電子電度表設(shè)計(jì)方案

與傳統(tǒng)的機(jī)械電度表相比，電子電度表能實(shí)現(xiàn)記錄用電時(shí)間、預(yù)付費(fèi)、自動(dòng)讀表三種重要的功能，而且具有精度高、低功耗、低功率因素檢測(cè)和精確的有功功率測(cè)量和防亂接行為檢測(cè)等功能特性。通過(guò)本文，你可以進(jìn)一步深入了解電子電度表如何實(shí)現(xiàn)這些功能特性，以及基于單片模擬前端芯片MCP3905/6和閃存微控制器PIC18F8490的電子電度表設(shè)計(jì)方案。

配電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)由兩個(gè)同等重要的部分構(gòu)成：網(wǎng)絡(luò)的物理布線；測(cè)量用電量的電度表系統(tǒng)。電子電度表已經(jīng)成為那些新用戶增長(zhǎng)快速的地區(qū)的自然選擇，由于這些地區(qū)沒(méi)有沿用下來(lái)的機(jī)械式電度表，為充分利用電子方案所具備的新功能優(yōu)勢(shì)提供了理想的環(huán)境。

電子電度表的靈活性允許實(shí)現(xiàn)過(guò)去機(jī)械式電度表所做不到的三項(xiàng)重要的計(jì)費(fèi)功能，即記錄用電時(shí)間、預(yù)付費(fèi)、自動(dòng)讀表。

記錄用電時(shí)間技術(shù)的基礎(chǔ)是電度表具備記錄每天不同時(shí)間段的能耗，并針對(duì)每個(gè)時(shí)段采用不同費(fèi)率的功能。這種功能是電力公司的重要工具，因?yàn)樗兄诠膭?lì)用戶每天合理地使用電力、平衡能耗并降低用電高峰，從而優(yōu)化整個(gè)電網(wǎng)的使用。

圖1：MCP3905/6 與PIC18F8490微控制配合用于LCD顯示和 AMR功能。

預(yù)付費(fèi)技術(shù)要求電度表實(shí)際控制供電，只要證明客戶提供的付款(通過(guò)磁卡、智能卡和其它技術(shù))嚴(yán)格達(dá)到授信額度的要求。顯然，電力公司因免去了現(xiàn)金的征收成本而獲益匪淺。

為了執(zhí)行記錄用電時(shí)間和/或預(yù)付費(fèi)功能，電子電度表采用時(shí)鐘和日歷精確地跟蹤用電時(shí)間，如一天的每一個(gè)小時(shí)和一周的每一天(周末通常都不是用電高峰期)。

自動(dòng)讀表(AMR)技術(shù)指的是電度表利用專(zhuān)用線路和/或現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施將讀數(shù)傳送到全自動(dòng)計(jì)費(fèi)和通信中心的技術(shù)。目前，在各地區(qū)實(shí)現(xiàn)AMR的技術(shù)有如下幾種，包括：短距離RF應(yīng)用，ZigBee協(xié)議開(kāi)始成為重要的競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)；長(zhǎng)距離RF應(yīng)用，例如接入現(xiàn)有的蜂窩電話網(wǎng)絡(luò)；數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)器，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的電話線；電力線載波(PLC)，利用配電網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)短到中距離數(shù)據(jù)通信。

更常見(jiàn)的情況是采用部分自動(dòng)采集系統(tǒng)，因?yàn)檫@種方法提供了成本和可靠性的更佳折衷。在發(fā)展中地區(qū)尤其如此，那里在安裝電度表時(shí)還沒(méi)有完整的通信基礎(chǔ)設(shè)施，勞動(dòng)力可能仍然相對(duì)便宜。電力公司不需要電度表直接與計(jì)費(fèi)中心通信，在同一建筑中一個(gè)或多個(gè)電度表的讀數(shù)被采集到一個(gè)點(diǎn)，在那里由工作人員通過(guò)連接電子讀表設(shè)備來(lái)讀取。電度表和電子讀表設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸可靠(優(yōu)于手工抄表)，速度、精度和整個(gè)抄表過(guò)程的總效率提高，這就證明采用AMR技術(shù)的可行性，即使采用這種方法有可能一次僅抄取一只電度表的讀數(shù)。部分自動(dòng)采集方案通常采用下列技術(shù)之一來(lái)實(shí)現(xiàn)與讀表設(shè)備之間的連接：串行端口(RS-485)用于聯(lián)網(wǎng)一個(gè)位置(如大樓)內(nèi)的所有電度表；紅外連接用于實(shí)現(xiàn)到實(shí)際讀表設(shè)備的連接，通常通過(guò)電度表面板。

目前，在中國(guó)紅外連接應(yīng)用已經(jīng)被編撰到針對(duì)電度表的專(zhuān)用DL/T645規(guī)范之中的情況，它定義的紅外協(xié)議物理層與其它常見(jiàn)的紅外應(yīng)用有很大差異。

其它重要的功能特性

提高精度：電子電度表可以輕松地達(dá)到0.2%的精度，而機(jī)械電度表的典型精度是2%。因此，一個(gè)單一的電子硬件平臺(tái)能滿足大量電度表應(yīng)用的需求，能提高產(chǎn)量并降低成本。

