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1、 摘要随着我国经济的飞速发展，电能消耗日益增加，电能成为现代社会国民经济和人民生活的重要保障。本文所设计的新型多功能电子式电能表除了提高计量精确度外还实现了分时计量、对异常情况进行实时监控并记录事件等功能；可提高电能的合理利用，为用户提供公正、公平的用电环境。论文首先综述了多功能电子式电能表的发展现状及电能测量的基本原理，然后给出了系统的设计目标和总体方案，并按功能进行了各个硬件电路单元的设计，包括电源单元、计量单元、功能管理单元、显示单元、通信接口单元等。在软件设计方面，采用模块化软件设计方法实现了有功和无功的能量分时计量、RS485通讯、红外通讯、按键显示、异常检测及记录等功能。文中对三相
2、电能表的抗干扰设计也有很详细的介绍。 本三相多功能电子式电能表具有运行稳定、可靠性高、通用性好和抗干扰能力强等优点，适应电表市场的需求。关键词：电能计量，多功能电子式电能表，复费率，ATT7022B，时钟芯片.目录摘要11绪论41.1本课题研究背景41.2 电能表的发展及现状41.2.1感应式电能表（机械表）41.2.2 机电一体式电能表51.2.3 全电子式电能表51.2.4多功能电能表现状及发展趋势52电能测量原理72.1三相电路接线方式72.2电能测量原理82.3三相有功电能的计量892.4电子式电能表的测量原理102.4.1模拟乘法器102.5电子式电能表的测量原理102.5.1模拟乘
3、法器102.5.2数字乘法器112.6本系统采用的测量方法123 系统总体方案及硬件设计133.1硬件总体方案133.2主控芯片及其外围电路143.2.1主控芯片介绍143.2.2时钟振荡电路153.2.3单片机监控电路153.3电量信号采集和预处理173.3.1 ATT7022B芯片介绍173.3.2电压电流采样电路203.3.3 ATT7022B与单片机的接口223.4 存储器单元18233.5 通信模块设计243.5.1 RS-485通信接口243.5.2 红外通信模块263.6 实时时钟电路283.6.1 时钟芯片DS1302283.7 人机接口模块设计293.7.1键盘输入293.7
4、.2 LED显示303.8电源单元313.8.1电源设计原理及图形313.9 继电器驱动单元334 结论与展望344.1论文总结344.2本文的不足及课题展望34参考文献36致谢37附录一 三相多功能电能表系统原理总图381绪论1.1本课题研究背景电能是最重要的能源，在现代社会中电能己广泛应用到社会生产的各个领域和社会生活的各个方面。电能表是当前电能计量和经济结算的主要工具，它的准确与否直接关系到国家与用户的经济利益。感应式电能表作为一种传统的电能表，在电能计量工作中发挥了极大的作用。但随着电力逐步走向市场，用电营销对电能计量工作提出了更高的要求，电能表要承担的功能越来越多，如在电力系统中，为
5、引导用户更为有效、合理利用电能，避免尖峰负荷的出现，提高系统的负荷率，对用户实行分时计量；为对电能计量装置进行在线监测、远方遥控，需对电能表进行远方通信等。同时，随着社会的发展，交易的电量越来越大，供、用双方对自身的权益也越来越关心，这就对电能计量表的准确度等级提出了更高的要求。普通感应式电能表受其结构和原理上的制约，要进一步提高准确度和拓展其功能已很困难。同时，微电子技术和单片机应用技术的发展和普及，为电能表多功能高精度的实现创造了有利条件，电子式电能表得以出现并得到了飞速发展。1近年来，高准确度、高可靠性的元器件以及大规模集成电路技术等应用于电子式电能表的开发与生产，使电子式电能表寿命提高
