可實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信的三相多功能電表參考設(shè)計(jì)方案

隨著用戶用電負(fù)荷的增加，供電質(zhì)量的要求也越來(lái)越高，供電部門需要了解電網(wǎng)質(zhì)量和用戶的各種用電參數(shù)，如功率、電壓、電流、頻率等，這樣三相電能表的應(yīng)用范圍得到了擴(kuò)大。電能計(jì)量、電費(fèi)核算及收繳的及時(shí)性和準(zhǔn)確性已成為用電企業(yè)的重要課題。目前，電能表的抄表接口主要是485接口和紅外接口，這兩種方式逐漸不能滿足實(shí)際的需要，為此我們提出了新的抄表方案—無(wú)線抄表。無(wú)線抄表的實(shí)現(xiàn)是邁向配電自動(dòng)化的第一步，并有助于提高電力系統(tǒng)用電管理的水平。

電能計(jì)量芯片ADE7758

精度為0.5級(jí)和0.5S級(jí)的三相多功能電能表可以采用ADI公司的ADE7758。ADE7758具有以下的功能和特性：內(nèi)部集成了6路獨(dú)立的16位Δ-ΣA/D轉(zhuǎn)換器、高性能DSP、電壓基準(zhǔn)及溫度傳感器等電路，在1000:1動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)誤差小于0.1%；提供有功、無(wú)功及視在電能、電壓、電流有效值及波形采樣等數(shù)據(jù)；三相三線/三相四線兼容；功率、相位及輸入失調(diào)可實(shí)現(xiàn)數(shù)字校準(zhǔn)；在環(huán)境條件變化很大和長(zhǎng)時(shí)間使用條件下，采用專利技術(shù)的ADC及DSP仍能保證高精度；DSP內(nèi)部對(duì)無(wú)功電能進(jìn)行了補(bǔ)償；提供獨(dú)立的有功電能及無(wú)功電能脈沖輸出。這些功能特點(diǎn)大大減少了MCU的軟件開(kāi)發(fā)工作量?；贏DE7758的電能表功能框圖見(jiàn)圖1。

三相電能計(jì)量設(shè)計(jì)方法

三相電能表根據(jù)使用條件分為互感器式、直入式。對(duì)于大電流用戶，采用外接一次互感器，按標(biāo)準(zhǔn)其電流輸出為5A。三相電能表最常見(jiàn)的為互感器式，其互感器電流規(guī)格為1.5/6A。

1. 三相電能計(jì)量的設(shè)計(jì)條件

a. 電壓規(guī)格220V/380V；

b. 電流規(guī)格為1.5/6A，即基本電表為1.5A、最大電流6A。

圖1：基于ADE7758的電能表功能框圖

2. 選擇ADE7758作為主計(jì)量芯片，根據(jù)設(shè)計(jì)要求初步確定的條件

a. 三相四線模式；

b. 選用各相電能代數(shù)和模式；

c. 三相電流輸入，最大電流為6A，輸入信號(hào)為V=200mV，保證一定的電流過(guò)載能力；

d. 相電壓輸入為220V時(shí)，輸入信號(hào)為V=200mV，保證120%Ua(額定電壓)時(shí)的計(jì)量線性度。

3. 三相電流二次互感器選擇

a. 1.5(6)A/5mA、20Ω負(fù)載、精度0.05級(jí)，電流取樣電路參見(jiàn)圖2，圖中R1、R2為電流回路的取樣電阻，必須選擇誤差1%、溫度系數(shù)±100ppm/℃的精密電阻；

b. R3、R4為輸入電阻，阻值為1kΩ；

c. C1、C2為濾波電容，取樣電阻值選擇為5Ω，電流取樣設(shè)計(jì)基本可以滿足至少6倍額定電流的范圍。

4. 三相電壓回路采樣電路設(shè)計(jì)

根據(jù)ADE7758數(shù)據(jù)手冊(cè)，模擬信號(hào)的最大輸入電平為500mV，選擇在輸入幅度約1/2量程左右可保證實(shí)時(shí)的計(jì)量精度和大于120%Ua時(shí)的計(jì)量精度。分壓采用電阻網(wǎng)絡(luò)方式，取樣電路如圖3所示，Uap=180mV。

圖2：電流取樣電路。

5. 有功脈沖輸出校準(zhǔn)頻率(CF)

根據(jù)電能計(jì)量原理，對(duì)于某一相而言，CF計(jì)算公式：

其中，C為電表脈沖常數(shù)，Un為額定相電壓值(單位V)，Ib為額定相電流值(單位A)。 取C=3,200imp/kWh，將Un=220V，Ib=1.5A，代入公式(1)計(jì)算：Fe=0.293Hz。

當(dāng)ADE7758的某一相的電壓電流通道的采樣達(dá)到最大電平500mV而剩下的兩相為零時(shí)，輸出的頻率大約為16kHz。這樣，當(dāng)電流采樣電壓Uia=50mV，電壓信號(hào)采樣電壓Uva=180mV時(shí)，首先確定ADE7758不經(jīng)過(guò)分頻和校驗(yàn)時(shí)的輸出頻率為：

對(duì)1,152/0.293取整后得到3,931，把3,931寫(xiě)入ADE7758的頻率輸出分頻系數(shù)的分母，分子寫(xiě)入1。接著對(duì)ADE7758各通道增益、相位、失調(diào)進(jìn)行調(diào)整，就能得到準(zhǔn)確和穩(wěn)定頻率的電能脈沖。

無(wú)線RF通訊模塊

對(duì)無(wú)線RF收發(fā)功能，我們采用ADI公司的RF收發(fā)芯片ADF7020來(lái)實(shí)現(xiàn)。ADF7020有一系列產(chǎn)品，該方案中我們選用一款工作在431MHz至478MHz和862MHz至956MHz雙頻段收發(fā)一體芯片，滿足北美FCC與歐洲ETSI-300-200標(biāo)準(zhǔn)。

該芯片具有以下的功能特性：2.3V到3.6V的寬工作電壓范圍，適合不同電池供電；待機(jī)電流僅1μA；從 -16dBm到+13dBm的可編程輸出功率，調(diào)節(jié)步長(zhǎng)0.3dBm；內(nèi)置自動(dòng)頻率控制補(bǔ)償回路，可以在862MHz至956MHz頻段對(duì)晶體補(bǔ)償±25ppm，對(duì)431MHz至478MHz頻段對(duì)晶體補(bǔ)償50±50ppm；接收時(shí)電流為19mA，發(fā)送時(shí)電流為22mA；擁有數(shù)字無(wú)線信號(hào)接收幅度指示(RSSI)輸出。設(shè)計(jì)時(shí)采用9,600bps的速率，2FSK調(diào)制，接收靈敏度為-106dBm，輸出功率為12dBm，其通訊距離可超過(guò)500米。

圖3：分壓采用電阻網(wǎng)絡(luò)方式，取樣電路。

本文總結(jié)

該方案選擇的無(wú)線芯片具有內(nèi)置自動(dòng)頻率控制(AFC)，傳輸速率高，距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)。整體設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，并兼顧了未來(lái)抄表的方向，較適用于山地及不方便進(jìn)行有線傳輸?shù)膰?guó)家和地區(qū)。