具有远程抄表功能的单相电子式电能表设计

1 引言

　　电能表作为体现电力部门经济效益的唯一计量器具，需要其能正确反映供电与用电的情况。目前，一般的家用全电子式的电能表[1,2]，大多数采用专用计量芯片设计电量计量采集电路，只具有电能计量功能，难于实现分时计量、预付费、定时供电控制[3,4]等功能。在一些用电集中的场所，给施工、抄表、控制等带来困难。该文设计一种单相远程多用户多功能智能化电能表，采用一块微处理器、RS485总线，不仅能实现对多个用户的电能计量，而且还具有分时计量、远程集中抄表、预付费、定时供电控制等功能。

2 带有RS-485 总线接口的单相电能表设计

　　电能表主要由电能计量单元、单片机系统和输出部分组成。电能计量单元主要由电流、电压采样和专用电能表芯片（ADE7755）构成，它的任务是完成电量累积、储存，并同时将电量转换成相应的脉冲分别输出或送入单片机（PIC16C63）进行处理。单片机系统是一个智能数据采集处理和控制单元，它的任务是接收并存储各用户电量，经处理后控制显示器，显示各用户电量，控制对外通信，完成抄表或遥控等功能。输出部分主要包括显示器和对外通信、控制接口等。红外通讯和RS-485接口通讯可同时进行而互不干扰，RS-485总线自动抄表系统的电能表， 单片机可读取电能表的数据，然后将电能表数据传到电力部门的电能管理系统中。系统原理框图1如示。

图1 系统原理框图

2.1 通信电路设计

2.1.1 红外通讯接口硬件电路

　　红外通讯的硬件由发射电路和接收电路两个部分组成，电路如图2所示，具体是由NE555时基电路、红外发光二极管及外围元件组成。其中NE555时基电路和电阻R51、R52和电容C21,构成一个载波频率为f的振荡器。通常固定电容C21调节R51或R52的阻值来改变载波频率值。在实际电路中，我们选取载波频率f为38kHz 。微控器(MCU)的串行通讯口TXD输出的数据进入NE555时基电路的4脚，并控制NE555的起振和停振。NE555的4脚输入高电平“1”时，NE555振荡；当NE555的4脚输入低电平“0”时，NE555停止振荡[5]。

2.1.2 RS-485通讯接口电路设计

　　RS-485通讯电路通过3个光耦器件对单片机电路和RS-485总线电路进行隔离,提高系统的抗干扰能力。光电耦合器件是把发光器件(如发光二极管)和光敏器件(如光敏三极管)组装在一起，通过光线实现耦合构成电-光和光-电的转换器件。当电信号送入光电耦合器的输入端时，发光二极管通过电流而发光，光敏元件受到光照后产生电流，CE导通；当输入端无信号，发光二极管不亮，光敏二极管截止，CE不通。对于数字量，当输入为低电平“ 0”时，光敏三极管截止，输出为高电平“1”；当输入为高电平“1”时，光敏三极管饱和导通，输出为低电平“0”。电路中的TVS1管为隧道二极管并联在RS-485总线A、B线两端,防止尖端电压冲击,对电路进行瞬态保护作用，R46和R47为偏置电阻,进行网络失效保护。但是这个电路没有匹配电阻，在通讯总线设计中应根据实际情况进行匹配电路的设计。RS-485通讯电路中JP2接口是要进行瞬变脉冲和静电干扰的，在设计和选择485转换芯片要特别注意这个问题，电路如图3所示。

2.2 通讯协议

2.2.1 规约的主要内容

（1）物理层

　　红外通信、RS-485总线[page]

（2）链路层

　　本协议为主-从结构的半双工通信方式。手持单元或其它数据终端为主站，电能表为从站。每个电能表均有各自的地址编码通信链路的建立与解除均由主站发出的信息帧来控制。每帧由帧起始符、从站地址域、控制码、数据长度、数据域、帧信息纵向校验码及帧结束符等7个域组成。每部分由若干字节组成。

(3)应用层

　　可分为对读数据、写数据、写设备地址、修改密码等的规定。

2.2.2 主站发布正常通信命令类型及信道中数据传输格式

（1）主站读数据集合

　　主站读数据集合如表1所示。

图2 红外发射和接收电路

图3 RS-485通讯接口电路

（2）主站向从站编程数据

　　主站向从站编程数据如表2所示。

3 软件设计

3.1 电能表软件系统主程序设计

　　电能表软件系统主程序如图4所示。包括整个程序初始化部分、显示刷新处理部分、通讯帧命令处理部分、电量运算及储存部分、电量结算处理部分以及其他事件处理部分。整个程序是通过查询方式执行的，通过查询电表事件发生的条件情况，判断电能表事件是否发生，来执行相应的操作，这种执行方式只要保证CPU的执行速度足够快，是能够保证事件响应的时效性的。

图4 电能表软件系统主程序框图[page]

3.2 通信主程序设计

　　在通讯处理模块算法中，它包含通讯接收帧事件和通讯发送帧事件，当程序查询到通讯接收帧完标志置位时，通讯接收帧事件发生，程序进行通讯格式的判断，如果通讯格式正确，再进行通讯地址的比较，如果通讯帧中的地址域是本机地址或广播地址，表示是对本机通讯，则程序进行通讯命令的解释及执行，同时如果要返回数据帧，置通讯发送标志，准备好发送数据帧，则通讯发送数据帧事件发生，启动发送数据。

4 单相电能表系统测量误差分析

4.1 电流回路测量误差

　　由于电流回路中存在电能计量芯片中，也就是电流信号输入电能计量芯片中的通道1运算放大器中，一般取运算放大器的输入电流为零[6,7]，所以其电流回路的等效电路为图5所示。

图5 电流通道电路

　　由于电阻是线性元器件，其误差也为线性误差，可以进行线性补偿为零                      即
　　所以 由R5决定。如取R5精度为0.5%，则电流回路测量误差。

4.2 电压回路测量误差

　　由电压回路等效电路如图6所示。

图6 电压通道等效电路

　　由 ，

　　设R1、R2、R3的测量误差精度为0.5%，所以电压回路测量误差。

4.3 测量误差

　　由芯片ADE7755测量误差精度为0.1%， 为ADE7755的测量误差， 所以。

4.4 电能总测量误差

　　由于系统测量回路是由电流回路、电压回路、ADE7755所构成，所以系统总误差为电流回路测量、电压回路测量及ADE7755测量的合成误差。

　　总测量误差。

5 结论

　　该智能表控制系统经过测试表明，性能稳定、能够计量正、反向有供电能、四象限无功电能，并具有分时计费、数据存储、异常监测、远方通信、远程集中抄表、预付费、多费率等多项功能，总测量误差小、功耗低、计费准确，适用于多用户集中控制的场合。