全开放式智能仿真电能表模块电路设计

张理放，董永乐，张 祺，金 钊

（内蒙古电力科学研究院，内蒙古 呼和浩特 010020）

0 引 言

全开放式智能仿真电能表的功能指标要符合当前通信规约、技术规范和具体使用需求，可与当地采用的采集终端互通数据，可实现对电能计量的正向、反向数据，有功、无功数据，尖峰负数，平谷数据，本月数据，上月数据，电压、电流、功率等数据或者参数的查询与设置。采用模块化的设计思路，将智能仿真电能表分成不同的模块，方便对各个模块分别进行研究。

1 全开放式智能仿真电能表设计特点

全开放式智能仿真电能表设计采用模块化理念，将三相智能电表划分为以下几个模块，即电源模块、通信模块、主计算机控制模块、显示模块和计量模块，各个模块分别设计必要的外展电路，最后将各个模块统一装配。该电能表整体尺寸较小，方便电力施工进行存放、携带、搬运和安装。在设计时，选用绝缘、阻燃、耐火材质，保证使用的安全性。在接口上，具备电压和电流的输入接口。全开放式智能仿真电能表的使用较为灵活，在进行仿真实验或检测时，可以进行征集调试，也可以对单一模块进行仿真学习；可以与信号源配合，实现智能设备相关功能，也可以直接接入实际电网中，在下载开放式程序之后，作为电能计量仪使用。全开放式智能仿真电能表原理如图1所示。

图1 智能仿真电能表原理图

2 全开放式智能仿真电能表的主要功能

2.1 电能计量功能仿真

电能表可以通过仿真学习将电量的概念、多种电量值之间的关系与累计方法纳入芯片功能。对于四象限有功、无功电量概念，正反向分相有功电量，蒸饭箱有功电量，四费率有功电量等均可以仿真学习[1]。

2.2 需量的测量仿真

电能表可以对需量和最大需量的概念及测量方法进行仿真；可以测定蒸饭箱有功四费率的最大需量和需量发生时间，以及正反向有功最大需量和需量发生时间。

2.3 数据显示仿真

电能表可以对显示驱动、显示刷新的位置，对数据处理方式进行仿真学习。

2.4 数据的结算与冻结仿真

电能表可以对数据结算与冻结的概念和存储处理方式进行仿真学习，可存储上12个结算日的正反向总电能与四费率电量，可以对四费率电量的定时冻结、约定冻结、瞬时冻结、日冻结与整点冻结等进行仿真[2]。

2.5 负荷曲线的仿真

电能表可以对负荷曲线概念及其存储处理方式进行仿真学习，可以仿真6个测量通道的负荷数据的读取和存储情况，可以存储近30天的负荷数据。

2.6 记录功能的仿真

对于事件的记录，电能表可以对事件记录的概念、判断方法以及存储方式进行仿真学习。记录最近10次操作活动，包括需量清零、编程、校对时间、开表盖以及开尾盖等。

2.7 停电唤醒功能的仿真

电能表可以对低功耗运行状况和停电唤醒等动作的处理方法进行仿真学习，包括按键唤醒、红外唤醒、停电抄表、按键切换显示以及红外通信等[3]。

2.8 通信功能的仿真

电能表可以对个各类通信通道的处理方式和协议的具体解析与实现方式进行仿真学习，包括通道软件硬件独立、调制红外通信、电力线载波通信以及通信协议等。

2.9 阶梯式电价功能的仿真

电能表可以对电价概念、计算方式、处理办法进行仿真学习，包括阶梯式电价的极佳方式、费率电价单独存在、阶梯电价和费率电价同时存在等情况。

2.10 远程参数设置和费控功能的仿真

电能表可以对传输数据安全的处理办法、远程密文参数设置和费控功能的实现进行仿真学习，包括独立安全模块、通信数据交换与处理过程，远程密文参数的修改以及远程密文方式拉合闸等。

2.11 误差修调功能的仿真

电能表可以对各类误差和误差修调方式进行仿真，包括计量芯片学习和通信协议的定义，需要修调的测量包括电压、电流、功率以及相位等[4]。

3 全开放式智能仿真电能表的优势

三相供电需要分压，由大功率、高精度电阻进行分压工作。三相电流经由精密电流互感器（CT）完成电流转换。高精度计量芯片对转换后的信号加以运算，运算后的信息由MCU根据需求传送到显示或者通信等数据输出模块；重要的信息会存储在安全性较高的非易失存储器中，可长时间保存；高精度实时时钟电路具有温补功能，可为电能表提供可靠的时间基准；高性能、大容量的锂电池可以保证时钟电路即使是在电能表掉电后仍可以长期准确运行；电能表可以输出四路脉冲信号，用于对电能表进行精度校验；高效率的现场电源电路、大容量的锂电池以及AC/DC自适应辅助电源电路组成了电能表的电源系统，可以保证电能表在有电时正常可靠地工作，停电后可以继续进行抄表。

4 全开放式智能仿真电能表模块电路设计

4.1 主计算及控制模块

主计算及控制模块由主电路及外围电路和实时时钟电路构成。

主电路的功能及性能指标为：引脚100，64k SRAM，512k Flash，LQFP封装内核；4个通用定时器，包括2个高级定时器和2个基本定时器；通信方式为2个I2C，2个SPI，1个CAN通 信，1个USB，5个USART，1个SDIO；GPIO三路，共16通道；DAC两路，共两个通道；CPU为72 MHz；操作电压为2.0～3.6 V；最大耗散功率为440 mW。

