电能计量研究[文献综述].doc

1、 1 本科毕业设计 (论文 )文献综述 电子信息 工程 电能计量研究 摘要 本文主要从芯片的测量精度、成本、功能等方面阐述了采用不同芯片来进行电能计量的特点。 关键词 电能计量； SD3003； ADE7753； ADE7758；成本；精度 1.背景意义 随着家用电器在居民日常生活中的普及，在给人们带来便利的同时，其安全性也日益引起人们的重视。普通插座通常有一定的额定电流和额定功率，长时间超过额定功率工作插座线材容易烤焦变黄，甚至造成线路短路引起火灾。普通消费者一般不会关心插座上接了多少大功率用电器，有没有超出额定功率，根本 没有意识到这样的危险性，形成较大的安全隐患。 随着经济的飞速发展，能

2、源紧张、环境恶化已受到全球的密切关注，能源是发展国民经济的重要基础，为了响应国家号召，走可持续发展的道路，节能降耗是首要任务。其中，电能在所有能源中消耗量比较大，对电能的统一管理显得尤为重要。只有对电能进行准确可靠的计量，才能从真正意义上节约电能。 2.发展现状 电能计量插座是日常生活中非常重要的一个部分，特别是在现代社会中 ,有着不可替代的作用。随着社会的不断发展，对电能消耗的精度要求越来越高 ,而且 ,还要求这些插座能准确计量 ,有很好的可靠性 。这当中 ,电能插座就扮演了一个非常重要的角色。但是也正由于插座应用面广 ,作用大 ,更要求广大电能插座设计者和生产厂商从美观实用 ,精确可靠 ,

3、成本低廉等多方面来详加考虑 ,所以对电能插座的研究是非常急需和必要的 【 1】 。在这种大背景下 ,我觉得对电能计量插座的研究是一件非常有意义的课题。同时 , 机械式电能表向电子式电能表转型时代全面来临。电能表作为电工仪器仪表中的一个子类产品，是用于电力系统发电、输电、变电、配电、用电等各个环节电能计量的法定计量器具，可分为感应式电能表和电子式电能表。近几年来为缓解电力紧张，国家出台了 一系列政策促进电能表产品的技术升级。峰谷分2 时计费政策的实施，扩大两部制电价实施范围，电力部门对功耗的要求、对产品稳定性要求的提高，令传统的机械式电能表已不能满足这种市场需求，电能表行业开始向技术创新过渡，产

4、品的更新进度明显加快，高技术、高附加值产品不断涌现，从机械式电能表向电子式电能表转型时代全面来临 【 2】 。 3.系统框图及说明 系统框图说明：电压和电流在经过采集电路后，通过引脚输入到电能计量芯片。电流和电压各自经过 AD 转换，然后分别通过增益及各种运算，转换成有效数值，然后相乘得出电能功率，在乘以每度的单价 得出电费。而这些数据通过电能计量芯片传输给 LED 显示设备，由他来告诉人们想知道的数据。 图 1 系统框图 4.方案设计 方案一： 采用 SOC 芯片 SD3003 的方案 1.SD3003 的功能特点： 1) SD3003 是 LCD/LED 显示的电能计量的 SOC 解决方案

5、，可以极大的降低计量插座等产品的设计复杂度，降低成本 ； 2) 高精度电能计量，计量精度满足一级电表使用要求； 3) 提供电压有效值和电流有效值； 4) 可以计算有功功率、功率因数； 5) 可以计算交流电频率； 6) 提供高频校验脉冲输出，用于校表； 电压 电流 电 能 计 量 芯片 电能 电费 LED 显示 采集电路3 7) 可以对电量进行累计计算； 8) 154 的 LCD 驱动电路，可切换为 I/O，支持 LED 驱动； 9) 带 RTC，可以提供 24 小时的时间显示； 10) 带 UART 和 I2C 接口； 11) 程序存储器为 2K16 OTP，可以在线烧录；数据存储器 128B

6、YTES； 12) 工作电压：计量部分 4.5-5.5V，其他部分 2.4-5.5V ； 2.设计思路 如图 2 所示，电源部分采用经典的阻容降压电路；电压采用电阻分压采样；电流是采用锰铜采样；显示可以选择 LCD 或者 LED，时钟采用 32.768KHZ 时钟， 内部有 PLL 进行倍频，也可以采用外部的高频时钟；需要外接 EEPROM 进行电量、校正系数等的存储 【 3 】【 4】 。 芯片自带两路 -型 ADC，对交流电压、电流信号进行采集，并进行低通和高通滤波，计算出电压有效值，电流有效值；电压和电流相乘并经过滤波处理得到功率信号和电量脉冲信号；芯片内部带有计数器对电量脉冲信号进行累

7、加计数，从而得到总电量；另外芯片内部自带 RTC电路，可以自己记录 24小时的时间，并可以用来分析用电高峰。 本方案校表过程比较简单，只要加上额定电压，电流信号后，按校表按键就自动完成功率、电压、电流的 校正 。 如图 2 所示，该方案没有采取任何特殊的保护措施，可以轻松过4KV 以上的群脉冲试验，具有很强的抗干扰能力。 4 图 2 SD3004 设计电路 方案二： 采用 ADE7753 1.芯片特点 ADE7753是美国 ADI公司生产的带串行接口和脉冲输出的高精度有功和视在能量计量芯片 。该芯片支持 IEC61036 和 IEC61268 协议，能测量交流电压和电流的有效值、有功功率、无功

