摘要：介紹了一款以MC68HC908LJ12為主控芯片的導軌式安裝三相電能表，闡述了其工作原理、軟硬件設(shè)計方法及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點，并給出了在低壓配電終端的應(yīng)用實例。該電能表具有微型化的體積、模數(shù)化的結(jié)構(gòu)、一次接入和二次接入可選的靈活接線方式，可與微型斷路器配合使用，直接安裝于配電箱內(nèi)，用于低壓配電終端電能計量，實現(xiàn)了用電計量管理的自動化。
　　
　　關(guān)鍵詞：導軌式安裝；三相電能表；低壓配電終端中圖分類號：TM933.4文獻標識碼：B文章編號：1007-3175（2009）
　　
　　0引言
　　
　　隨著經(jīng)濟的飛速發(fā)展，各行各業(yè)對電的需求越來越大，電力資源緊缺和用電量不均衡的現(xiàn)象十分嚴重。為緩解電力供需矛盾，提倡節(jié)約、合理地使用電能、提高全國的用電效率，已成為國家提倡構(gòu)建節(jié)約型社會的基本國策之一。電能的消耗大量集中在低壓配電終端，為了加強終端電能計量的考核和管理，引導用戶有效、合理、均衡地利用電能，方便用戶現(xiàn)場使用和配電設(shè)施升級改造，針對傳統(tǒng)掛壁式或電氣柜式電能表在現(xiàn)場安裝接線的不便，設(shè)計一種微型化導軌式安裝電能表，具有測量精度高、過載能力強、工作電壓范圍寬、性能穩(wěn)定可靠、自身功耗低等優(yōu)點。并且其體積小巧，外觀簡潔，結(jié)構(gòu)模數(shù)化，可與微型斷路器配合使用安裝于配電箱內(nèi)，實現(xiàn)低壓配電終端電能計量的一體化設(shè)計、管理。
　　
　　1設(shè)計方法
　　
　　1.1硬件設(shè)計
　　
　　硬件設(shè)計主要由電源電路、計量電路、通信電路和主MCU控制部分組成。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。電網(wǎng)中的實時電壓、電流信號通過采樣電路，送到電量計量芯片ATT7030A運算、處理，輸出電能脈沖，MC68HC908LJ12芯片對脈沖進行累計、存儲、顯示和管理實現(xiàn)整個電表功能[1]。
　　
　　1.1.1主控制器
　　
　　主控制器為MC68HC908LJ12芯片，該芯片內(nèi)部集成了兩個16位定時器TIM1、TIM2，6通道10位ADC，串行通信接口SCI和串行外圍部件擴展接口SPI，且具有12KB的高速閃存FLASH和512B的RAM存儲器，內(nèi)置鎖相環(huán)，可用低頻的32.768kHz的晶振就可獲得32MHz時鐘，使系統(tǒng)的抗*力大大提高。擁有低電壓復位、非法操作碼復位、非法地址復位等功能，使芯片的可靠性和穩(wěn)定性大大加強，且自帶LCD驅(qū)動，使電路結(jié)構(gòu)更加簡化。MC68HC908LJ12芯片不但擁有強大的功能，而且具有很高的性價比，可以方便地實現(xiàn)各種測量與控制功能，在電表中有著非常廣泛的應(yīng)用。主控制部分是以MC68HC908LJ12芯片為核心，對其他各個模塊進行連接、控制和管理。主控制部分原理如圖2所示。主控MCU的工作原理，實時采集電量脈沖信號并進行累計，根據(jù)實時時鐘切換費率，保存分時電量，進行月電量凍結(jié)，循環(huán)顯示各時段電量及時圖1系統(tǒng)原理框圖圖2主控制部分原理圖電壓源回路ADL-300EF型導軌式安裝三相電能表設(shè)計與應(yīng)用間、日期信息，及時保存電量。為方便軟硬件設(shè)計，RTC電路RX8025與EEPROM電路24C16A芯片連接在同一I2C網(wǎng)絡(luò)中，通過不同的設(shè)備地址進行讀寫操作。由于MC68HC908LJ12自帶LCD驅(qū)動，使顯示電路設(shè)計變得簡單。
　　
　　1.1.2信號采集與電能計量
　　
　　信號采集部分采用炬力集成半導體公司的電能計量芯片ATT7030A，該芯片測量精度高、動態(tài)工作范圍寬、非線性測量誤差小，且具有失壓和反向指示及高頻電能脈沖輸出，在三相電能表中有著非常廣泛的應(yīng)用。電網(wǎng)中的至電流、壓芯片信號通過取樣電路實時取樣后送至ATT7030A芯片，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換、濾波、相位補償、積分等運算處理后按照一定的頻率輸出脈沖信號，主控制器對該脈沖進行累計、運算、存儲，實現(xiàn)有功電能正反向的分時計量。電流信號采樣是通過電流互感器實現(xiàn)的，此方式實現(xiàn)電網(wǎng)與芯片的隔離，極大地提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性。電流信號采樣原理如圖3所示。圖3中的IA1與IA2為電流互感器二次側(cè)信號，且采用差分方式輸入，從而獲得良好的抗干擾性。電流互感器次級電流由次級繞阻輸出負載阻抗轉(zhuǎn)化為一個電壓量，電流互感器在50Hz/60Hz存在0.1°～1°相位漂移，導致電量測量誤差，尤其是在低功率因數(shù)時，這種相位漂移或相位誤差可以通過電容得到補償，C3為相位補償電容。電壓信號采用電阻分壓網(wǎng)絡(luò)的方式進行信號的采集，通過電阻分壓網(wǎng)絡(luò)將電網(wǎng)電壓衰減至一定范圍內(nèi)，再送至電能計量芯片ATT7030A進行處理。在分壓電阻網(wǎng)絡(luò)中，主要注意每個電阻的功耗和耐壓值，須留有余量，防止由于電網(wǎng)電壓的升高或出現(xiàn)接地故障，造成分壓電阻的損壞。