实时时钟电路为带温度补偿的时钟芯片，其功能及技术指标为：内置高稳定度的数字温度补偿振荡器；支持总线高速模式；定时报警功能；固定周期定时中断；时间更新中断功能；33 000 kHz频率输出；闰年自动实践调整功能（从2000年到2099年）；宽范围接口电压2.2～5.5 V；宽范围时钟保持电压1.8～5.5 V；低电流功耗0.8 μA/3 V。

主计算及控制模块使用接插件安装在模拟仿真表的仪表主板上，主要实现对电能进行计算及数据存储、数据显示、用电控制以及对外通信等功能，是仿真电能表的中枢机构。

4.2 模拟量采集及计量模块

模拟量采集及计量模块由电流信号转换电路、电压信号转换电路、计量芯片、电能计量芯片和主通信电路组成。

电压和电流信号转换电路将高压及大电流信号转换成采样信号（毫伏级信号）输入计算芯片。其中，电压信号转换电路采用分压电阻把220 V的电压降到100 mV左右，分压电阻采用高精密电阻，确保测量能长期安全稳定可靠；电流转换电路采用CT，CT测量精度达到1‰，初级和次级的隔离电压不小于4 000 V。

电能计量芯片可以完成电压和电流信号的采集及电能计算功能，其采用三相多功能芯片，性能指标为：可对全波无功电能和基波无功电能进行测量，在5 000:1的动态范围内，非线性误差不大于1‰，满足0.2S和0.5S两级电能表精度要求；全波视在电能和基波视在电能；有功功率和无功功率方向，可支持无功四象限判断；具有潜在启动能力，启动阈值可调节；提供有功、无功、视在的快速脉冲计数；全波、基波，有功、无功和视在脉冲输出；全波和基波有功、无功、视在功率；提供全波、基波和谐波三相电压电流有效值；提供全波、基波功率因数；提供电压线频率，测量误差不大于0.2‰；提供各相电压电流相角，测量误差不大于0.02°；提供过零检测，过零阈值可以调节设置；提供电压相序出错检测；提供失压预警，失压阈值可以调节设置；灵活的电压、电流波形缓存数据；可进行电压暂降检测，过压、过流检测；具备防窃电功能，零线电流可以测量。结合电压采样电路及电流采样电路的参数设计，本款产品的电能测量精度为0.5S级。

计量芯片获取的数据可以通过通信接口与主通信电路进行数据传递，由于通信速率较高，通信线路上设计了滤波电路用以滤除通信线路上出现的毛刺干扰。

4.3 电源模块

开放式智能仿真电能表的电源电路方案与实际电能表一样，整表电源两路独立输出，主电源输出为300 MA/12 V，通信电源为20 MA/5 V，两路电源之间的隔离耐压不小于4 000 V。

电源模块由整流电路、电源变压器、稳压电路、滤波电容及后备电池等组成。由于电能表具备实时钟电路和停电唤醒功能，因此须准备后备电池，一块用于实时钟电路，一块用于停电唤醒使用，停电后后备电池无缝切换为电能表供电，市电与电池之间可使用二极管进行隔离。

4.4 存储电路模块

存储电路模块电路如图2所示。

图2 存储电路模块电路图

智能电能表需要存储的数据包括计量标定数据、结算数据、实时电能量数据、电能需量、需量数据等。电能表的存储器采用了FLASH存储器、EEPROM存储器及铁电存储器三种。EEPROM存储器用来存储电能表电能结算数据和标定数据，铁电存储器则用来存储实时电能数据，FLASH存储器用来存储负荷曲线数据。

4.5 液晶显示模块

LCD液晶屏作为三相智能电能表采用的显示器，总段位为276段，显示器可采用宽温液晶屏，工作寿命较长，功耗较低，对工作环境要求不苛刻。

液晶驱动芯片的主要功能和技术指标为：最多支持280段液晶显示器，震荡电路内部集成，支持总线通信，低功耗，标准功耗为10 μA，拥有独立的液晶驱动电源，电源电压范围和温度工作范围都较宽。

液晶屏的背光采用白光的背光板，背光板内部集成了2个高亮白光的发光管，通过背光板的反射和折射可以均匀地给液晶提供背光源。背光板点亮时的驱动电流为3 MA左右。

4.6 通信电路模块

三相智能电能表的通信接口有以下两类：通信接口、红外通信接口。

通信接口和主电路之间的数据接口采用光耦方式进行电气隔离，通信接口的供电采用变压器的一组单独绕组实现电气隔离，通信接口与主电路之间的隔离耐压强度约为4 000 V；信号输出端之间则串入一个热敏电阻（常态阻值30～60 Ω，耐压500 V以上），并联一个600 W、电压为10 V的双向TVS管，以确保民电出现错接入问题而不损坏电表。

红外通信接口为非接触式的通信接口，与红外抄表设备间的通信距离不小于5 m，红外通信的波特率是1 200 B/S，红外调制的频率为38 kHz，由定时器输出口来完成输出。

5 结 论

随着社会用电需求和服务要求不断提升，以及科技的不断发展，电能表从具有单一计量功能的电计量仪器发展为当前集多种功能于一体的多功能仪表。全开放式智能仿真电能表可实现的功能丰富，因此电力企业不断对其进行仿真与试验研究，为电能计量工作的顺利进行服务，为电能计量的管理水平提升服务，从而更好地推进电网建设，提升用电服务水平。