电能表可靠性技术研究

李俊明 鞠縢莹子

（1.哈尔滨电工仪表研究所〈中国电工仪器仪表质量监督检验中心〉，黑龙江哈尔滨150028；2.黑龙江省创业培训服务指导中心培训信息管理处，黑龙江哈尔滨150036）

0 引言

多功能电能表可靠性技术，主要是可以准确提供多功能电能表检测电力线路的电流、电压信号，计算电流、电压、有功功率、无功功率，从而得到多功能电能表有功电能、无功电能，并保存在存储器中，给多功能电能表用户计量结算、状态检测提供依据。

多功能电能表可靠性技术的计算结果分为两大类：一是，暂时的、无需掉电保持的数据保，如电流、电压、功率等参数，可保存在随机存取存储器RAM 中。 二是，需要长期保存的、掉电保持的数据，主要是多功能电能表的电能数据，必须存储到非易失性存储器中—通常采用FLASH 闪存。 为保证多功能电能表在检测、采样、存取过程中信号完整性及数据可靠性，尤其是多功能电能表数据存取可靠性技术，需要从硬件和软件两个方面都采取措施，相互配合共同实现。 本文基于多功能电能表专用电能计量芯片ATT7022b，采用单片机PIC16F77 以及存储器AT45D041，研制了三相多功能电能表，现就将相关多功能电能表数据可靠技术进行探讨。

1 多功能电能表硬件设计技术

多功能电能表硬件方面的可靠性技术主要包括电源监测管理以及输入信号的滤波调理的相关技术。

1.1 多功能电能表电源管理监测

多功能电能表应用的单片机、ATT7022b、存储器等器件都只能在可靠的、有效的电源下才能工作。多功能电能表的要求标准高，电源方案包括变压、整流、滤波、稳压等电路。 在三相电能表中， 只要有一相电源供电，多功能电能表就必须工作，故使用三个单相变压器分别对三相电源输入进行隔离变压，再经过三个单相桥整流后并联输入电源管理与监测电路，此时可以得到多功能电能表稳定的直流电压Vz。VCC和AVCC分别是多功能电能表数字电路电源与模拟电路电源，RST 是CPU 的复位信号，PF 是线路拉闸、电源掉电监测信号。 为避免模拟测量电路受数字电路脉冲信号的干扰， 模拟电源与数字电源要分别走线，R16、C18、C17 组成的RC 滤波器， 滤除VCC中含有的数字电路产生的高频脉冲干扰， 使多功能电能表不能通过AVCC进入模拟信号电路中。

多功能电能表的Vz与VCC的变化在上电时会受滤波电容C15的制约，VCC滞后于稳压电源Vz并按指数曲线上升。 多功能电能表掉电时Vz会按指数规律下降， 但由于二极管D1阻断了电容C15的放电回路，因此VCC会大大滞后于Vz的变化。 如果多功能电能表掉电时刻是不确定的，可能发生在多功能电能表CPU 正在执行写存储器操作，因此要求掉电时，VCC滞后于Vz下降， 以提供足够的时间保证多功能电能表CPU 可靠的写入数据。

为保证多功能电能表CPU 工作的可靠， 必须提供多功能电能表正确的复位信号RST。 当VCC低于复位阈值V2时，复位信号RST 有效而为低电平，使多功能电能表的CPU 以及各主要芯片处于复位状态，在多功能电能表电源不能确认有效的情况下，保证不会进行存取操作而导致数据不可靠性。 在多功能电能表运行时间为t1～t3。 在实际调试中发现复位信号的边沿必须陡峭并且不能抖动， 否则多功能电能表CPU、存储器处于复位和未复位的不确定状态，容易出现导致死机的现象。 因此采用电压比较器U18产生复位信号RST。

掉电监测信号PF 通过监测Vz 的数值来了解电力线路的供电状态，电压比较器U19的阈值设定为V3，当Vz＞V3时PF 高电平“1”，认为线路处于稳定供电状态，否则处于掉电或不稳定状态。在仪表上电时，要等到Vz＞V3，即进入t2时段后，才进行数据存取，在t1时段只运行等待程序，而不能对存储器、通信接口进行操作。 在掉电的t3时段，结束正在执行工作以后，立即转入等待程序。 即使在最大负载情况下，t3时间长度必须大于对存储器访问操作的最长时间。

1.2 多功能电能表输入信号滤波

多功能表通过采样保持、模数转换电路把连续的电流、电压信号转化为离散的数字信号再进行分析处理。 由于多功能电能表受到采样器采样时间、软件运行时间的限制，采样的频率fs 会小于一个极限值，根据奈奎斯特定理，多功能电能表若输入模拟量信号频率为f1＞fs/2，则采样后的信号频谱会产生混叠现象，在信号重构时，当作频率为(fs- f1)的信号处理，而引起混叠失真。 为解决这个问题，需要滤除频率高于fs/2 的高频信号，在采样电路之前设置抗混叠低通滤波器。

在多功能电能表采用R=1.2kΩ，C=0.01μF 组成单极点无源滤波器，放在ATT7022b 的两个差分输入端，就可以用来滤除高频信号，减少混叠误差，对于基波频率等于50Hz 的电力线路而言，可以准确测量到一定数量的次谐波信号，达到设计标准的要求。

2 多功能电能表数据存储技术操作

多功能电能表大部分时间是在稳定状态下工作，但也可能出现恶劣的电磁环境， 这时候多功能电能表存储器的读写操作就会受到干扰， 也可能导致数据出错。 为了提高数据存取可靠性， 就一定要注意多功能电能表的现象。第一，不在某一时间段出现，如t1和t3时间内不进行读写操作。第二，在写操作之前，先读出数据与要写入的数据进行比较，若两者相同则跳过写入操作，减少擦写操作，可提高寿命。第三，数据写入后，再读出校验，确保写入正确。第四，写入过程中，尽量避免开放中断。第五，只在写入操作时打开写操作使能，而在写操作结束后立即关闭写使能，防止干扰造成的误写动作。

为保证多功能电能表数据的存储功能， 应采用如下的写操作算法：第一，置计数器CNT1 初值为2，清“出错标志”；第二，计算主存储区地址；第三，置计数器CNT2 初值为3；第四，把目标单元的内容读出与要写入的数据比较， 相同则转下一步， 否则继续到第⑤步； 第五，如CNT2=0 则置位“出错标志”，转如下一步，否则打开存储器写的性能； 第六， 把数据写入到目的单元， 回到前一步； 第七，CNT1-1 和CNT1，如CNT1=0 则跳到下一步，否则转前一步；第八，计算副存储区地址；第九，关闭写的性能，返回开始状态。

3 结语

文中从分析多功能电能表中与数据可靠性相关的技术性问题进行了探讨，提出了低成本的电源管理监测的硬件电路，分析了制约多功能电能表存储器寿命的主要因素，给出了多功能电能表进行合理的数据存储结构， 以及数据写入操作的算法。 利用这种方法开发的DTSD1102 系列多功能电能表，在实际运行过程中经过实践的检验效果良好。

［1］卿柏元,周毅波,李刚.基于元器件应力法的电子式电能表可靠性预测技术[J].广西电力,2011-10-28.

［2］陆寒熹.国内电能表的技术发展趋势[J].电力设备,2007-08-15.