　　
　　1.1.3電源電路部分電源部分采用兩路相互隔離的供電模式，主MCU和通信模塊的電源相互獨立、互不干擾從而提高系統(tǒng)的可靠性。通信的可靠性、數(shù)據(jù)的安全性非常重要，所以在設(shè)計時不但要盡量選用高性能的通信集成電路，還要做好電路的保護，如必要的隔離措施。在本設(shè)計中用光耦對主系統(tǒng)電路和RS485通信電路進行隔離，提高系統(tǒng)抗*力，電路中運用硬件控制通信的收發(fā)操作，避免了用MCU的I/O口控制時，當MCU發(fā)生死機時使整個通信系統(tǒng)癱瘓的危險，圖4中的R38和R39為偏置電阻，用于RS485通信網(wǎng)絡(luò)失效保護。
　　
　　1.2軟件設(shè)計
　　
　　ADL-300EF型導軌式安裝三相電能表的軟件設(shè)計包括程序初始化模塊、主控程序模塊、電量處理模塊、通信處理模塊和顯示處理模塊幾個部分組成，各個部分都在電表系統(tǒng)中完成相應(yīng)的處理任務(wù)，實現(xiàn)相應(yīng)的功能。主控制程序模塊是整個系統(tǒng)的執(zhí)行部分，對其他各模塊進行協(xié)調(diào)、控制和調(diào)度工作，是軟件中zui重要的部分。程序初始化模塊負責使程序進入初始工作狀態(tài)，包括兩個部分：主控制器的初始化和電表各功能模塊的初始化。主控制器的初始化是對主控制器內(nèi)部功能模塊進行初始化，使各功能模塊進入相應(yīng)的初始工作狀態(tài)，如I/O的設(shè)置、各功能模塊的配置等。電表各模塊初始化是為程序運行提供電表各模塊的初始值，以保證主程序的正確運行。電量計量模塊是導軌式電能表中zui基本的功能之一，這部分程序也是軟件系統(tǒng)中zui為關(guān)鍵的程序，程序中對電能計量電路輸出的電能脈沖按不同的時間、不同的費率進行累計并存儲到相應(yīng)的EEPROM存儲器中，掉電時電量數(shù)據(jù)不丟失，保證數(shù)據(jù)的安全，在月度變化時，進行月度電量凍結(jié)，可方便實現(xiàn)歷史電量的查詢。通信部分是電能表與外界的模塊，包括數(shù)據(jù)接收、命令解析及數(shù)據(jù)發(fā)送，在程序中用中斷方式監(jiān)控接收口，當接收到一幀數(shù)據(jù)時，通信程序首*行據(jù)解析，并根據(jù)數(shù)據(jù)內(nèi)容執(zhí)行相應(yīng)功能完成相應(yīng)的操作，通過通信口可與上位機和其他智能配電設(shè)備進行數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)導軌式安裝電能表的遠程監(jiān)控與管理，還可以對多個導軌式安裝電能表進行組網(wǎng)，實現(xiàn)低壓配電終端電能計量的網(wǎng)絡(luò)化管理。顯示處理模塊用于實現(xiàn)各時段電量、時間、日期等數(shù)據(jù)循環(huán)顯示，方便用戶實時查詢、管理電量。
　　
　　1.3產(chǎn)品結(jié)構(gòu)
　　
　　*，目前，國內(nèi)電能表大部分都是壁掛式結(jié)構(gòu)或嵌入式結(jié)構(gòu)，外觀都采用基本方體形，體積相對較大，并且其產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)復雜，接線繁瑣，安裝不便，生產(chǎn)效率低，成本高。ADL300EF型導軌式安裝電能表采用創(chuàng)新結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計簡潔巧妙，體積小巧，安裝接線簡單，可與微斷路器和其他低壓配電控制設(shè)備一起安裝在標準35mm導軌上，提高工作效率，且不需再額外配置電表箱，大大降低低壓配電系統(tǒng)的使用維護成本。ADL-300EF型三相電能表結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。2主要技術(shù)參數(shù)本設(shè)計*符合部標DL/T614和國標GB/T17215中電子式電能表的相關(guān)技術(shù)要求，主要技術(shù)參數(shù)見表1。3應(yīng)用實例本設(shè)計中的ADL-300EF型導軌式安裝三相電表為低壓終端電能計量與管理提供了一種理想的選擇，其模數(shù)化結(jié)構(gòu)，導軌安裝方式如圖7所示。該電能表可方便地與微型斷路器和其他低壓配電設(shè)備一起直接安裝于低壓配電終端，如樓宇、商場、會展中心、學校、機場、港口、工廠、寫字樓及公共設(shè)施等的照明箱、動力箱內(nèi)，作電能計量與管理。4結(jié)語隨著技術(shù)的進步，安裝簡便、抄表簡單、成本低、性能高、智能化的電力儀器儀表在低壓終端配電計量、管理中應(yīng)用越來越受歡迎，ADL-300EF型導軌式安裝三相電能表其微型化結(jié)構(gòu)、新穎的安裝方式、智能化的功能，十分適用于現(xiàn)代低壓配電終端電能的分時復費率計量和低壓配電工程的一體化設(shè)計，同時也節(jié)約了低壓配電施工的成本，使它的應(yīng)用更具現(xiàn)實意義和經(jīng)濟價值