6、、功能多种多样，其市场所占比重正在快速加大，这其中电卡式预付费电子式电能表、单相/三相电子式多功能电能表将是主要需求目标，并逐步使供用电管理的微机化和自动化成为现实。1.2 电能表的发展及现状1.2.1感应式电能表（机械表）自从1831年法拉第发现电磁感应定律以来，人们就不断的探索使用和测量电能。电能表作为测量电能的专用仪表，至今已有100多年的历史。1880年美国人爱迪生研制成功世界上最早的电能表，是基于电解原理的直流电能表。随着交流电的出现和使用，1888年意大利物理学家费拉里斯提出了将旋转磁场理论用于交流电能测量的观点; 1889年，匈牙利岗兹公司的布勒泰制成了第一台交流感应式电能表。最
7、早出现的电能表是根据旋转磁场理论制作的感应式电能表，其核心是电磁线圈和转动部件，经过一百多年的不断改进和完善，感应式电能表的制造技术也已相当成熟。目前普遍使用的感应式电能表是根据交变磁场中金属圆盘的感应电流与有关的磁场形成力的原理制成的，即利用金属铝转盘中感应的电流与通有交流电流的固定线圈的磁场相互作用，产生驱动力矩驱动铝盘旋转，累计消耗的电能。感应式电能表具有制造简单、操作安全、维修方便、可靠性好和价格低廉等特点，因此，至今在包括我国的许多发展中国家甚至是一些发达国家里，感应式电能表仍作为一种计量工频电能的仪表被广泛使用。21.2.2 机电一体式电能表随着电能开发及利用的加快，对电能管理和电
8、能表性能提出了更高的要求。电力系统的不断扩大以及对电能合理利用的探索，使感应系电能表逐渐暴露出准确度低、适用频率范围窄和功能单一等缺点。感应式电能表由于受其原理和结构等因素的制约，要对它进行较大的改进是很困难的。基于微电子技术和计算机技术的不断发展，人们开发出了基于感应电能表的机电一体式电能表，这种电能表是利用感应系电能表的测量机构作为工作元件，使用光电传感器完成电能脉冲的采集，经微处理器处理后，对电能脉冲进行计量，从而实现对电能的数字化测量。这种电能表的显著特点是感应式测量机构配以脉冲发生装置，因此也被称为感应式脉冲电能表或机电脉冲式电能表。这种电能表和机械祸合式多费率电能表都是感应式电能表
9、向全电子式电能表过渡过程中的电能计量品种，它们对分时电价、需量电价制度的实施起了积极的推动作用。1.2.3 全电子式电能表机电脉冲式电能表采用感应式测量机构测量电压电流，决定了它同样具有感应式电能表准确度低、适用频率范围窄等缺点。电子式电能计量方案使用乘法器实现功率和电能的测量，在一块集成芯片上完成电能采样和AD转换，比较先进的是-AD转换原理。功率是电流与电压的乘积，电能是功率对时间的积分。20世纪80年代末90年代初，国外著名电测仪表公司相继推出了全电子式多功能电能表，如瑞士兰地斯公司(LANols&oYR)、法国斯伦贝谢公司(Sehlumberger)和美国通用电气公司(GE)等。我国从
10、20世纪90年代初开始研制全电子式电能表，1994年威胜集团、恒通公司等相继推出了全电子式多功能电能表，随后有多家公司开始小批量生产。经过技术的引进、消化和吸收，我国电子式电能表开发设计和制造技术得到了飞速的发展。全电子式电能表最早用于进行计量鉴定，也就是做标准表，随着元器件性能的提高和价格的下降，全电子式电能表计量精度较高，且能实现复费率及用电控制，便于实现抄表自动化系统，而且生产成本较低，全电子式电能表逐步开始大量民用，目前使用数量已经远远超过机械表。1.2.4多功能电能表现状及发展趋势目前的电能表市场中全电子电能表所占比例逐年增加，机械表由于先天性在通信方面的不足，所以很难在集中自动化抄
