ADL-300EF型导轨式安装三相电能表设计与应用

0 引言
随着经济的飞速发展，各行各业对电的需求越来越大，电力资源紧缺和用电量不均衡的现象十分严重。为缓解电力供需矛盾，提倡节约、合理地使用电能、提高全国的用电效率，已成为国家提倡构建节约型社会的基本国策之一。电能的消耗大量集中在低压配电终端，为了加强终端电能计量的考核和管理，引导用户有效、合理、均衡地利用电能，方便用户现场使用和配电设施升级改造，针对传统挂壁式或电气柜式电能表在现场安装接线的不便，设计一种微型化导轨式安装电能表，具有测量精度高、过载能力强、工作电压范围宽、性能稳定可靠、自身功耗低等优点。并且其体积小巧，外观简洁，结构模数化，可与微型断路器配合使用安装于配电箱内，实现低压配电终端电能计量的一体化设计、管理。
 

1 设计方法
1.1 硬件设计
硬件设计主要由电源电路、计量电路、通信电路和主MCU控制部分组成。系统原理框图如图1所示。

                                    
                                                                                  图1 系统原理框图

电网中的实时电压、电流信号通过采样电路，送到电量计量芯片ATT7030A运算、处理，输出电能脉冲，MC68HC908LJ12芯片对脉冲进行累计、存储、显示和管理实现整个电表功能[1]。
 

1.1.1 主控制器
主控制器为MC68HC908LJ12芯片，该芯片内部集成了两个16位定时器TIM1、TIM2，6通道10位ADC，串行通信接口SCI和串行外围部件扩展接口SPI，且具有12 KB的高速闪存FLASH和512 B的RAM存储器，内置锁相环，可用低频的32.768 kHz的晶振
就可获得32 MHz时钟，使系统的抗干扰能力大大提高。拥有低电压复位、非法操作码复位、非法地址复位等功能，使芯片的可靠性和稳定性大大加强，且自带LCD驱动，使电路结构更加简化。MC68HC908LJ12芯片不但拥有强大的功能，而且具有很高的性价比，可以方便地实现各种测量与控制功能，在电表中有着非常广泛的应用。主控制部分是以MC68HC908LJ12芯片为核心，对其他各个模块进行连接、控制和管理。主控制部分原理如图2所示。

                                               图2 主控制部分原理图

主控MCU的工作原理，实时采集电量脉冲信号并进行累计，根据实时时钟切换费率，保存分时电量，进行月电量冻结，循环显示各时段电量及时间、日期信息，及时保存电量。为方便软硬件设计，RTC电路RX 8025与EEPROM电路24C16A芯片连接在同一I2C网络中，通过不同的设备地址进行读写操作。由于MC68HC908LJ12自带LCD驱动，使显示电路设计变得简单。

1.1.2 信号采集与电能计量

信号采集部分采用炬力集成半导体公司的专用电能计量芯片ATT7030A，该芯片测量精度高、动态工作范围宽、非线性测量误差小，且具有失压和反向指示及高频电能脉冲输出，在三相电能表中有着非常广泛的应用。电网中的至电流、电压芯片信号通过取样电路实时取样后送至ATT7030A芯片，经A/D转换、滤波、相位补偿、积分等运算处理后按照一定的频率输出脉冲信号，主控制器对该脉冲进行累计、运算、存储，实现有功电能正反向的分时计量。电流信号采样是通过电流互感器实现的，此方式实现电网与芯片的隔离，极大地提高系统的稳定性、安全性。电流信号采样原理如图3所示。

                                                                     图3 电流信号采样原理图

图3中的I A1与I A2为电流互感器二次侧信号，且采用差分方式输入，从而获得良好的抗干扰性。电流互感器次级电流由次级绕阻输出负载阻抗转化为一个电压量，电流互感器在50 Hz/60 Hz存在0.1°～1°相位漂移，导致电量测量误差，尤其是在低功率因数时，这种相位漂移或相位误差可以通过电容得到补偿，C 3为相位补偿电容。电压信号采用电阻分压网络的方式进行信号的
采集，通过电阻分压网络将电网电压衰减至一定范围内，再送至电能计量芯片ATT7030A进行处理。在分压电阻网络中，主要注意每个电阻的功耗和耐压值，须留有余量，防止由于电网电压的升高或出现接地故障，造成分压电阻的损坏。
 

1.1.3 电源电路部分
电源部分采用两路相互隔离的供电模式，主MCU和通信模块的电源相互独立、互不干扰从而提高系统的可靠性。
两个电源都是采用标准线性电源电路，通过降压、整流、稳压和滤波四个环节，得到5 V直流电压。三个线性变压器相互独立供电，这样可以保证任意一相有电时，电能表都能正常工作，准确计量。

1.1.4 通信电路部分
通信电路采用半双工RS485接口，该通信方式广泛应用于工业控制、仪器仪表及机电一体化等诸多领域。通信原理图如图4所示。

                                                 图4 通信原理图

通信的可靠性、数据的安全性非常重要，所以在设计时不但要尽量选用高性能的通信集成电路，还要做好电路的保护，如必要的隔离措施。在本设计中用光耦对主系统电路和RS485通信电路进行隔离，提高系统抗干扰能力，电路中运用硬件控制通信的收发操作，避免了用MCU的I/O口控制时，当MCU发生死机时使整个通信系统瘫痪的危险，图4中的R 38和R 39为偏置电阻，用于RS485通信网络失效保护。
 

1.2 软件设计
ADL-300EF型导轨式安装三相电能表的软件设计包括程序初始化模块、主控程序模块、电量处理模块、通信处理模块和显示处理模块几个部分组成，各个部分都在电表系统中完成相应的处理任务，实现相应的功能。
主控制程序模块是整个系统的执行部分，对其他各模块进行协调、控制和调度工作，是软件中最重要的部分。
程序初始化模块负责使程序进入初始工作状态，包括两个部分：主控制器的初始化和电表各功能模块的初始化。主控制器的初始化是对主控制器内部功能模块进行初始化，使各功能模块进入相应的初始工作状态，如I/O的设置、各功能模块的配置等。电表各模块初始化是为程序运行提供电表各模块的初始值，以保证主程序的正确运行。

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