圖2：專(zhuān)用的32kHz振蕩器和定時(shí)器用于RTCC應(yīng)用。

低功耗：電力行業(yè)通常接受耗電量最多為2W的電度表方案。顯然，即使如此少的耗電量，當(dāng)安裝量達(dá)到數(shù)百萬(wàn)只時(shí)，仍會(huì)導(dǎo)致巨大的電力成本。

低功率因素檢測(cè)和精確的有功功率測(cè)量：近年來(lái)，電機(jī)、公路照明和其它低功率因素應(yīng)用的耗能比例增幅巨大(據(jù)稱(chēng)僅電機(jī)就占平均負(fù)載的40%)，由于無(wú)功功率成分(未測(cè)量)浪費(fèi)了寶貴的電能，給電力設(shè)施帶來(lái)了沉重的負(fù)擔(dān)。

防亂接行為檢測(cè)：反接電度表實(shí)施盜電在某些地區(qū)可能相當(dāng)猖獗，因此現(xiàn)在的電度表都專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了識(shí)別盜電的功能，例如：負(fù)載接地-檢測(cè)回路電流(和不平衡負(fù)載)；電流路徑逆轉(zhuǎn)-檢測(cè)改接電度表的企圖；永久磁鐵線圈飽和-利用分路和不同通道上的線圈并比較結(jié)果；主電壓斷開(kāi)-能檢測(cè)到主電壓斷開(kāi)，還能提供次電壓源。

電子電度表便于檢測(cè)

為了滿足電力行業(yè)的需要，并幫助設(shè)計(jì)先進(jìn)的電子電度表，一些半導(dǎo)體制造商已經(jīng)開(kāi)發(fā)了更為新穎、簡(jiǎn)單和靈活的解決方案。這些方案中的第一個(gè)配套電路就是將執(zhí)行電壓和電流乘積需要的所有模擬功能集成到單片模擬前端(AFE)之中，例如Microchip技術(shù)公司的 MCP3905/6器件，這種電度表AFE的功能包括：

兩個(gè)16位delta-sigma A/D轉(zhuǎn)換器提供高達(dá)1000:1的動(dòng)態(tài)范圍(在MCP3906中)和0.1%的典型精度；

提供極小的28引腳SSOP封裝，當(dāng)工作在-40到+85℃溫度范圍內(nèi)時(shí)，它僅僅消耗5mA的典型電流(功耗的典型值是25mW或僅僅是2W預(yù)算的一小部分)，參考熱漂移僅僅為15ppm/℃；

可編程增益放大器與電流感應(yīng)通道的高靈敏度相結(jié)合，允許使用很低的分路電阻值(低于200μΩ)；

當(dāng)檢測(cè)到負(fù)功率的情況(線路反接)時(shí)，提供反接自動(dòng)報(bào)警。

MCP3905/6只要幾個(gè)外部元件就能實(shí)現(xiàn)完整和廉價(jià)的單相電度表設(shè)計(jì)。而如果將其與先進(jìn)的閃存微控制器如PIC18F8490配合使用(圖1)，則可增強(qiáng)性能。

PIC18系列高性能8位微控制器有100多個(gè)基于閃存技術(shù)的型號(hào)，配備了對(duì)電度表應(yīng)用至關(guān)重要的各種功能和外設(shè)，以PIC18F8490為例，可用的功能包括：

直接與MCP3905/6 AFE(具有調(diào)頻有功功率輸出)接口的輸入捕獲和比較邏輯；

片上LCD顯示驅(qū)動(dòng)器，允許對(duì)復(fù)雜LCD顯示(高達(dá)192段顯示)實(shí)現(xiàn)低功耗和廉價(jià)的控制；

16KB增強(qiáng)型閃存程序存儲(chǔ)器，允許在線(生產(chǎn))編程和校準(zhǔn)及方便的現(xiàn)場(chǎng)固件升級(jí)；

靈活的編碼保護(hù)機(jī)制，為實(shí)現(xiàn)計(jì)費(fèi)和AMR應(yīng)用所使用的密碼提供必要的安全措施；

用于功率管理的納瓦技術(shù)，允許電度表以非常低的功耗工作，以維持電度表的使用壽命，并在執(zhí)行AMR和記費(fèi)功能時(shí)維持高性能；

片上低功耗32 kHz振蕩器用做實(shí)時(shí)鐘和日歷，以支持“用電時(shí)間”和其它先進(jìn)的計(jì)費(fèi)功能(圖2)；

靈活的異步串行端口，能夠支持RS485及DL/T645紅外自動(dòng)電度表讀表應(yīng)用；

靈活的同步串行端口，支持連接到外部使用I2C 和/或SPI協(xié)議的非易失性存儲(chǔ)器件(串行EEPROM)；

片上10位A/D轉(zhuǎn)換器，支持防反接功能和/或溫度感應(yīng)功能；

斷電檢測(cè)和低壓檢測(cè)電路，提高魯棒性并增加防反接功能。