表可以對數(shù)據(jù)結(jié)算與凍結(jié)的概念和存儲處理方式進行仿真學(xué)習(xí),可存儲上12個結(jié)算日的正反向總電能與四費率電量,可以對四費率電量的定時凍結(jié)、約定凍結(jié)、瞬時凍結(jié)、日凍結(jié)與整點凍結(jié)等進行仿真[2]。
電能表可以對負(fù)荷曲線概念及其存儲處理方式進行仿真學(xué)習(xí),可以仿真6個測量通道的負(fù)荷數(shù)據(jù)的讀取和存儲情況,可以存儲近30天的負(fù)荷數(shù)據(jù)。
對于事件的記錄,電能表可以對事件記錄的概念、判斷方法以及存儲方式進行仿真學(xué)習(xí)。記錄最近10次操作活動,包括需量清零、編程、校對時間、開表蓋以及開尾蓋等。
電能表可以對低功耗運行狀況和停電喚醒等動作的處理方法進行仿真學(xué)習(xí),包括按鍵喚醒、紅外喚醒、停電抄表、按鍵切換顯示以及紅外通信等[3]。
電能表可以對個各類通信通道的處理方式和協(xié)議的具體解析與實現(xiàn)方式進行仿真學(xué)習(xí),包括通道軟件硬件獨立、調(diào)制紅外通信、電力線載波通信以及通信協(xié)議等。
電能表可以對電價概念、計算方式、處理辦法進行仿真學(xué)習(xí),包括階梯式電價的極佳方式、費率電價單獨存在、階梯電價和費率電價同時存在等情況。
電能表可以對傳輸數(shù)據(jù)安全的處理辦法、遠程密文參數(shù)設(shè)置和費控功能的實現(xiàn)進行仿真學(xué)習(xí),包括獨立安全模塊、通信數(shù)據(jù)交換與處理過程,遠程密文參數(shù)的修改以及遠程密文方式拉合閘等。
電能表可以對各類誤差和誤差修調(diào)方式進行仿真,包括計量芯片學(xué)習(xí)和通信協(xié)議的定義,需要修調(diào)的測量包括電壓、電流、功率以及相位等[4]。
三相供電需要分壓,由大功率、高精度電阻進行分壓工作。三相電流經(jīng)由精密電流互感器(CT)完成電流轉(zhuǎn)換。高精度計量芯片對轉(zhuǎn)換后的信號加以運算,運算后的信息由MCU根據(jù)需求傳送到顯示或者通信等數(shù)據(jù)輸出模塊;重要的信息會存儲在安全性較高的非易失存儲器中,可長時間保存;高精度實時時鐘電路具有溫補功能,可為電能表提供可靠的時間基準(zhǔn);高性能、大容量的鋰電池可以保證時鐘電路即使是在電能表掉電后仍可以長期準(zhǔn)確運行;電能表可以輸出四路脈沖信號,用于對電能表進行精度校驗;高效率的現(xiàn)場電源電路、大容量的鋰電池以及AC/DC自適應(yīng)輔助電源電路組成了電能表的電源系統(tǒng),可以保證電能表在有電時正常可靠地工作,停電后可以繼續(xù)進行抄表。
主計算及控制模塊由主電路及外圍電路和實時時鐘電路構(gòu)成。
主電路的功能及性能指標(biāo)為:引腳100,64k SRAM,512k Flash,LQFP封裝內(nèi)核;4個通用定時器,包括2個高級定時器和2個基本定時器;通信方式為2個I2C,2個SPI,1個CAN通 信,1個USB,5個USART,1個SDIO;GPIO三路,共16通道;DAC兩路,共兩個通道;CPU為72 MHz;操作電壓為2.0~3.6 V;最大耗散功率為440 mW。
實時時鐘電路為帶溫度補償?shù)臅r鐘芯片,其功能及技術(shù)指標(biāo)為:內(nèi)置高穩(wěn)定度的數(shù)字溫度補償振蕩器;支持總線高速模式;定時報警功能;固定周期定時中斷;時間更新中斷功能;33 000 kHz頻率輸出;閏年自動實踐調(diào)整功能(從2000年到2099年);寬范圍接口電壓2.2~5.5 V;寬范圍時鐘保持電壓1.8~5.5 V;低電流功耗0.8 μA/3 V。
主計算及控制模塊使用接插件安裝在模擬仿真表的儀表主板上,主要實現(xiàn)對電能進行計算及數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)顯示、用電控制以及對外通信等功能,是仿真電能表的中樞機構(gòu)。
模擬量采集及計量模塊由電流信號轉(zhuǎn)換電路、電壓信號轉(zhuǎn)換電路、計量芯片、電能計量芯片和主通信電路組成。
電壓和電流信號轉(zhuǎn)換電路將高壓及大電流信號轉(zhuǎn)換成采樣信號(毫伏級信號)輸入計算芯片。其中,電壓信號轉(zhuǎn)換電路采用分壓電阻把220 V的電壓降到100 mV左右,分壓電阻采用高精密電阻,確保測量能長期安全穩(wěn)定可靠;電流轉(zhuǎn)換電路采用CT,CT測量精度達到1‰,初級和次級的隔離電壓不小于4 000 V。
