1. 宽量程智能电能表研究开发的目的意义
目前,国内的三相智能电能表电流规格比较多,如1.5(6)A、5(60)A、10(60)A、20(80)A,不同的用电负荷必须采用不同的电能表规格,同时,一些电流较大的场合需额外增加电流互感器来拓宽电能表的计量范围,规格众多的电能表,加大了电力公司和电能表生产企业的资源投入,增加了检测设备的品种和数量以及产成品的库存。
如果所有规格的电能表都能统一规格,那么电力公司只需采购一种规格的智能电能表就可以满足绝大部分客户的使用要求,大大减少了电力公司在招标,抽检,备案时的工作量,企业无须考虑不同电能表规格在备料、工艺、包装上的差异,大大简化了采购、生产、供货等多个环节。
1.1 开发内容和目标
1.1.1项目研究的主要内容、预期目标及需要解决的关键技术
在整个研发过程中主要包含电路设计,软件设计。在电路方面,选用IDT公司的IDT90E32作为计量芯片,选用瑞萨公司的R7F0C004作为主控制器,通过电阻分压网络采集相线上的电压信号,通过电流互感器采集相线上的电流信号。主控制器通过SPI接口与IDT90E32交联,获取相线上的电压电流数据。此外,为了实时显示电能表的工作状态,电路中还包含液晶驱动电路、LED显示电路、按键电路、EEPROM存储电路。为了保证电能表的低功耗运行,电路中还包含开关电源电路。
在软件方面,采用有限状态机的操作方式,程序包含三条操作进程,将优先级最高的任务交由外部中断进程,如红外处理、按键处理、485通讯处理。将优先级一般的任务交由250ms中断进程,如计量芯片处理、继电器处理,将优先级较低的任务交由主循环进程,如E2PROM处理。各个进程中的任务依靠全局变量进行交互,保证各个任务的有序执行。另外,软件专门开辟一段空间用于存储异常信息,一旦电能表出现故障,通过读取异常信息字,技术人员可以很快对故障点进行定位。
在研发过程中的技术难点主要有三个,一是弱信号的干扰问题,为了匹配计量芯片的输入量程,在选用电流互感器的时候必须采用倍数大,内阻小的高精度互感器,否则大电流可能会超出计量芯片的输入量程,然而,电流互感器的倍数越大就意味着小电流的误差越大,例如,1A的电流通过互感器后变成2m V的电压,如果计量芯片在采集该电压信号时偏差1mv,那么该相电流就会偏差0.5A。在复杂的电路环境中,1m V的信号干扰很容易出现。
1.1.2是大电流的温升问题,在持续大电流的过程中,电能表内部的温度会逐渐升高,温升带来的问题主要有两个,首先,温度上升会直接影响计量芯片内部AD转换器的转换精度,其次,温升会影响电流互感器的感应特性,导致相位偏差,表现出感性大电流计量不准确的现象。
1.1.3是兼容性问题,由于目前市场上还是多规格电能表并存的状态,一旦出现损坏,必须保证本电能表可完全替代,所以本电能表必须做到规格可设,保证在用户的角度看不出与以往的电能表有任何差别。
2. 技术创新之处
2.1 电流分段校正
弱信号易受外部环境干扰,而强信号则比较稳定,如果在校表中为强弱信号设置相同的校正值,那么在精度方面无法兼顾,为了解决此类问题,采用电流分段校正技术,将电流分为三段,分断点为20%Ib、200Ib,在每个段内设置不同的增益值和偏移量,这样既能保证大电流的准确度,又能保证小电流的准确度。
2.2 温度补偿
大电流的温升问题会造成计量出现较大的偏差,如果采取普通的风冷散热措施,不但增大了电能表的体积,而且电能表的功耗也会成倍上升。采用软件进行温度补偿是个比较好的选择。首先,在0.5L、Imax的条件下给表计通电,随着电能表内的温度逐渐升高,电能表的计量精度逐渐发生变化,此时,可以绘制出计量精度随温度的变化曲线。R7F0C004具备温度测量功能,只要电能表根据自身的温度自动按照该曲线进行补偿,那么大电流的温升问题就可以得到解决。
参数配置
为了兼容市面上其它规格的表型,采用厂内参数配置的方式,通过上位机软件和485接口将电能表的规格写入电能表,每次设置完毕,电能表会重新启动并按照上一次设置的规格参数自动配置,如脉冲常数、参比电压、参比电流、事件门限、起动门限。
3. 研究开发方法及工艺路线
3.1 研究开发方法
3.1.1 基本方案拟定
在获取客户的技术规格书后即集合骨干研发力量对其进行分析,分析通常以与现有仪表型号比对为主。分析结束后应得到决策结论,即开发新表型或改造已有表型,随后即可依决策结论拟定基本方案。
3.1.2 硬件电路设计
硬件电路设计由电源电路设计、计量电路设计、通讯电路设计、MCU及红外和RS—485通信模块、载波通信模块、校表模块、EASM模块、时钟日历电路、工作异常报警电路、按键输入电路、复位和看门狗电路、开关电源模块和后备电池电路、大屏幕液晶显示模块和LED显示模块等组成。
3.1.3 软件设计
软件系统包括程序数据结构模块、程序初始化模块、时钟及显示处理模块、通讯处理模块和电量处理模块五大部分组成。
3.1.4 研发收尾工作
硬件与软件设计完毕后即可进行系统集成,制成试制品进行测试。测试后依测试结果与客户给予的技术规格书比对,不合格则分析并修改或重新开发,合格则进行小批量试制。小批试制达标则可进入中试环节。
4. 获得的研究成果
4.1 三相智能电能表的计量范围拓宽至1~80A,计量精度高达0.5S级。
4.2 使用开关电源给电能表供电,成功将电能表功耗降至0.3W,实现电能表的超低功耗运行。
摘要：目前,国内的三相智能电能表普遍存在量程过窄的问题,不同表型对应不同的电流规格,增加了检测设备的品种和数量以及产成品的库存,研制一款0.5S级宽量程三相智能电能表,只需采购一种规格的智能电能表就可以满足绝大部分客户的使用要求,减少供电公司和生产企业的资源投入,可以有效的节约资源。
关键词：宽量程,智能电能表,温度补偿
参考文献
[1] IDT公司.Poly-Phase High-Performance Wide-Span Energy Metering IC 90E32[M].美国:IDT公司.2011:71
[2] Q/GDW 1356-2013,三相智能电能表技术规范[S]