基于開關(guān)電源的低功耗單相智能電表設(shè)計(jì)與研究

楊麗華，丁 黎，汪旭祥，李 莉

（國網(wǎng)湖北省電力公司計(jì)量中心，湖北 武漢 430077）

0 引言

智能電能表作為國家電網(wǎng)的底層終端，國家電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)信息化、數(shù)字化、智能化建設(shè)的基礎(chǔ)。智能電表除了具備傳統(tǒng)電能表基本用電量的計(jì)量功能以外，為了適應(yīng)智能電網(wǎng)和新能源的使用，它還具有用電信息存儲、雙向多種費(fèi)率計(jì)量功能、用戶端控制功能、多種數(shù)據(jù)傳輸模式的雙向數(shù)據(jù)通信功能、防竊電功能等智能化的功能。在中國，隨著國家堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)建設(shè)的進(jìn)展，作為用戶端的智能電表在未來也將逐步被全面推廣和應(yīng)用。

傳統(tǒng)的智能單相表的電源電路主要采用變壓器加DC/DC的線性電源方案，即先將交流電經(jīng)過變壓器變壓，再經(jīng)過整流電路整流濾波得到未穩(wěn)定的直流電壓，要達(dá)到高精度的直流電壓，必須經(jīng)過電壓反饋調(diào)整輸出電壓，這種電源技術(shù)很成熟，可以達(dá)到很高的穩(wěn)定度，波紋也很小，而且沒有開關(guān)電源具有的干擾與噪音。但是它的缺點(diǎn)是需要龐大而笨重的變壓器，所需的濾波電容的體積和重量也相當(dāng)大，而且電壓反饋電路是工作在線性狀態(tài)，調(diào)整管上有一定的電壓降，在輸出較大工作電流時(shí)，致使調(diào)整管的功耗太大，轉(zhuǎn)換效率低，還要安裝很大的散熱片[1-2]，不符合電能表節(jié)能降耗的未來發(fā)展趨勢。

雖然目前已經(jīng)有將開關(guān)電源應(yīng)用到單相智能電表的案例，但是由于其采用的開關(guān)電源模塊自身的高頻信號會(huì)通過電源線傳到電網(wǎng)上，嚴(yán)重干擾單相智能電表進(jìn)行載波通信，這也是制約著開關(guān)電源不能廣泛應(yīng)用到單相智能電表的關(guān)鍵性問題[3]。針對這個(gè)問題，本文提出了基于開關(guān)電源的低功耗單項(xiàng)智能電表技術(shù)。該技術(shù)的開關(guān)電源模塊首先采用整流電路整流，然后高頻濾波抗干擾電路濾除高頻雜波信號，接著開關(guān)電源電路進(jìn)行AC-DC變換，最后經(jīng)過整流濾波穩(wěn)壓電路提供穩(wěn)定直流源，能夠有效地濾除高頻干擾信號，解決了開關(guān)電源自身的高頻特性而造成的EMI問題，并避免其對載波通信可能產(chǎn)生的影響，且該設(shè)計(jì)已經(jīng)通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證投入批量生產(chǎn)。

1 單相智能電表總體設(shè)計(jì)

單相智能電表的系統(tǒng)原理框圖如圖1所示，主要包括工作電源模塊、計(jì)量模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊、通信模塊、液晶模塊、數(shù)據(jù)儲存模塊、ESAM安全認(rèn)證模塊、輸出模塊、功能按鍵模塊等模塊。

圖1 單相智能電表的系統(tǒng)原理框圖Fig.1 System principle block diagram of single phase intelligent electric meter