電能計量芯片可以完成電壓和電流信號的采集及電能計算功能,其采用三相多功能芯片,性能指標(biāo)為:可對全波無功電能和基波無功電能進行測量,在5 000:1的動態(tài)范圍內(nèi),非線性誤差不大于1‰,滿足0.2S和0.5S兩級電能表精度要求;全波視在電能和基波視在電能;有功功率和無功功率方向,可支持無功四象限判斷;具有潛在啟動能力,啟動閾值可調(diào)節(jié);提供有功、無功、視在的快速脈沖計數(shù);全波、基波,有功、無功和視在脈沖輸出;全波和基波有功、無功、視在功率;提供全波、基波和諧波三相電壓電流有效值;提供全波、基波功率因數(shù);提供電壓線頻率,測量誤差不大于0.2‰;提供各相電壓電流相角,測量誤差不大于0.02°;提供過零檢測,過零閾值可以調(diào)節(jié)設(shè)置;提供電壓相序出錯檢測;提供失壓預(yù)警,失壓閾值可以調(diào)節(jié)設(shè)置;靈活的電壓、電流波形緩存數(shù)據(jù);可進行電壓暫降檢測,過壓、過流檢測;具備防竊電功能,零線電流可以測量。結(jié)合電壓采樣電路及電流采樣電路的參數(shù)設(shè)計,本款產(chǎn)品的電能測量精度為0.5S級。
計量芯片獲取的數(shù)據(jù)可以通過通信接口與主通信電路進行數(shù)據(jù)傳遞,由于通信速率較高,通信線路上設(shè)計了濾波電路用以濾除通信線路上出現(xiàn)的毛刺干擾。
開放式智能仿真電能表的電源電路方案與實際電能表一樣,整表電源兩路獨立輸出,主電源輸出為300 MA/12 V,通信電源為20 MA/5 V,兩路電源之間的隔離耐壓不小于4 000 V。
電源模塊由整流電路、電源變壓器、穩(wěn)壓電路、濾波電容及后備電池等組成。由于電能表具備實時鐘電路和停電喚醒功能,因此須準(zhǔn)備后備電池,一塊用于實時鐘電路,一塊用于停電喚醒使用,停電后后備電池?zé)o縫切換為電能表供電,市電與電池之間可使用二極管進行隔離。
存儲電路模塊電路如圖2所示。
圖2 存儲電路模塊電路圖
智能電能表需要存儲的數(shù)據(jù)包括計量標(biāo)定數(shù)據(jù)、結(jié)算數(shù)據(jù)、實時電能量數(shù)據(jù)、電能需量、需量數(shù)據(jù)等。電能表的存儲器采用了FLASH存儲器、EEPROM存儲器及鐵電存儲器三種。EEPROM存儲器用來存儲電能表電能結(jié)算數(shù)據(jù)和標(biāo)定數(shù)據(jù),鐵電存儲器則用來存儲實時電能數(shù)據(jù),F(xiàn)LASH存儲器用來存儲負(fù)荷曲線數(shù)據(jù)。
LCD液晶屏作為三相智能電能表采用的顯示器,總段位為276段,顯示器可采用寬溫液晶屏,工作壽命較長,功耗較低,對工作環(huán)境要求不苛刻。
液晶驅(qū)動芯片的主要功能和技術(shù)指標(biāo)為:最多支持280段液晶顯示器,震蕩電路內(nèi)部集成,支持總線通信,低功耗,標(biāo)準(zhǔn)功耗為10 μA,擁有獨立的液晶驅(qū)動電源,電源電壓范圍和溫度工作范圍都較寬。
液晶屏的背光采用白光的背光板,背光板內(nèi)部集成了2個高亮白光的發(fā)光管,通過背光板的反射和折射可以均勻地給液晶提供背光源。背光板點亮?xí)r的驅(qū)動電流為3 MA左右。
三相智能電能表的通信接口有以下兩類:通信接口、紅外通信接口。
通信接口和主電路之間的數(shù)據(jù)接口采用光耦方式進行電氣隔離,通信接口的供電采用變壓器的一組單獨繞組實現(xiàn)電氣隔離,通信接口與主電路之間的隔離耐壓強度約為4 000 V;信號輸出端之間則串入一個熱敏電阻(常態(tài)阻值30~60 Ω,耐壓500 V以上),并聯(lián)一個600 W、電壓為10 V的雙向TVS管,以確保民電出現(xiàn)錯接入問題而不損壞電表。
紅外通信接口為非接觸式的通信接口,與紅外抄表設(shè)備間的通信距離不小于5 m,紅外通信的波特率是1 200 B/S,紅外調(diào)制的頻率為38 kHz,由定時器輸出口來完成輸出。
隨著社會用電需求和服務(wù)要求不斷提升,以及科技的不斷發(fā)展,電能表從具有單一計量功能的電計量儀器發(fā)展為當(dāng)前集多種功能于一體的多功能儀表。全開放式智能仿真電能表可實現(xiàn)的功能豐富,因此電力企業(yè)不斷對其進行仿真與試驗研究,為電能計量工作的順利進行服務(wù),為電能計量的管理水平提升服務(wù),從而更好地推進電網(wǎng)建設(shè),提升用電服務(wù)水平。