智能電網電能計量模塊設計

劉 政，郭利進

(天津工業大學 電氣工程與自動化學院，天津300387)

1 電能計量核心技術研究

1.1 電能計量原理

電能計量是對電能有功功率的計量，是電壓和電流乘積的結果[1]。計量芯片中將采樣電壓、采樣電流經A/D轉換器轉化為數字信號后做乘法運算，然后將運算結果通過濾波器濾波得到有功功率瞬時值，再經過數字頻率轉化器輸出脈沖信號，供主控芯片計量。電能計量是智能電能表的核心，而電能計量的核心是乘法器。乘法器的類型有數字和模擬兩種，方案中選用的AD7755內部的乘法器是數字乘法器，這樣可以增加系統抗干擾能力。電能測量原理的通道結構框圖及輸出數字頻率轉化如圖1所示。

電壓和電流通道是由16位的二階∑-△模/數轉換器進行模數轉化的通道，其速率高達900 kHz。電流通道帶有PGA接口，簡化了電流通道傳感器的接口;并帶有高頻濾波器，可有效濾除直流信號的干擾，進一步減少了有功功率輸出上的誤差[2]。而電壓通道相對簡單，經ADC后可直接與處理信號后的電流信號相乘，結果再經低通濾波器進入數字頻率轉化輸出。

圖1 AD7755內部結構圖及信號流向

通道中的電壓信號和電流信號經計量芯片內部乘法器作乘積運算之后得到的是瞬時功率信號的值，而電能計量需要的是有功功率，因此就必須對瞬時功率進行轉化得到有功功率的直流分量，電路中對瞬時功率信號進行低通濾波來獲取有功功率平均值，獲取信號前后變化如圖2所示。獲取有功功率分量的設計方案對于不同功率因素的非正弦電壓/電流波形同樣適用，信號處理都是數字電路，具有很好的穩定性[3]。

圖2 瞬時功率與瞬時有功功率

1.2 電流通道和電壓通道

電流通道采用電壓完全差動輸入，通道中的PGA使得接口范圍擴大，其最大差動峰值可達470 mV。PGA的增益匹配如表1所示。

表1 通道1的增益選擇

圖3給出了電流通道的外接注意事項，要求最大差動電壓為470 mV，共模電壓峰值為100 mV，其 V1P接正輸入端，V1N接負輸入端。

圖3 通道1的最大信號電平(G=1)

同電流通道一樣，電壓通道的最大差動電壓峰值為660 mV，圖4示給出了其外接要求示意圖。

圖4 通道2的最大信號電平

加在電壓和電流通道上的差動電壓信號必須以一個共模端作為參考點，如圖4中的AGND。電壓通道中共模電壓為0 V時，測試效果達到最好。

1.3 功率因數的考慮

AD7755計量芯片對不同功率因素的非正弦信號同樣適用[4]。當功率因素為0.5時，瞬時功率中的有功功率分量為：

含有諧波分量時，采用傅里葉變換公式來表達各電壓、電流的諧波分量之和：

式中，V(t)為瞬時電壓，V0為電壓平均值，Vh為 h次電壓諧波有效值，αh為h次電壓諧波的相位角。

式中，i(t)為瞬時電流，I0為電流的直流分量，Ih為 h次電流諧波有效值，βh為h次電流諧波的相位角。

瞬時有功功率計算：

有功電能計算：

h次諧波視在功率：

h次諧波無功功率：

電壓有效值計算：

電流有效值為：

有功功率為：

其中,φh=βh-αh。 功率因數為：

2 硬件設計

2.1 電壓電流采樣模塊

該系統中電壓采樣選用電阻分壓的接法，電流采樣選取錳銅片采樣方式[5]。

2.1.1電壓采樣

電壓通道采用電阻分壓方式獲得采樣電壓。選用5只200 kΩ，精度為1%的貼片電阻作為分壓電阻。電壓通道的最大輸入差分電壓為0.66 V。通過計算，取樣電阻為1 kΩ。這種電阻分壓網絡的優勢在于體積和重量都大大減小，方便設計和使用；分壓網絡的穩定性也大大提高，保證了該系統的測量精度。其結構圖如圖5所示。

