摘要：介紹了一款以MC68HC908LJ12為主控芯片的導(dǎo)軌式安裝三相電能表，闡述了其工作原理、軟硬件設(shè)計(jì)方法及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并給出了在低壓配電終端的應(yīng)用實(shí)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(jì)量，實(shí)現(xiàn)了用電計(jì)量管理的自動(dòng)化。
　　
　　關(guān)鍵詞：導(dǎo)軌式安裝；三相電能表；低壓配電終端中圖分類號(hào)：TM933.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B文章編號(hào)：1007-3175（2009）
　　
　　0引言
　　
　　隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，各行各業(yè)對(duì)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(yán)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(guó)的用電效率，已成為國(guó)家提倡構(gòu)建節(jié)約型社會(huì)的基本國(guó)策之一。電能的消耗大量集中在低壓配電終端，為了加強(qiáng)終端電能計(jì)量的考核和管理，引導(dǎo)用戶有效、合理、均衡地利用電能，方便用戶現(xiàn)場(chǎng)使用和配電設(shè)施升級(jí)改造，針對(duì)傳統(tǒng)掛壁式或電氣柜式電能表在現(xiàn)場(chǎng)安裝接線的不便，設(shè)計(jì)一種微型化導(dǎo)軌式安裝電能表，具有測(cè)量精度高、過載能力強(qiáng)、工作電壓范圍寬、性能穩(wěn)定可靠、自身功耗低等優(yōu)點(diǎn)。并且其體積小巧，外觀簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)低壓配電終端電能計(jì)量的一體化設(shè)計(jì)、管理。
　　
　　1設(shè)計(jì)方法
　　
　　1.1硬件設(shè)計(jì)
　　
　　硬件設(shè)計(jì)主要由電源電路、計(jì)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(shí)時(shí)電壓、電流信號(hào)通過采樣電路，送到電量計(jì)量芯片ATT7030A運(yùn)算、處理，輸出電能脈沖，MC68HC908LJ12芯片對(duì)脈沖進(jìn)行累計(jì)、存儲(chǔ)、顯示和管理實(shí)現(xiàn)整個(gè)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(gè)16位定時(shí)器TIM1、TIM2，6通道10位ADC，串行通信接口SCI和串行外圍部件擴(kuò)展接口SPI，且具有12KB的高速閃存FLASH和512B的RAM存儲(chǔ)器，內(nèi)置鎖相環(huán)，可用低頻的32.768kHz的晶振就可獲得32MHz時(shí)鐘，使系統(tǒng)的抗*力大大提高。擁有低電壓復(fù)位、非法操作碼復(fù)位、非法地址復(fù)位等功能，使芯片的可靠性和穩(wěn)定性大大加強(qiáng)，且自帶LCD驅(qū)動(dòng)，使電路結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)化。MC68HC908LJ12芯片不但擁有強(qiáng)大的功能，而且具有很高的性價(jià)比，可以方便地實(shí)現(xiàn)各種測(cè)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(duì)其他各個(gè)模塊進(jìn)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(shí)時(shí)采集電量脈沖信號(hào)并進(jìn)行累計(jì)，根據(jù)實(shí)時(shí)時(shí)鐘切換費(fèi)率，保存分時(shí)電量，進(jìn)行月電量?jī)鼋Y(jié)，循環(huán)顯示各時(shí)段電量及時(shí)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(dǎo)軌式安裝三相電能表設(shè)計(jì)與應(yīng)用間、日期信息，及時(shí)保存電量。為方便軟硬件設(shè)計(jì)，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(jìn)行讀寫操作。由于MC68HC908LJ12自帶LCD驅(qū)動(dòng)，使顯示電路設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單。
　　
　　1.1.2信號(hào)采集與電能計(jì)量
　　
　　信號(hào)采集部分采用炬力集成半導(dǎo)體公司的電能計(jì)量芯片ATT7030A，該芯片測(cè)量精度高、動(dòng)態(tài)工作范圍寬、非線性測(cè)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(hào)通過取樣電路實(shí)時(shí)取樣后送至ATT7030A芯片，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換、濾波、相位補(bǔ)償、積分等運(yùn)算處理后按照一定的頻率輸出脈沖信號(hào)，主控制器對(duì)該脈沖進(jìn)行累計(jì)、運(yùn)算、存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)有功電能正反向的分時(shí)計(jì)量。電流信號(hào)采樣是通過電流互感器實(shí)現(xiàn)的，此方式實(shí)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(hào)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(hào)，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(jí)電流由次級(jí)繞阻輸出負(fù)載阻抗轉(zhuǎn)化為一個(gè)電壓量，電流互感器在50Hz/60Hz存在0.1°～1°相位漂移，導(dǎo)致電量測(cè)量誤差，尤其是在低功率因數(shù)時(shí)，這種相位漂移或相位誤差可以通過電容得到補(bǔ)償，C3為相位補(bǔ)償電容。