一種具有負荷平衡功能的智能電表設計

馮興田， 仉志華

(中國石油大學(華東) 信息與控制工程學院，山東 青島 266580)

0 引 言

低壓配電網中，每相配電線路的用戶負荷并不一致，每個用戶負荷的變化也有差異，用電時間又具有季節性和時間性的特點，以及各用戶負荷不同的功率因數等各種原因，導致了三相負荷不平衡的產生，造成線路損耗大，甚至變壓器和線路燒毀等事故，已經成為當前配電網亟待解決的難題[1-6]。現在使用的智能電表大多具用智能計量、顯示、傳輸等一系列功能，但對于負荷平衡的控制無能為力。本文將固態開關切換技術用到智能電表中，既可以實現負荷平衡，又可以保證選相過程中對用戶無影響；并且造價較低，適合大范圍應用，對供電企業和用戶都具有重要的經濟意義和現實意義[7-11]。

1 智能電表設計

具有負荷平衡功能的智能電表系統采用了主從機結構，結構圖如圖1所示，主要包括單片機主從機控制系統、電能計量單元、固態開關切換單元，具有測量、顯示、存儲、通信、調節等一系列的功能。下位從機通過STC90C51RC接收到上級控制的換相命令，經由驅動單元對固態開關單元發出控制命令，實現在持續供電條件下的換相操作；并與電能計量芯片RN8209進行通信，獲取電能、電壓、頻率、電流等信息，用于記錄和分析用戶的負荷和電能質量。上位主機采用STC12C5A60S2，通過MAX485通信控制從機，并匯集各從機的相關信息，傳到計算機進行處理[12-15]。

圖1 具有負荷平衡功能的智能電表系統結構圖

1.1 控制系統

控制系統電路如圖2所示。主機芯片STC12C5A60S2具有雙串口，一個用于與多個從機進行通信，集中采集系統內從機的信息；另一個用于與計算機進行通信，將匯集來的信息傳到計算機，作進一步的分析計算。從機芯片要求運算速度快、抗干擾性能強，此處選擇STC90C51RC，其指令代碼兼容傳統8051系列單片機，編程簡單。DS1302是一種高性能、低功耗、帶RAM的實時時鐘電路，采用三線接口的SPI通信方式與單片機進行通信，可以實現分時電價的功能，促進電能的合理利用。Mini12864為 LCD顯示屏，采用三線SPI串行接口、一條命令/數據控制線、復位信號線，接口簡單方便，焊接設計便于進行模塊化連接。存儲系統采用EEPROM類型的AT24C02，使用了串口通信方式，通過I2C總線接口進行數據傳輸和操作，用于存儲用戶的各類用電信息，便于供電公司的分析。通信系統選擇RS-485通信方式，通信芯片選擇MAX485。

圖2 控制系統電路

1.2 電能計量單元

電能計量單元的電能計量芯片非常關鍵，要求具有過零檢測功能，用于固態開關切換系統換相時進行過零檢測，這里選擇了RN8209，圖3所示為以RN8209為核心構成的電能計量電路。RN8209 能夠測量有功功率、無功功率、有功能量、無功能量，并能同時提供兩路獨立的有功功率和有效值、電壓有效值、過零中斷等，可以實現靈活的防竊電方案。RN8209需要采樣電壓、電流，而且需要把主電路中的大電流、大電壓轉化成為RN8209可以接受的幅值。電壓采樣通過高精度電阻分壓得到低電壓信號，電流采樣通過電流互感器得到小電流信號，都經過差分運算放大器AD620構成的差分放大電路輸出匹配的信號，送入RN8209。串行通信類型選擇引腳IS由外部上拉接高電平，選擇SPI作為通信接口，SPI 片選信號SCSN外接電阻接高電平，當變為低電平時，允許通信。

圖3 RN8209為核心的電能計量電路

1.3 固態切換系統

固態切換系統主要由三組復合開關構成，分為A、B、C三相，每組復合開關由一個磁保持繼電器、兩個反并聯晶閘管及限流電阻構成，如圖4所示。TA1、TA2、TB1、TB2、TC1、TC2為晶閘管，作為不間斷轉換器件，選用TYN1250，穩態工作電流50A，反向重復峰值電壓1.2 kV。KA、KB、KC為磁保持繼電器，作為主導通器件，應選擇電壽命大于1萬次的優質產品。RA、RB、RC是限流電阻，用來保護晶閘管在負載短路或控制信號錯誤狀態下免于過流損壞。KJ為切換控制繼電器，可選擇MY3N-J，有三組觸點，它負責切換通路的控制，并對晶閘管有保護作用。CtA1、CtA2、CtB1、CtB2、CtC1、CtC2為電流互感器，用以各支路電流的狀態判斷和采樣。晶閘管的觸發電路以快速光耦為核心搭建。

圖4 固態切換系統電路

1.4 換相策略實現步驟

切換過程需要按照相序來完成，以由A相切換到B相為例，操作步驟如下：

①閉合KJ繼電器，準備切換。

②同時觸發A相的兩個晶閘管TA1、TA2，然后發出分斷A相磁保持繼電器KA的信號。

③一旦檢測到A相晶閘管支路有電流(CtA1檢測)時，延時20 ms，確保磁保持繼電器KA可靠斷開。

④檢測計量芯片的零點(用戶L的電壓零點)，檢到后停止觸發A相晶閘管，判斷電壓方向并延時等待A相觸發可靠停止。此刻觸發B相晶閘管TB1、TB2，當由于相位造成的電壓差使A相晶閘管受反向電壓而強迫關斷時，電源會自然過渡到B相。

⑤一旦檢測到B相晶閘管支路電流(CtB1檢測)，繼續給B相晶閘管持續觸發，維持電流通路，同時發出閉合B相磁保持繼電器KB的信號。當檢測到B相磁保持繼電器通路有電流(CtB2檢測)時，停止觸發B相晶閘管。

⑥停止KJ的供電，過程結束。

由于相序原因只可以進行A—B，B—C，C—A的轉換，轉換A—C需要先轉換A—B，再轉換B—C來完成，但是并不需要B相繼電器的動作。

2 負荷平衡策略實驗

采用上述方案設計的電表進行實驗，得到某時刻一組電表的電流數據，如表1所示。將各表電流值累加后除以3，可得理想的平衡值41 A，因而能夠實現負荷平衡的目標電流是41 A，41 A，41 A。將各相的電流值相加，得到A、B、C三相對應的電流值分別為54 A、29 A、40 A，與平衡目標電流41A相比較，可以得到實驗結果為：從A相需要移走13 A的負荷，B相需要引入12 A的負荷，C相需要引入1 A的負荷。實際的各相電表分配為：將A相1 A的電表1調整到C相，則C相電流為41 A；將A相10 A的電表5調整到B相，再將A相2A的電表8調整到B相，則A、B相電流也都為41 A，最終的調配結果三相均為41 A，滿足了負荷平衡的要求。

表1 某單元組的各相電表電流數據

3 結 語

具有負荷平衡功能的智能電表融合了單片機嵌入式技術、電力電子技術以及通信技術等。通過主電路、控制電路的硬件設計和單片機的軟件編程，設計實現了具有負荷平衡功能的智能電表，并通過實驗完成了負荷平衡功能的測試，達到了預期效果。通過一系列的設計和調試過程，可以充分鍛煉學生的電路設計能力和軟件開發能力，同時強化學生對于單片機和電力電子技術理論知識的學習。

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