ADL-300EF型导轨式安装三相电能表设计与应用
时间：2011-02-21 阅读：3259
关键词：导轨式安装；三相电能表；低压配电终端中图分类号：TM933.4文献标识码：B文章编号：1007-3175（2009）
0引言
随着经济的飞速发展，各行各业对电的需求越来越大，电力资源紧缺和用电量不均衡的现象十分严重。为缓解电力供需矛盾，提倡节约、合理地使用电能、提高全国的用电效率，已成为国家提倡构建节约型社会的基本国策之一。电能的消耗大量集中在低压配电终端，为了加强终端电能计量的考核和管理，引导用户有效、合理、均衡地利用电能，方便用户现场使用和配电设施升级改造，针对传统挂壁式或电气柜式电能表在现场安装接线的不便，设计一种微型化导轨式安装电能表，具有测量精度高、过载能力强、工作电压范围宽、性能稳定可靠、自身功耗低等优点。并且其体积小巧，外观简洁，结构模数化，可与微型断路器配合使用安装于配电箱内，实现低压配电终端电能计量的一体化设计、管理。
1设计方法
1.1硬件设计
硬件设计主要由电源电路、计量电路、通信电路和主MCU控制部分组成。系统原理框图如图1所示。电网中的实时电压、电流信号通过采样电路，送到电量计量芯片ATT7030A运算、处理，输出电能脉冲，MC68HC908LJ12芯片对脉冲进行累计、存储、显示和管理实现整个电表功能[1]。
1.1.1主控制器
主控制器为MC68HC908LJ12芯片，该芯片内部集成了两个16位定时器TIM1、TIM2，6通道10位ADC，串行通信接口SCI和串行外围部件扩展接口SPI，且具有12KB的高速闪存FLASH和512B的RAM存储器，内置锁相环，可用低频的32.768kHz的晶振就可获得32MHz时钟，使系统的抗*力大大提高。拥有低电压复位、非法操作码复位、非法地址复位等功能，使芯片的可靠性和稳定性大大加强，且自带LCD驱动，使电路结构更加简化。MC68HC908LJ12芯片不但拥有强大的功能，而且具有很高的性价比，可以方便地实现各种测量与控制功能，在电表中有着非常广泛的应用。主控制部分是以MC68HC908LJ12芯片为核心，对其他各个模块进行连接、控制和管理。主控制部分原理如图2所示。主控MCU的工作原理，实时采集电量脉冲信号并进行累计，根据实时时钟切换费率，保存分时电量，进行月电量冻结，循环显示各时段电量及时图1系统原理框图图2主控制部分原理图电压源回路ADL-300EF型导轨式安装三相电能表设计与应用间、日期信息，及时保存电量。为方便软硬件设计，RTC电路RX8025与EEPROM电路24C16A芯片连接在同一I2C网络中，通过不同的设备地址进行读写操作。由于MC68HC908LJ12自带LCD驱动，使显示电路设计变得简单。
1.1.2信号采集与电能计量
信号采集部分采用炬力集成半导体公司的电能计量芯片ATT7030A，该芯片测量精度高、动态工作范围宽、非线性测量误差小，且具有失压和反向指示及高频电能脉冲输出，在三相电能表中有着非常广泛的应用。电网中的至电流、压芯片信号通过取样电路实时取样后送至ATT7030A芯片，经A/D转换、滤波、相位补偿、积分等运算处理后按照一定的频率输出脉冲信号，主控制器对该脉冲进行累计、运算、存储，实现有功电能正反向的分时计量。电流信号采样是通过电流互感器实现的，此方式实现电网与芯片的隔离，极大地提高系统的稳定性、安全性。电流信号采样原理如图3所示。图3中的IA1与IA2为电流互感器二次侧信号，且采用差分方式输入，从而获得良好的抗干扰性。电流互感器次级电流由次级绕阻输出负载阻抗转化为一个电压量，电流互感器在50Hz/60Hz存在0.1°～1°相位漂移，导致电量测量误差，尤其是在低功率因数时，这种相位漂移或相位误差可以通过电容得到补偿，C3为相位补偿电容。电压信号采用电阻分压网络的方式进行信号的采集，通过电阻分压网络将电网电压衰减至一定范围内，再送至电能计量芯片ATT7030A进行处理。在分压电阻网络中，主要注意每个电阻的功耗和耐压值，须留有余量，防止由于电网电压的升高或出现接地故障，造成分压电阻的损坏。
