单相复费率数字电表设计研究

李广庆

摘要：近年来我国经济发展迅速，用电问题也随之出现。用电量的急剧增长给供电系统带来了极大地负担，这就需要平衡用电负荷并进行分时计费，采用多种计价方式的单相复费率电表也就应运而生。单片机自身集成度较高，因此本设计使用单片机作为电表的控制芯片，采用模块化设计，在基于电能采集和计量的基础上，设计了一种单相复费率电表。

关键词：复费率电子式电能表;电能采集与计量;ADE7755;信号处理

1 绪论

1.1 课题的理论意义和实际应用价值

随着我国经济的快速发展，工业用电和其他类用电量快速增长，呈现高峰期电力负荷极大而闲时负荷又很小的不均衡分布，为了平衡用电，就需要采取削峰填谷的手段，于是就有了分时电价政策的出台，而现有的电表并不能满足这一发展趋势，所以复费率电子式电能表便成为研究和推广的主流和趋势。因此，高精度、高可靠性的电表成为我国电表行业发展的要求[1]。

1.2 电子式电能表的发展现状及发展趋势

“十一”五期间，国家出台多项相关政策来刺激电工0仪表行业的发展，同时对电工仪表的投入也达到了一个新的高度，政策带动了电能表需求的平稳上升。目前来看，我国的电能表行业国内市场逐渐饱和，出现了产能过剩的情况。然而电能表的高端产品却大多由国外公司生产，这种形式对我国的电能表行业的发展提出了新的要求。现在我国并没有独自研发的电能计量芯片，绝大多数公司生产的电能表均使用国外芯片，这严重制约着我国电能表行业的发展和进步[3]。就目前的形式来看，为了实现电表行业的转型，我们需要将精力投入到技术研发上，借鉴国外的技术来研发更符合国内需求的电子式电能表，从而实现国内电表行业从数量优势到技术创新的转变。

2 设计方案的确定及相关理论

2.1 设计方案的确定

传统电能表是通过电压与电流相乘的计算得到电量后进行电能的累计。但这种方式可能因电流电压的相位差和其他因素造成电能计量的不精确，所以在电能计量方面我们采用ADE7755电能计量芯片进行精确的电能计量。

单片机通过编程和内部中断即可完成时钟的作用，但其单片机主晶振和与之相连接的电容对时钟精度的影响极大，在长期的运行中很容易产生误差，而误差的叠加对电能表的计量精度影响是巨大的，因此我们选用精度和稳定性都相当高的DS1302芯片作为时钟芯片。

电源方面我们需要将电网中的220V交流电转换为5V直流电，因此我们采用先降压后整流的方式来获取理想电压。

考虑到便捷抄表和远程通信的因素，我们采用红外通信技术来进行便捷的抄表，这在节省了人力的同时也避免了人工抄表可能产生的误差，提高了工作效率也提高了精确度。远程通信方面我们采用长距离、高速率的RS-485通信技术。

显示模块出于功耗的考虑，我们选用高性能、低功耗的LCD显示屏。

2.2 电能表总体工作原理

将电能采集电路接入电网后，通过电压和电流互感器进行降压和滤波后得到差动电压信号输入ADE7755，在其中经一系列步骤的处理输出高频脉冲[4]。单片机接收从ADE7755发出的脉冲并进行电能累计，每隔一段时间自动将累积的电能存入数据存储器中。单片机读取时钟芯片中的时钟信号，根据提前划分好的峰时、平时和谷时进行电能的分时累计，用LCD显示器显示出用户当前用电量的多少。

3. 电能计量模块

ADE7755 是ADI 公司推出的一款高精度电能计量芯片，其技术指标超过了IEC1036 所要求达到的精度要求，同时也超过了GB/T17215- 2002 的国家标准所要求的精度要求

LPF表示低通滤波。来自电压和电流采样的电压信号分别进行模数变换，将模拟量变换为数字量再进行相位校正，之后进入高通滤波器HPF滤掉电流信号中的直流分量再进入在乘法器中进行相乘运算得到瞬时功率，随后把瞬时功率进行低通滤波去除高频分量得到瞬时有功功率。现阶段普遍采用这种的交流采样的处理方法，它与直流采样相比有着计算灵活且精度更高的优点。得到瞬时有功功率之后，经过时间的累计从數字频率转换器从芯片的F1和F2端输出频率较低的脉冲。以较短时间进行累计的有功功率经频率转换器从CF端输出高频脉冲。

在一段时间内所消耗的电能与这段时间内单片机所接收到的脉冲个数在数值上是一样的。单片机完成对脉冲的计数和累加就可以完成电能计量，根据预先拟定好的的划分，达到预期的设计要求。

结论

本设计完成的是单相复费率电能表的设计，采用单片机作为控制核心，通过对电流和电压的测量将数据输入到ADE7755电能计量芯片中进行模数转换并输出高频脉冲到单片机的计数器中进行电能累加，再访问时钟，按照峰时、平时、谷时的时间划分来实现分时计费的功能，随后将数据及时的存入数据存储芯片中以免断电产生误差，最后将电量显示在LCD 显示器中供用户参考。这种电表能够实现与上位机的远程通信，并按照上位机的指令进行相关操作，大大的提高了工作效率，同时红外抄表的应用也节省了人力并在最大可能上避免了误差的出现，极大地提高了数据的准确性。

参考文献

[1]丁毓山.电子式电能表与抄表技术[M].北京：中国水利水电出版社，2015

[2]曾乃鸿.电子式电能表的发展现状和展望[J].华东电力，2020， 29（9）：24-27

[3]金美星.电能表行业发展现状及前景分析[J].电力设备，2017， 8（8）：106-107

[4]夏敏.浅谈电子式电能表的现状与发展[J].农村电工，2017， 15（12）：39-39

[5]穆丽娟，李晓明.单相复费率电子式电能表的设计[J].电子工艺技术，2007，28（6）：358-360