8、功率和视在功率等参数；能够进行有功功率的有效累计，并能对能量、相位和输入偏移进行数字校正，保证了精确输出；测量误差在 l 000： 1 的动态范围内 小于 0 1；片内集成有过压欠压检测电路、参考电压源和温度传感器，绝对误差在 30C 以内 【 5】 。 2.设计思路 ADE7753 内部共有 42 个用于与外部进行数据交换的寄存器，有的只能读，有的既能读又能写；有的数据长度只有 6 位，有的长度为 24 位；有的用于存储测量数据。有的用于完5 成芯片的设定，有的用于指示芯片的工作状态。从图 3 可看到，电流信号经放大 MD 转换后，经数字高通滤波器处理 (可选功能 )，如电流信号采集用的是

9、d dt 传感器，还需经积分器对其进行积分。才得到可用于电流有效值和电能计算的电流数据；电压信号经放大 A D 转换后，经相位校正 (根据电流、电压之间相位的实际失调情况进行校正设置 )处理 【 7】 才得到可用于电压有效值和电能计算的电压数据。电流数据与电压数据相乘并进行低通滤波再累计。并用 APOS 寄存器中的设定值进行有功失调校正再用 WGAIN 寄存器中的设定值进行有功误差校正，即得到满足精度要求的有功电能值。该值经 CFNUM 寄存器和 CFDEN 寄存器的值进行乘除处理后，送出与表计电脉冲常数相对应、与实际电功率成比例的电脉冲信号。电流数据经移相 90。后与电压数据相乘得到无功电能

10、数据。 ADE7753 芯片本身对该数据既不 进行失调校正，也不进行误差校正。 CPU 读出该值后。需进行校正计算，才可得到与实际相符的无功电能值。电流有效值和电压有效值是通过对各自信号数据进行均方根计算，并通过失调校正后得到的。电流与电压的有效值相乘，再累计。并用 VA GAIN 寄存器中的设定值进行视在电能的误差校正。即得到满足精度要求的视在电能值。由于用于视在电能计算的电流有效值、电压有效值其失调均可独立进行，因此无需单独对视在电能进行失调校正 【 8】【 9】 。 图 3 ADE7753 工作原理框图 方案三： 采用 ADE7758 1.芯片特点 ADE7758 为三相高精度电能计量

11、IC，其有功电能计量在 1000： 1 的动态输入范围内误差小于 0 1，电流有效值计量在 500： l 的动态输入范围内误差小于 0 5，电压有效值计6 量在 20： l 的动态输入范围内误差于 0 5，支持 IEc60687、 IEC61036、 mc61268、 C62053 21、 IEC62053 22 以及 IEC62053 23 等标准，适用于 3 相 3 线制或 4 线制供电系统。 ADE7758 具有 6 路独立的模拟输入，分为电流输入通道和电压输入通道两类：对于电流输入通道，输入带宽为 14 kHz，可接受最大 0 5 V 的 差分输入电压，使用二阶 24 位艺一型模数转换

12、器，在 10 MH 系统晶振频率下，转换速率为 78 125 kSPS；对于电压输入通道，输入带宽为 260 Hz，可接受最大 0 5 V 的差分输入电压，使用二阶 16 位一型模数转换器，转换速率为 78 125 ksPS。 ADE7758 拥有 74 个有效的寄存器资源可供主控单元通过 SPI(Serial Peripheral Interface)串行外围接口进行访问，其可以实现的功能包括：各相电压电流有效值测量、有功无功及视在电能计量、频率或周期测量、各相采样数据或功率信息输出 、双脉冲输出、欠压及过压监测、过电流监测、电压电流峰值监测等此外提供的补偿校准功能有：可编程电压电流输入增益

13、、电压通道相位补偿、电压电流有效值增益、电能测量补偿等。 2.设计思路 首先，如图 4，每相线路的电压电流信号经过采集电路后，传送到 ADE7758 对应的引脚，经模数转换器转换成数量之后，电压信号经过有效值增益调整、 LPFl 低通滤波器 (用于滤除高频无关信息 )、平方运算、 LPF2(用于得到直流成分 )、开方运算、有效值补偿校准后得到电压有效值数据；电流信号经过电流增益调整、 HPFI 高通滤波器 (主要用于滤除直流 成分 )、平方运算、 IJP 乃 (用于得到直流成分 )、有效值补偿校准、开方运算后得到电流有效值数据。 在得到上述电压、电流有效值数据基础上，将同时得到的两有效值数据相

14、乘，结果通过LPF4(用于得到直流成分 )之后得到平均视在功率数据，对该平均视在功率周期累加即得到视在电能数据 【 10】【 11】 。 电压电流信号经 ADC 转换成数字信息后，电压信号相位补偿校正后与电流信号相乘，其结果经过 LPF6(用于得到直流成分 )、有功功率补偿校准、有功功率增益调整后得到有功功率数据，对该有功功率周期累加即得到有功电能数据。 7 图 4 电压电流采样电路 图 5 ADE7758 三相电能计量原理框图 4.总结 从三种芯片的比较可以得出，它们都具有很高的测量精度。不过，在查阅大量的文献时可以发现 ADE7753 设计的电能计量插座具有实用性强，可以在不同场合高精度地

15、测量多种电8 力参数，校正后的电压电流、频率、各种功率及有功电度测量精度均在 0.5以内。精度高、动态范围大、体积小、成本低，且可以很好地满足电能测量的要求，并且 ADE7753 的应用范围广，这有利于更换芯片。 5.参考文献 1 孔建云，钟锐，蔡娟，基于 ADE7753的高精度多功能电 能计量系统 J电子技术应用，2009， 35(1)： 78 79 2 仪表技术编辑部电子电能表与电能测量技术讲座：第九讲多费率电能表 J仪表技术， 2003(5)： 41 3 范巧成主编测量不确定度评定的简化方法与应用实例 M中国电力出版社 4 刘海成 AvR单片机原理及测控工程应用：基于 ATmega48

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