具备无线通讯的三相多功能电能表设计方案

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随着经济体制改革的深入，在市场的推动下，数字电能表发展迅猛，中国目前已成为世界电能计量行业最具有活力的市场。随着用户用电负荷的增加，供电质量的要求也越来越高，供电部门需要了解电网质量和用户的各种用电参数，如功率、电压、电流、频率等，这样三相电能表的应用范围得到了扩大。电能计量、电费核算及收缴的及时性和准确性已成为用电企业的重要课题。目前，电能表的抄表接口主要是485接口和红外接口，这两种方式逐渐不能满足实际的需要，为此我们提出了新的抄表方案—无线抄表。无线抄表的实现是迈向配电自动化的第一步，并有助于提高电力系统用电管理的水平。

电能计量芯片ADE7758

精度为0.5级和0.5S级的三相多功能电能表可以采用ADI公司的ADE7758。ADE7758具有以下的功能和特性：内部集成了6路独立的16位Δ-ΣA/D转换器、高性能DSP、电压基准及温度传感器等电路，在1000:1动态范围内误差小于0.1%；提供有功、无功及视在电能、电压、电流有效值及波形采样等数据；三相三线/三相四线兼容；功率、相位及输入失调可实现数字校准；在环境条件变化很大和长时间使用条件下，采用专利技术的ADC及DSP仍能保证高精度；DSP内部对无功电能进行了补偿；提供独立的有功电能及无功电能脉冲输出。这些功能特点大大减少了MCU的软件开发工作量。基于ADE7758的电能表功能框图见图1。

三相电能计量设计方法

三相电能表根据使用条件分为互感器式、直入式。对于大电流用户，采用外接一次互感器，按标准其电流输出为5A。三相电能表最常见的为互感器式，其互感器电流规格为1.5/6A。

1. 三相电能计量的设计条件

a. 电压规格220V/380V；

b. 电流规格为1.5/6A，即基本电表为1.5A、最大电流6A。

图1：基于ADE7758的电能表功能框图。

2. 选择ADE7758作为主计量芯片，根据设计要求初步确定的条件

a. 三相四线模式；

b. 选用各相电能代数和模式；

c. 三相电流输入，最大电流为6A，输入信号为V=200mV，保证一定的电流过载能力；

d. 相电压输入为220V时，输入信号为V=200mV，保证120%Ua(额定电压)时的计量线性度。

3. 三相电流二次互感器选择

a. 1.5(6)A/5mA、20Ω负载、精度0.05级，电流取样电路参见图2，图中R1、R2为电流回路的取样电阻，必须选择误差1%、温度系数±100ppm/℃的精密电阻；

b. R3、R4为输入电阻，阻值为1kΩ；

c. C1、C2为滤波电容，取样电阻值选择为5Ω，电流取样设计基本可以满足至少6倍额定电流的范围。

4. 三相电压回路采样电路设计

根据ADE7758数据手册，模拟信号的最大输入电平为500mV，选择在输入幅度约1/2量程左右可保证实时的计量精度和大于120%Ua时的计量精度。分压采用电阻网络方式，取样电路如图3所示，Uap=180mV。

图2：电流取样电路。

5. 有功脉冲输出校准频率(CF)

根据电能计量原理，对于某一相而言，CF计算公式：

 

其中，C为电表脉冲常数，U_n为额定相电压值(单位V)，I_b为额定相电流值(单位A)。

取C=3,200imp/kWh，将U_n=220V，I_b=1.5A，代入公式(1)计算：Fe=0.293Hz。

当ADE7758的某一相的电压电流通道的采样达到最大电平500mV而剩下的两相为零时，输出的频率大约为16kHz。这样，当电流采样电压Uia=50mV，电压信号采样电压Uva=180mV时，首先确定ADE7758不经过分频和校验时的输出频率为：

 

对1,152/0.293取整后得到3,931，把3,931写入ADE7758的频率输出分频系数的分母，分子写入1。接着对ADE7758各通道增益、相位、失调进行调整，就能得到准确和稳定频率的电能脉冲。

无线RF通讯模块

对无线RF收发功能，我们采用ADI公司的RF收发芯片ADF7020来实现。ADF7020有一系列产品，该方案中我们选用一款工作在431MHz至478MHz和862MHz至956MHz双频段收发一体芯片，满足北美FCC与欧洲ETSI-300-200标准。

该芯片具有以下的功能特性：2.3V到3.6V的宽工作电压范围，适合不同电池供电；待机电流仅1μA；从-16dBm到+13dBm的可编程输出功率，调节步长0.3dBm；内置自动频率控制补偿回路，可以在862MHz至956MHz频段对晶体补偿±25ppm，对431MHz至478MHz频段对晶体补偿50±50ppm；接收时电流为19mA，发送时电流为22mA；拥有数字无线信号接收幅度指示(RSSI)输出。设计时采用9,600bps的速率，2FSK调制，接收灵敏度为-106dBm，输出功率为12dBm，其通讯距离可超过500米。

图3：分压采用电阻网络方式，取样电路。

本文总结

该方案选择的无线芯片具有内置自动频率控制(AFC)，传输速率高，距离远等特点。整体设计比较简单，并兼顾了未来抄表的方向，较适用于山地及不方便进行有线传输的国家和地区。