基于开关电源的低功耗单相智能电表设计与研究

杨丽华，丁 黎，汪旭祥，李 莉

（国网湖北省电力公司计量中心，湖北 武汉 430077）

0 引言

智能电能表作为国家电网的底层终端，国家电网实现信息化、数字化、智能化建设的基础。智能电表除了具备传统电能表基本用电量的计量功能以外，为了适应智能电网和新能源的使用，它还具有用电信息存储、双向多种费率计量功能、用户端控制功能、多种数据传输模式的双向数据通信功能、防窃电功能等智能化的功能。在中国，随着国家坚强智能电网建设的进展，作为用户端的智能电表在未来也将逐步被全面推广和应用。

传统的智能单相表的电源电路主要采用变压器加DC/DC的线性电源方案，即先将交流电经过变压器变压，再经过整流电路整流滤波得到未稳定的直流电压，要达到高精度的直流电压，必须经过电压反馈调整输出电压，这种电源技术很成熟，可以达到很高的稳定度，波纹也很小，而且没有开关电源具有的干扰与噪音。但是它的缺点是需要庞大而笨重的变压器，所需的滤波电容的体积和重量也相当大，而且电压反馈电路是工作在线性状态，调整管上有一定的电压降，在输出较大工作电流时，致使调整管的功耗太大，转换效率低，还要安装很大的散热片[1-2]，不符合电能表节能降耗的未来发展趋势。

虽然目前已经有将开关电源应用到单相智能电表的案例，但是由于其采用的开关电源模块自身的高频信号会通过电源线传到电网上，严重干扰单相智能电表进行载波通信，这也是制约着开关电源不能广泛应用到单相智能电表的关键性问题[3]。针对这个问题，本文提出了基于开关电源的低功耗单项智能电表技术。该技术的开关电源模块首先采用整流电路整流，然后高频滤波抗干扰电路滤除高频杂波信号，接着开关电源电路进行AC-DC变换，最后经过整流滤波稳压电路提供稳定直流源，能够有效地滤除高频干扰信号，解决了开关电源自身的高频特性而造成的EMI问题，并避免其对载波通信可能产生的影响，且该设计已经通过实验验证投入批量生产。

1 单相智能电表总体设计

单相智能电表的系统原理框图如图1所示，主要包括工作电源模块、计量模块、实时时钟模块、通信模块、液晶模块、数据储存模块、ESAM安全认证模块、输出模块、功能按键模块等模块。

图1 单相智能电表的系统原理框图Fig.1 System principle block diagram of single phase intelligent electric meter

其中，主控芯片MCU采用瑞萨公司的R7F0C004M2DFB芯片，拥有RL78内核，在同类产品中实现了以最低功耗实现高处理性能；计量模块采用国产RN8209芯片，不仅能测量有功功率、无功功率、有功能量、无功能量，而且能提供2路独立的有功功率和有效值、电压电流有效值、线频率、过零中断等；数据存储模块采用AT24C512芯片为核心的数据存储器，容量够大，可靠性高，保存时间长，功耗低；ESAM嵌入式安全控制模块通过身份认证，数据加密/解密确保数据安全存储，通信保密；显示模块采用上海复控华龙公司的HL9576LCD显示驱动芯片，功耗低，采用I2C接口，通过SDA脚和SCL脚与2B8的引脚相连，接收2B8发送的数据来驱动液晶显示屏显示；通信方式主要采用RS485通信、红外通信、载波和模块通信方式，且在红外通信总线接口上增加了避雷的措施，通过光耦和单片机系统进行隔离，雷击时可以有效防止整个系统被破坏；时钟电路采用DS1302为核心的芯片，为电表提供精确的时间基准；功能按键模块即按键显示键，根据客户需求通过串口灵活设置当前的按键显示项，方便客户查询当前、以往的电表信息；输出模块包括拉闸指示灯（指示用户负载的切断与否）、报警指示灯（指示电表运行中发生的异常）、电表运行脉冲指示灯（指示用户用电）[4]。

2 电源电路设计

实现单相智能电能表的高效率，低功耗性能，需要考虑的最关键部分是供电电源方案。目前国内大多数单相智能电能表生产厂商一般还是采用线性电源技术方案，即其技术相对比较成熟，制作成本低，可以达到很高的稳定度，波纹较小，自身的干扰和噪声都比较小。但是其电压工作范围窄、功率密度小、效率低、功率因数低[2]。因此国内的一些仪表厂家已经开始尝试着将开关电源逐步运用到单相智能电能表中为单片机中央处理单元及外围电路和功能模块供电，尤其计量电路部分对电源电压的精度要求比较高，而传统的开关电源模块输出的电压带有高频信号，会通过电源线将高频信号传导给交流电网，由于带载波通信功能的电能表对电源的耐压和抗干扰要求较高，在载波通信过程中会产生严重干扰，使得开关电源供电方案迟迟未能广泛应用在智能电表上，严重制约着开关电源在智能电表领域的应用。