其中，主控芯片MCU采用瑞薩公司的R7F0C004M2DFB芯片，擁有RL78內(nèi)核，在同類產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)了以最低功耗實(shí)現(xiàn)高處理性能；計(jì)量模塊采用國產(chǎn)RN8209芯片，不僅能測量有功功率、無功功率、有功能量、無功能量，而且能提供2路獨(dú)立的有功功率和有效值、電壓電流有效值、線頻率、過零中斷等；數(shù)據(jù)存儲模塊采用AT24C512芯片為核心的數(shù)據(jù)存儲器，容量夠大，可靠性高，保存時(shí)間長，功耗低；ESAM嵌入式安全控制模塊通過身份認(rèn)證，數(shù)據(jù)加密/解密確保數(shù)據(jù)安全存儲，通信保密；顯示模塊采用上海復(fù)控華龍公司的HL9576LCD顯示驅(qū)動(dòng)芯片，功耗低，采用I2C接口，通過SDA腳和SCL腳與2B8的引腳相連，接收2B8發(fā)送的數(shù)據(jù)來驅(qū)動(dòng)液晶顯示屏顯示；通信方式主要采用RS485通信、紅外通信、載波和模塊通信方式，且在紅外通信總線接口上增加了避雷的措施，通過光耦和單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行隔離，雷擊時(shí)可以有效防止整個(gè)系統(tǒng)被破壞；時(shí)鐘電路采用DS1302為核心的芯片，為電表提供精確的時(shí)間基準(zhǔn)；功能按鍵模塊即按鍵顯示鍵，根據(jù)客戶需求通過串口靈活設(shè)置當(dāng)前的按鍵顯示項(xiàng)，方便客戶查詢當(dāng)前、以往的電表信息；輸出模塊包括拉閘指示燈（指示用戶負(fù)載的切斷與否）、報(bào)警指示燈（指示電表運(yùn)行中發(fā)生的異常）、電表運(yùn)行脈沖指示燈（指示用戶用電）[4]。

2 電源電路設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)單相智能電能表的高效率，低功耗性能，需要考慮的最關(guān)鍵部分是供電電源方案。目前國內(nèi)大多數(shù)單相智能電能表生產(chǎn)廠商一般還是采用線性電源技術(shù)方案，即其技術(shù)相對比較成熟，制作成本低，可以達(dá)到很高的穩(wěn)定度，波紋較小，自身的干擾和噪聲都比較小。但是其電壓工作范圍窄、功率密度小、效率低、功率因數(shù)低[2]。因此國內(nèi)的一些儀表廠家已經(jīng)開始嘗試著將開關(guān)電源逐步運(yùn)用到單相智能電能表中為單片機(jī)中央處理單元及外圍電路和功能模塊供電，尤其計(jì)量電路部分對電源電壓的精度要求比較高，而傳統(tǒng)的開關(guān)電源模塊輸出的電壓帶有高頻信號，會(huì)通過電源線將高頻信號傳導(dǎo)給交流電網(wǎng)，由于帶載波通信功能的電能表對電源的耐壓和抗干擾要求較高，在載波通信過程中會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重干擾，使得開關(guān)電源供電方案遲遲未能廣泛應(yīng)用在智能電表上，嚴(yán)重制約著開關(guān)電源在智能電表領(lǐng)域的應(yīng)用。

針對上述問題，本文提出的開關(guān)電源解決方案采用AC-DC方案，在電路中設(shè)置了負(fù)反饋電路（如圖2紅框中的電路）和高頻濾波抗干擾電路（見圖3），能夠有效濾除自身產(chǎn)生的高頻信號，大大降低開關(guān)電源電路功耗。如圖3所示的開關(guān)電源模塊的電路連接圖，在開關(guān)電源模塊接入單相智能電能表后，首先經(jīng)由整流電路整流，再經(jīng)過高頻濾波抗干擾電路濾除高頻雜波，后經(jīng)由開關(guān)電源電路進(jìn)行AC-DC變換，再進(jìn)行整流濾波穩(wěn)壓，得到穩(wěn)定可靠的直流電源，給電能表各個(gè)模塊供電[5]。其中，穩(wěn)壓二極管D3、二極管 D1、二極管D2的作用主要是將耦合變壓器T1的輸入電壓鉗制在一定范圍內(nèi)，以保護(hù)脈寬調(diào)制芯片U1能正常工作。脈寬調(diào)制電路的作用是根據(jù)電路電流的增減來調(diào)整輸入耦合變壓器T1的脈沖寬度，通過負(fù)反饋的方式調(diào)整輸出電流的大小，保證負(fù)載電路工作穩(wěn)定。耦合變壓器T1次級輸出端接有整流濾波穩(wěn)壓電路，用以提供電能表各部分電路的工作電壓。

