电子电度表带来电力计量应用的变革

与传统的机械电度表相比，电子电度表能实现记录用电时间、预付费、自动读表三种重要的功能，而且具有精度高、低功耗、低功率因素检测和精确的有功功率测量和防乱接行为检测等功能特性。通过本文，你可以进一步深入了解电子电度表如何实现这些功能特性，以及基于单片模拟前端芯片MCP3905/6和闪存微控制器PIC18F8490的电子电度表设计方案。
 
配电网络的设计由两个同等重要的部分构成：网络的物理布线；测量用电量的电度表系统。电子电度表已经成为那些新用户增长快速的地区的自然选择，由于这些地区没有沿用下来的机械式电度表，为充分利用电子方案所具备的新功能优势提供了理想的环境。

电子电度表的灵活性允许实现过去机械式电度表所做不到的三项重要的计费功能，即记录用电时间、预付费、自动读表。

记录用电时间技术的基础是电度表具备记录每天不同时间段的能耗，并针对每个时段采用不同费率的功能。这种功能是电力公司的重要工具，因为它有助于鼓励用户每天合理地使用电力、平衡能耗并降低用电高峰，从而优化整个电网的使用。

图1：MCP3905/6 与PIC18F8490微控制配合用于LCD显示和 AMR功能。

预付费技术要求电度表实际控制供电，只要证明客户提供的付款(通过磁卡、智能卡和其它技术)严格达到授信额度的要求。显然，电力公司因免去了现金的征收成本而获益匪浅。

为了执行记录用电时间和/或预付费功能，电子电度表采用时钟和日历精确地跟踪用电时间，如一天的每一个小时和一周的每一天(周末通常都不是用电高峰期)。

自动读表(AMR)技术指的是电度表利用专用线路和/或现有的网络基础设施将读数传送到全自动计费和通信中心的技术。目前，在各地区实现AMR的技术有如下几种，包括：短距离RF应用，ZigBee协议开始成为重要的竞争技术；长距离RF应用，例如接入现有的蜂窝电话网络；数据调制解调器，通过标准的电话线；电力线载波(PLC)，利用配电网络实现短到中距离数据通信。

更常见的情况是采用部分自动采集系统，因为这种方法提供了成本和可靠性的更佳折衷。在发展中地区尤其如此，那里在安装电度表时还没有完整的通信基础设施，劳动力可能仍然相对便宜。电力公司不需要电度表直接与计费中心通信，在同一建筑中一个或多个电度表的读数被采集到一个点，在那里由工作人员通过连接电子读表设备来读取。电度表和电子读表设备之间的数据传输可靠(优于手工抄表)，速度、精度和整个抄表过程的总效率提高，这就证明采用AMR技术的可行性，即使采用这种方法有可能一次仅抄取一只电度表的读数。部分自动采集方案通常采用下列技术之一来实现与读表设备之间的连接：串行端口(RS-485)用于联网一个位置(如大楼)内的所有电度表；红外连接用于实现到实际读表设备的连接，通常通过电度表面板。

目前，在中国红外连接应用已经被编撰到针对电度表的专用DL/T645规范之中的情况，它定义的红外协议物理层与其它常见的红外应用有很大差异。

其它重要的功能特性

提高精度：电子电度表可以轻松地达到0.2%的精度，而机械电度表的典型精度是2%。因此，一个单一的电子硬件平台能满足大量电度表应用的需求，能提高产量并降低成本。

图2：专用的32kHz振荡器和定时器用于RTCC应用。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

低功耗：电力行业通常接受耗电量最多为2W的电度表方案。显然，即使如此少的耗电量，当安装量达到数百万只时，仍会导致巨大的电力成本。

低功率因素检测和精确的有功功率测量：近年来，电机、公路照明和其它低功率因素应用的耗能比例增幅巨大(据称仅电机就占平均负载的40%)，由于无功功率成分(未测量)浪费了宝贵的电能，给电力设施带来了沉重的负担。

防乱接行为检测：反接电度表实施盗电在某些地区可能相当猖獗，因此现在的电度表都专门设计了识别盗电的功能，例如：负载接地-检测回路电流(和不平衡负载)；电流路径逆转-检测改接电度表的企图；永久磁铁线圈饱和-利用分路和不同通道上的线圈并比较结果；主电压断开-能检测到主电压断开，还能提供次电压源。

电子电度表便于检测

为了满足电力行业的需要，并帮助设计先进的电子电度表，一些半导体制造商已经开发了更为新颖、简单和灵活的解决方案。这些方案中的第一个配套电路就是将执行电压和电流乘积需要的所有模拟功能集成到单片模拟前端(AFE)之中，例如Microchip技术公司的 MCP3905/6器件，这种电度表AFE的功能包括：

两个16位delta-sigma A/D转换器提供高达1000:1的动态范围(在MCP3906中)和0.1%的典型精度；

提供极小的28引脚SSOP封装，当工作在-40到+85℃温度范围内时，它仅仅消耗5mA的典型电流(功耗的典型值是25mW或仅仅是2W预算的一小部分)，参考热漂移仅仅为15ppm/℃；

可编程增益放大器与电流感应通道的高灵敏度相结合，允许使用很低的分路电阻值(低于200μΩ)；

当检测到负功率的情况(线路反接)时，提供反接自动报警。

MCP3905/6只要几个外部元件就能实现完整和廉价的单相电度表设计。而如果将其与先进的闪存微控制器如PIC18F8490配合使用(图1)，则可增强性能。

PIC18系列高性能8位微控制器有100多个基于闪存技术的型号，配备了对电度表应用至关重要的各种功能和外设，以PIC18F8490为例，可用的功能包括：

直接与MCP3905/6 AFE(具有调频有功功率输出)接口的输入捕获和比较逻辑；

片上LCD显示驱动器，允许对复杂LCD显示(高达192段显示)实现低功耗和廉价的控制；

16KB增强型闪存程序存储器，允许在线(生产)编程和校准及方便的现场固件升级；

灵活的编码保护机制，为实现计费和AMR应用所使用的密码提供必要的安全措施；

用于功率管理的纳瓦技术，允许电度表以非常低的功耗工作，以维持电度表的使用寿命，并在执行AMR和记费功能时维持高性能；

片上低功耗32 kHz振荡器用做实时钟和日历，以支持“用电时间”和其它先进的计费功能(图2)；

灵活的异步串行端口，能够支持RS485及DL/T645红外自动电度表读表应用；

灵活的同步串行端口，支持连接到外部使用I2C 和/或SPI协议的非易失性存储器件(串行EEPROM)；

片上10位A/D转换器，支持防反接功能和/或温度感应功能；

断电检测和低压检测电路，提高鲁棒性并增加防反接功能。