针对上述问题，本文提出的开关电源解决方案采用AC-DC方案，在电路中设置了负反馈电路（如图2红框中的电路）和高频滤波抗干扰电路（见图3），能够有效滤除自身产生的高频信号，大大降低开关电源电路功耗。如图3所示的开关电源模块的电路连接图，在开关电源模块接入单相智能电能表后，首先经由整流电路整流，再经过高频滤波抗干扰电路滤除高频杂波，后经由开关电源电路进行AC-DC变换，再进行整流滤波稳压，得到稳定可靠的直流电源，给电能表各个模块供电[5]。其中，稳压二极管D3、二极管 D1、二极管D2的作用主要是将耦合变压器T1的输入电压钳制在一定范围内，以保护脉宽调制芯片U1能正常工作。脉宽调制电路的作用是根据电路电流的增减来调整输入耦合变压器T1的脉冲宽度，通过负反馈的方式调整输出电流的大小，保证负载电路工作稳定。耦合变压器T1次级输出端接有整流滤波稳压电路，用以提供电能表各部分电路的工作电压。

如图2所示，在高频滤波抗干扰电路中，交流电电压信号经高频滤波抗干扰电路中整流桥D5整流后，接入复合热敏电阻R6，再由电容C3滤波，得到电源电压。当输入电压为420 V时复合热敏电阻R6中的压敏电阻将电压钳制在保护电压，其发热产生的热量传给复合热敏电阻R6中的热敏电阻，热敏电阻阻值增大，分压也增大，使输出电压下降，保证电能表正常工作。也可以将复合热敏电阻R6连接在压敏电阻ZR1和电容C4之间，先保护再滤波。

因此，单相智能电能表的电源电路采用开关电源方案，通过AD-DC变换，即可得到满足电路各模块电路正常稳定工作的直流电源。当不进行载波通信时，电源部分功耗很小；当进行载波通信时，通过开关电源电路的负反馈电路，可增大输出电流，既满足了载波通信的要求，又实现了低功耗。

图2 高频滤波抗干扰电路Fig.2 High frequency filter anti interference circuit

图3 开关电源模块的电路连接图Fig.3 Circuit connection diagram of switching power supply module

3 实验论证

3.1 功耗测量实验

测量单相智能电表整机的静态功耗时首先将单相智能电表的静态短接点断开，使用万用表接入静态短接点进行测量。经实验测试可知：传统的开关电源模块单相智能电表的功耗一般在1.0～1.5 W之间，国家电网标准要求单相智能电表的功耗小于等于1.5 W，而本文提出的方案其整机的功耗仅为0.45 W，仅为国家电网标准的30%，大大降低了整机的功耗。

3.2 高频抗干扰实验

通常电力线进行载波通信的频率在150～450 kHz之间，可以通过无线干扰抑制测试系统进行实验，观察在该频率区间传统未加高频抗干扰电路与增加本文所提出的高频抗干扰电路输出的电源电压波形，实验结果如图4～图7所示。

图4 传统的未加高频抗干扰电路处理零线波形Fig.4 The traditional zero line waveform without high frequency anti-interference circuit

图5 加入高频抗干扰电路处理后零线波形Fig.5 The zero line waveform with high frequency anti interference circuit

图6 传统的未加高频抗干扰电路处理火线波形Fig.6 The traditional fire line wave without high frequency anti-interference circuit

图7 加入高频抗干扰电路处理后火线波形Fig.7 The fire line wave with high frequency anti-interference circuit

由图4和图6可知∶传统的未加高频抗干扰电路的电源电压的零线和火线在150～450 kHz之间的波形幅度很大，远远超过国家标准信息设备的无线干扰平均阈值，而开关电源会通过电力线将高频信号反馈到交流电网中，载波通信又通过电力线进行通信的，且反馈的高频信号具有很大的能量，会严重干扰载波通信的效果。由图5和图7可知：加高频抗干扰电路的电源电压的零线和火线在150～450 kHz之间的波形比较平稳，波形幅度降为国家标准信息设备的无线干扰平均阈值以下，可以有效滤除开关电源自身的高频信号，大大降低了对载波通信的干扰。

4 结语

本文提出的基于开关电源的低功耗单相智能电表方案，成功解决了开关电源自身的高频特性而造成的EMI问题对载波通信的干扰，将电源部分的体积缩小为普通电能表的一半，功耗为0.45 W，降低为普通电能表的30%，大大降低了整机功耗，达到了节能环保的要求，符合电能表节能降耗的发展趋势。与此同时，基于开关电源的低功耗单相智能电表还具有抗浪涌能力强，工作电压范围宽，可靠性高，对外的传导和辐射干扰小等优点。

[参考文献]（References）

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[3]李中泽.基于开关电源的单相低功耗费控智能电能表：中国,102183683A[P],2011-09-14.Li Zhongze.Single phase low power consumption cost control intelligent electric energy meter based on switch power：China,102183683A[P],2011-09-14.

[4]Q/GDW 1364-2013单相智能电能表技术规范[S].北京：中国电力出版社，2013.Q/GDW 1364-2013 Technical specification for sin⁃gle phase intelligent electric energy meter[S].Bei⁃jing：China Electric Power Press,2013.

[5]张兰芸.TTEP Buck DC-DC变换器研究与应用[D].广州：中山大学，2006.Zhang Yanyun.Research and Application for TTEP Buck DC-DC Converter[D].Guangzhou：Sun Yat-sen University，2006.