1.1.3电源电路部分电源部分采用两路相互隔离的供电模式，主MCU和通信模块的电源相互独立、互不干扰从而提高系统的可靠性。通信的可靠性、数据的安全性非常重要，所以在设计时不但要尽量选用高性能的通信集成电路，还要做好电路的保护，如必要的隔离措施。在本设计中用光耦对主系统电路和RS485通信电路进行隔离，提高系统抗*力，电路中运用硬件控制通信的收发操作，避免了用MCU的I/O口控制时，当MCU发生死机时使整个通信系统瘫痪的危险，图4中的R38和R39为偏置电阻，用于RS485通信网络失效保护。
1.2软件设计
ADL-300EF型导轨式安装三相电能表的软件设计包括程序初始化模块、主控程序模块、电量处理模块、通信处理模块和显示处理模块几个部分组成，各个部分都在电表系统中完成相应的处理任务，实现相应的功能。主控制程序模块是整个系统的执行部分，对其他各模块进行协调、控制和调度工作，是软件中zui重要的部分。程序初始化模块负责使程序进入初始工作状态，包括两个部分：主控制器的初始化和电表各功能模块的初始化。主控制器的初始化是对主控制器内部功能模块进行初始化，使各功能模块进入相应的初始工作状态，如I/O的设置、各功能模块的配置等。电表各模块初始化是为程序运行提供电表各模块的初始值，以保证主程序的正确运行。电量计量模块是导轨式电能表中zui基本的功能之一，这部分程序也是软件系统中zui为关键的程序，程序中对电能计量电路输出的电能脉冲按不同的时间、不同的费率进行累计并存储到相应的EEPROM存储器中，掉电时电量数据不丢失，保证数据的安全，在月度变化时，进行月度电量冻结，可方便实现历史电量的查询。通信部分是电能表与外界的模块，包括数据接收、命令解析及数据发送，在程序中用中断方式监控接收口，当接收到一帧数据时，通信程序首*行据解析，并根据数据内容执行相应功能完成相应的操作，通过通信口可与上位机和其他智能配电设备进行数据交换，实现导轨式安装电能表的远程监控与管理，还可以对多个导轨式安装电能表进行组网，实现低压配电终端电能计量的网络化管理。显示处理模块用于实现各时段电量、时间、日期等数据循环显示，方便用户实时查询、管理电量。
1.3产品结构
*，目前，国内电能表大部分都是壁挂式结构或嵌入式结构，外观都采用基本方体形，体积相对较大，并且其产品内部结构复杂，接线繁琐，安装不便，生产效率低，成本高。ADL300EF型导轨式安装电能表采用创新结构优化设计，内部结构设计简洁巧妙，体积小巧，安装接线简单，可与微断路器和其他低压配电控制设备一起安装在标准35mm导轨上，提高工作效率，且不需再额外配置电表箱，大大降低低压配电系统的使用维护成本。ADL-300EF型三相电能表结构图如图6所示。2主要技术参数本设计*符合部标DL/T614和国标GB/T17215中电子式电能表的相关技术要求，主要技术参数见表1。3应用实例本设计中的ADL-300EF型导轨式安装三相电表为低压终端电能计量与管理提供了一种理想的选择，其模数化结构，导轨安装方式如图7所示。该电能表可方便地与微型断路器和其他低压配电设备一起直接安装于低压配电终端，如楼宇、商场、会展中心、学校、机场、港口、工厂、写字楼及公共设施等的照明箱、动力箱内，作电能计量与管理。4结语随着技术的进步，安装简便、抄表简单、成本低、性能高、智能化的电力仪器仪表在低压终端配电计量、管理中应用越来越受欢迎，ADL-300EF型导轨式安装三相电能表其微型化结构、新颖的安装方式、智能化的功能，十分适用于现代低压配电终端电能的分时复费率计量和低压配电工程的一体化设计，同时也节约了低压配电施工的成本，使它的应用更具现实意义和经济价值