如圖2所示，在高頻濾波抗干擾電路中，交流電電壓信號經(jīng)高頻濾波抗干擾電路中整流橋D5整流后，接入復(fù)合熱敏電阻R6，再由電容C3濾波，得到電源電壓。當(dāng)輸入電壓為420 V時(shí)復(fù)合熱敏電阻R6中的壓敏電阻將電壓鉗制在保護(hù)電壓，其發(fā)熱產(chǎn)生的熱量傳給復(fù)合熱敏電阻R6中的熱敏電阻，熱敏電阻阻值增大，分壓也增大，使輸出電壓下降，保證電能表正常工作。也可以將復(fù)合熱敏電阻R6連接在壓敏電阻ZR1和電容C4之間，先保護(hù)再濾波。

因此，單相智能電能表的電源電路采用開關(guān)電源方案，通過AD-DC變換，即可得到滿足電路各模塊電路正常穩(wěn)定工作的直流電源。當(dāng)不進(jìn)行載波通信時(shí)，電源部分功耗很小；當(dāng)進(jìn)行載波通信時(shí)，通過開關(guān)電源電路的負(fù)反饋電路，可增大輸出電流，既滿足了載波通信的要求，又實(shí)現(xiàn)了低功耗。

圖2 高頻濾波抗干擾電路Fig.2 High frequency filter anti interference circuit

圖3 開關(guān)電源模塊的電路連接圖Fig.3 Circuit connection diagram of switching power supply module

3 實(shí)驗(yàn)論證

3.1 功耗測量實(shí)驗(yàn)

測量單相智能電表整機(jī)的靜態(tài)功耗時(shí)首先將單相智能電表的靜態(tài)短接點(diǎn)斷開，使用萬用表接入靜態(tài)短接點(diǎn)進(jìn)行測量。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試可知：傳統(tǒng)的開關(guān)電源模塊單相智能電表的功耗一般在1.0～1.5 W之間，國家電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)要求單相智能電表的功耗小于等于1.5 W，而本文提出的方案其整機(jī)的功耗僅為0.45 W，僅為國家電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的30%，大大降低了整機(jī)的功耗。

3.2 高頻抗干擾實(shí)驗(yàn)

通常電力線進(jìn)行載波通信的頻率在150～450 kHz之間，可以通過無線干擾抑制測試系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，觀察在該頻率區(qū)間傳統(tǒng)未加高頻抗干擾電路與增加本文所提出的高頻抗干擾電路輸出的電源電壓波形，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4～圖7所示。

圖4 傳統(tǒng)的未加高頻抗干擾電路處理零線波形Fig.4 The traditional zero line waveform without high frequency anti-interference circuit

圖5 加入高頻抗干擾電路處理后零線波形Fig.5 The zero line waveform with high frequency anti interference circuit

圖6 傳統(tǒng)的未加高頻抗干擾電路處理火線波形Fig.6 The traditional fire line wave without high frequency anti-interference circuit

圖7 加入高頻抗干擾電路處理后火線波形Fig.7 The fire line wave with high frequency anti-interference circuit

由圖4和圖6可知∶傳統(tǒng)的未加高頻抗干擾電路的電源電壓的零線和火線在150～450 kHz之間的波形幅度很大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過國家標(biāo)準(zhǔn)信息設(shè)備的無線干擾平均閾值，而開關(guān)電源會(huì)通過電力線將高頻信號反饋到交流電網(wǎng)中，載波通信又通過電力線進(jìn)行通信的，且反饋的高頻信號具有很大的能量，會(huì)嚴(yán)重干擾載波通信的效果。由圖5和圖7可知：加高頻抗干擾電路的電源電壓的零線和火線在150～450 kHz之間的波形比較平穩(wěn)，波形幅度降為國家標(biāo)準(zhǔn)信息設(shè)備的無線干擾平均閾值以下，可以有效濾除開關(guān)電源自身的高頻信號，大大降低了對載波通信的干擾。

4 結(jié)語

本文提出的基于開關(guān)電源的低功耗單相智能電表方案，成功解決了開關(guān)電源自身的高頻特性而造成的EMI問題對載波通信的干擾，將電源部分的體積縮小為普通電能表的一半，功耗為0.45 W，降低為普通電能表的30%，大大降低了整機(jī)功耗，達(dá)到了節(jié)能環(huán)保的要求，符合電能表節(jié)能降耗的發(fā)展趨勢。與此同時(shí)，基于開關(guān)電源的低功耗單相智能電表還具有抗浪涌能力強(qiáng)，工作電壓范圍寬，可靠性高，對外的傳導(dǎo)和輻射干擾小等優(yōu)點(diǎn)。

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