一种具有负荷平衡功能的智能电表设计

冯兴田， 仉志华

(中国石油大学(华东) 信息与控制工程学院，山东 青岛 266580)

0 引 言

低压配电网中，每相配电线路的用户负荷并不一致，每个用户负荷的变化也有差异，用电时间又具有季节性和时间性的特点，以及各用户负荷不同的功率因数等各种原因，导致了三相负荷不平衡的产生，造成线路损耗大，甚至变压器和线路烧毁等事故，已经成为当前配电网亟待解决的难题[1-6]。现在使用的智能电表大多具用智能计量、显示、传输等一系列功能，但对于负荷平衡的控制无能为力。本文将固态开关切换技术用到智能电表中，既可以实现负荷平衡，又可以保证选相过程中对用户无影响；并且造价较低，适合大范围应用，对供电企业和用户都具有重要的经济意义和现实意义[7-11]。

1 智能电表设计

具有负荷平衡功能的智能电表系统采用了主从机结构，结构图如图1所示，主要包括单片机主从机控制系统、电能计量单元、固态开关切换单元，具有测量、显示、存储、通信、调节等一系列的功能。下位从机通过STC90C51RC接收到上级控制的换相命令，经由驱动单元对固态开关单元发出控制命令，实现在持续供电条件下的换相操作；并与电能计量芯片RN8209进行通信，获取电能、电压、频率、电流等信息，用于记录和分析用户的负荷和电能质量。上位主机采用STC12C5A60S2，通过MAX485通信控制从机，并汇集各从机的相关信息，传到计算机进行处理[12-15]。

图1 具有负荷平衡功能的智能电表系统结构图

1.1 控制系统

控制系统电路如图2所示。主机芯片STC12C5A60S2具有双串口，一个用于与多个从机进行通信，集中采集系统内从机的信息；另一个用于与计算机进行通信，将汇集来的信息传到计算机，作进一步的分析计算。从机芯片要求运算速度快、抗干扰性能强，此处选择STC90C51RC，其指令代码兼容传统8051系列单片机，编程简单。DS1302是一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，采用三线接口的SPI通信方式与单片机进行通信，可以实现分时电价的功能，促进电能的合理利用。Mini12864为 LCD显示屏，采用三线SPI串行接口、一条命令/数据控制线、复位信号线，接口简单方便，焊接设计便于进行模块化连接。存储系统采用EEPROM类型的AT24C02，使用了串口通信方式，通过I2C总线接口进行数据传输和操作，用于存储用户的各类用电信息，便于供电公司的分析。通信系统选择RS-485通信方式，通信芯片选择MAX485。

图2 控制系统电路

1.2 电能计量单元

电能计量单元的电能计量芯片非常关键，要求具有过零检测功能，用于固态开关切换系统换相时进行过零检测，这里选择了RN8209，图3所示为以RN8209为核心构成的电能计量电路。RN8209 能够测量有功功率、无功功率、有功能量、无功能量，并能同时提供两路独立的有功功率和有效值、电压有效值、过零中断等，可以实现灵活的防窃电方案。RN8209需要采样电压、电流，而且需要把主电路中的大电流、大电压转化成为RN8209可以接受的幅值。电压采样通过高精度电阻分压得到低电压信号，电流采样通过电流互感器得到小电流信号，都经过差分运算放大器AD620构成的差分放大电路输出匹配的信号，送入RN8209。串行通信类型选择引脚IS由外部上拉接高电平，选择SPI作为通信接口，SPI 片选信号SCSN外接电阻接高电平，当变为低电平时，允许通信。

图3 RN8209为核心的电能计量电路

1.3 固态切换系统

固态切换系统主要由三组复合开关构成，分为A、B、C三相，每组复合开关由一个磁保持继电器、两个反并联晶闸管及限流电阻构成，如图4所示。TA1、TA2、TB1、TB2、TC1、TC2为晶闸管，作为不间断转换器件，选用TYN1250，稳态工作电流50A，反向重复峰值电压1.2 kV。KA、KB、KC为磁保持继电器，作为主导通器件，应选择电寿命大于1万次的优质产品。RA、RB、RC是限流电阻，用来保护晶闸管在负载短路或控制信号错误状态下免于过流损坏。KJ为切换控制继电器，可选择MY3N-J，有三组触点，它负责切换通路的控制，并对晶闸管有保护作用。CtA1、CtA2、CtB1、CtB2、CtC1、CtC2为电流互感器，用以各支路电流的状态判断和采样。晶闸管的触发电路以快速光耦为核心搭建。

图4 固态切换系统电路

1.4 换相策略实现步骤

切换过程需要按照相序来完成，以由A相切换到B相为例，操作步骤如下：

①闭合KJ继电器，准备切换。

②同时触发A相的两个晶闸管TA1、TA2，然后发出分断A相磁保持继电器KA的信号。

③一旦检测到A相晶闸管支路有电流(CtA1检测)时，延时20 ms，确保磁保持继电器KA可靠断开。

④检测计量芯片的零点(用户L的电压零点)，检到后停止触发A相晶闸管，判断电压方向并延时等待A相触发可靠停止。此刻触发B相晶闸管TB1、TB2，当由于相位造成的电压差使A相晶闸管受反向电压而强迫关断时，电源会自然过渡到B相。

⑤一旦检测到B相晶闸管支路电流(CtB1检测)，继续给B相晶闸管持续触发，维持电流通路，同时发出闭合B相磁保持继电器KB的信号。当检测到B相磁保持继电器通路有电流(CtB2检测)时，停止触发B相晶闸管。

⑥停止KJ的供电，过程结束。

由于相序原因只可以进行A—B，B—C，C—A的转换，转换A—C需要先转换A—B，再转换B—C来完成，但是并不需要B相继电器的动作。

2 负荷平衡策略实验

采用上述方案设计的电表进行实验，得到某时刻一组电表的电流数据，如表1所示。将各表电流值累加后除以3，可得理想的平衡值41 A，因而能够实现负荷平衡的目标电流是41 A，41 A，41 A。将各相的电流值相加，得到A、B、C三相对应的电流值分别为54 A、29 A、40 A，与平衡目标电流41A相比较，可以得到实验结果为：从A相需要移走13 A的负荷，B相需要引入12 A的负荷，C相需要引入1 A的负荷。实际的各相电表分配为：将A相1 A的电表1调整到C相，则C相电流为41 A；将A相10 A的电表5调整到B相，再将A相2A的电表8调整到B相，则A、B相电流也都为41 A，最终的调配结果三相均为41 A，满足了负荷平衡的要求。

表1 某单元组的各相电表电流数据

3 结 语

具有负荷平衡功能的智能电表融合了单片机嵌入式技术、电力电子技术以及通信技术等。通过主电路、控制电路的硬件设计和单片机的软件编程，设计实现了具有负荷平衡功能的智能电表，并通过实验完成了负荷平衡功能的测试，达到了预期效果。通过一系列的设计和调试过程，可以充分锻炼学生的电路设计能力和软件开发能力，同时强化学生对于单片机和电力电子技术理论知识的学习。

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