11、表方面有发展，机电一体式电能表虽可以进行电能信息的远程通信，但其可提供的用电信息比较少，例如频率，有功，无功等，另外实现复费率计量也比较困难。虽然基于机电一体式的电能表实现了预付费，但鉴于安全性和其他方面的原因，国家并不主张大范围的使用这种电能表。全电子电能表克服了上面两种表的缺点，可以方便的计量电能的各种信息，并且实现远程通信完成抄表工作和实现配电网络自动化。近年来随着全国用电缺口的急剧扩大，国家发改委决定全面推行峰谷分时电价和避峰电价，鼓励用户合理移峰用电，这一政策的出台，带动了全国各地供电部门对复费率、多功能电表需求的快速上升。目前，在抄表方式上，存在有RS485、红外、GPRS和电力线
12、载波等多种抄表方式。其中RS485抄表和红外抄表技术比较成熟。各种抄表方式具有各自的特点，RS485需要专门布线，但其抗干扰能力较强；红外抄表由于其通信距离的限制，不能实现远程监控的目的；电力线载波通信抄表技术无需专门的通信线，利用现有的电力线作为通信信道，信道建设工作量极少，但其技术较为复杂，通信出错率较高。目前还存在着GPRS无线抄表方式，GPRS是通用分组无线业务(General PacketRadio Service)的简称，是在现有GSM系统上发展出来的一种新的承载业务，目的是为GSM用户提供分组形式的数据业务。GPRS抄表技术在未来将会有很广的应用。2电能测量原理2.1三相电路接线
13、方式 三相电源有两种基本连接方式5：星形连接和三角形连接。星形连接示意如图2.1（a）。三相对称星形连接时，有如下关系： ， (2-1)式中：，-线电压和线电流；，-相电压和相电流。对称三相电源可以采用三角形连接(连接)，如果不对称程度比较大，所产生的环路电流将烧坏绕组。三角形连接示意如图2.2(b)。三相对称三角形连接时，有如下关系： ， (2-2) 式中：，-线电压和线电流；，-相电压和相电流。 三相负载根据其接线方法一般有三相三线和三相四线之分，以下只讨论电源为Y形连接时的情况。当发电机三相绕组按星形方式连接时，负载接成三角形方式，如图2.2(a)所示，称为三相三线制。当发电机绕组按星形
14、方式连接时，负载也接成星形方式，如图2.2(b)所示，称为三相四线制。三相四线方式时，流过各相负载的电流等于各相电源流过的电流。当电路为对称三相电路时，中线电流为零。此时中线可以去掉，变为三相三线制。 (a)负载三相三线连接(b)负载的三线四线连接图2.2三相负载接法图示2.2电能测量原理电能在物理上可以看成是从电源流向负载的能量流。用户在某一时刻消耗电能的“速度”我们称为瞬时功率，它在数学上等于该时刻瞬时电压值与瞬时电流值的乘积，将所有这样的“瞬间”消耗的电能加在一起就得到了总的用户消耗电能的数量。因此，有功电能的计算可以用电压与电流瞬时值的乘积在时间上做积分得到，其测量可简单地描述如下。设
15、在t时刻负载两端的交流电压和流过负载的交流电流的表达式为： (2.1) (2.2)其中-t时刻电压瞬时值；t时刻电流瞬时值；电压峰值；电流峰值；电压有效值；电流有效值；电压与电流相位差；角频率。则在一个周期内平均有功功率P为 (2.3)一个周期内的电能W为对于三相电路，总能量可以表示为三个分相能量之和： (2-5)在实际电网中，电压电流信号基本上都不是只包含50Hz频率分量的正弦信号，而是含有很多谐波信号。事实上我们可以发现瞬时功率信号本身是一个含有直流分量和高频分量的信号，而任何频率不为0的频率分量从长期来看对于时间积分都没有贡献，因此电能计量数学上就相当于计算瞬时功率P的直流分量在时间上的积分。为了得到有功功率分量（即直流分量），需要对瞬时功率信号进行低通滤波处理。 92.3三相有功电能的计量8