電壓信號(hào)采用電阻分壓網(wǎng)絡(luò)的方式進(jìn)行信號(hào)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(jì)量芯片ATT7030A進(jìn)行處理。在分壓電阻網(wǎng)絡(luò)中，主要注意每個(gè)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(dú)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(jì)時(shí)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(hù)，如必要的隔離措施。在本設(shè)計(jì)中用光耦對(duì)主系統(tǒng)電路和RS485通信電路進(jìn)行隔離，提高系統(tǒng)抗*力，電路中運(yùn)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(shí)，當(dāng)MCU發(fā)生死機(jī)時(shí)使整個(gè)通信系統(tǒng)癱瘓的危險(xiǎn)，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(hù)。
　　
　　1.2軟件設(shè)計(jì)
　　
　　ADL-300EF型導(dǎo)軌式安裝三相電能表的軟件設(shè)計(jì)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(gè)部分組成，各個(gè)部分都在電表系統(tǒng)中完成相應(yīng)的處理任務(wù)，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。主控制程序模塊是整個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行部分，對(duì)其他各模塊進(jìn)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(fù)責(zé)使程序進(jìn)入初始工作狀態(tài)，包括兩個(gè)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(duì)主控制器內(nèi)部功能模塊進(jìn)行初始化，使各功能模塊進(jìn)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(yùn)行提供電表各模塊的初始值，以保證主程序的正確運(yùn)行。電量計(jì)量模塊是導(dǎo)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(duì)電能計(jì)量電路輸出的電能脈沖按不同的時(shí)間、不同的費(fèi)率進(jìn)行累計(jì)并存儲(chǔ)到相應(yīng)的EEPROM存儲(chǔ)器中，掉電時(shí)電量數(shù)據(jù)不丟失，保證數(shù)據(jù)的安全，在月度變化時(shí)，進(jìn)行月度電量?jī)鼋Y(jié)，可方便實(shí)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(dāng)接收到一幀數(shù)據(jù)時(shí)，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(jī)和其他智能配電設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)軌式安裝電能表的遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理，還可以對(duì)多個(gè)導(dǎo)軌式安裝電能表進(jìn)行組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)低壓配電終端電能計(jì)量的網(wǎng)絡(luò)化管理。顯示處理模塊用于實(shí)現(xiàn)各時(shí)段電量、時(shí)間、日期等數(shù)據(jù)循環(huán)顯示，方便用戶實(shí)時(shí)查詢、管理電量。
　　
　　1.3產(chǎn)品結(jié)構(gòu)
　　
　　*，目前，國(guó)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(duì)較大，并且其產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，接線繁瑣，安裝不便，生產(chǎn)效率低，成本高。ADL300EF型導(dǎo)軌式安裝電能表采用創(chuàng)新結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔巧妙，體積小巧，安裝接線簡(jiǎn)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(biāo)準(zhǔn)35mm導(dǎo)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(hù)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(jì)*符合部標(biāo)DL/T614和國(guó)標(biāo)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(shí)例本設(shè)計(jì)中的ADL-300EF型導(dǎo)軌式安裝三相電表為低壓終端電能計(jì)量與管理提供了一種理想的選擇，其模數(shù)化結(jié)構(gòu)，導(dǎo)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(chǎng)、會(huì)展中心、學(xué)校、機(jī)場(chǎng)、港口、工廠、寫字樓及公共設(shè)施等的照明箱、動(dòng)力箱內(nèi)，作電能計(jì)量與管理。4結(jié)語(yǔ)隨著技術(shù)的進(jìn)步，安裝簡(jiǎn)便、抄表簡(jiǎn)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(jì)量、管理中應(yīng)用越來越受歡迎，ADL-300EF型導(dǎo)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(shí)復(fù)費(fèi)率計(jì)量和低壓配電工程的一體化設(shè)計(jì)，同時(shí)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(shí)意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值