2.1.2電流采樣

錳銅片在主回路中的應用如圖6所示。電流采樣電路中用500 μΩ錳銅片作為采樣器。當電流為20 A時，A、B兩點的電壓為 10 mV，電壓通過 R10、R11以差動電壓的形式加至ADE7755的V1P、V2P，差動電壓遠小于集成電路所能承受的最大差動輸入電壓。其電路連接如圖7所示。

圖5 電壓采樣結構圖

圖6 錳銅片在主回路中的應用圖

圖7 電流采樣連接圖

2.2 ADE7755外圍電路

計量芯片AD7755的外圍電路相對比較簡單,關鍵在于匹配電壓通道和電壓通道的參數。該計量芯片的電壓通道和電流通道都采用完全差動信號輸入，電流通道的正常工作最大信號電平為±470 mV,而電壓通道的正常工作最大信號電平為±660 mV,共模信號輸入都不高于100 mV。它們4個引腳相對于AGND的最大信號電平為±1 V，并且內部都含有 ESD保護電路，可承受±6 V的過電壓。其外部接線圖如圖8所示。圖中的INT2、INT3是錳銅分流器分出的電流信號，E4是光耦芯片，把計量電路與MCU進行隔離，防止信號干擾。

該芯片供電電壓為5 V±5%，綜合考慮到系統功能和抗干擾性能設計，設計中在模塊電源的市電電壓上并聯壓敏電阻和串聯熱敏電阻，再采用阻容分壓作為電源，然后通過穩壓電路輸出給計量芯片供電。

該計量芯片的電流通道中,電流采樣通常有錳銅分流和電流互感器外加電阻、電容兩種方式。為了方便,本設計中選用錳銅分流器取樣，可以實現相電流有效抗直流。而電壓通道的電壓采樣通常采用電阻分壓或者電壓互感器。但是電壓互感器規模較大且成本較高，本設計中考慮到設計功耗、成本問題，采用電阻分壓的方法實現電壓采樣。AD7755計量芯片的外部時鐘晶振為3.579 545 MHz。

3 實驗情況及結論

為驗證該系統的性能，對該系統進行了測試，用臺式電腦作為測量對象。該實驗設備由穩壓電源、電壓表、電流表和功率因素表等組成[6]。其結構圖如圖9所示。

圖9中，穩壓電源確保電源電壓為220 V，電流、電壓表及功率因數表則用來測量臺式電腦的實際功率,根據測量就可得出電風扇在某時間段內消耗的電能。通過對實驗結果和計算結果的比較，可得出該系統的精確度[7]。實驗結果如表2所示。

圖8 ADE7755外圍電路

圖9 系統測試結構圖

表2 電壓、電流、功率因素的數據表

從表2中可以看出誤差均小于1%。另考慮到電壓、電流表和功率表自身的功耗，其誤差在合理范圍之內，由此可以推斷該計量系統的精度是比較高的。

[1]莊磊,付真斌.智能電能表電磁兼容檢測技術研究[J].安全與電磁兼容,2013(4):41-43.

[2]馮波,陶鵬,王瑞欣,等.智能電能表可靠性及其評價方法分析[J].河北電力技術,2012,31(3):15-17.

[3]姚世鳳.基于電力載波的溫室監測系統設計[D].重慶：西南大學,2012.

[4]ADE7755芯片中文資料[EB/0L].(2008-03-25)[2014-02-27].http://www.elecfans.com.

[5]陳向群.電能計量[M].北京：中國電力出版社,2010.

[6]張麗麗.多用戶復費率電表及其遠程抄表系統的設計[D].泰安:山東科技大學,2002.

[7]SACHDEVA A，CHAND S.EMC evaluation and analysis of electronic energy meter[C].Proceedings of the International Conference,1999:190-192.