配电系统智能电能表研究

刘春蕾

（河北建筑工程学院，河北 张家口075000）

0 引 言

智能电网提出“高级计量、自动计量、读数”要求，同时，配电系统的大电能用户的用电对电网会产生较大的影响，尤其是窃电问题.为此，高精度且具有监控功能的电能表的研究成为一个迫切问题.本文设计了一种新型电能表，它能够对电流、电压及电能较精确的计量，还可以及时发现大电能用户的违章用电，从而及早实施控制、制止.通过对大电能用户配电网络和电气设备实时监控，实现在配电系统非正常用电时，在最短时间内处理问题，保护系统正常运行，提高供电可靠性和供配电系统的自动化水平，具有重要意义.

1 电能表构成及主要功能

智能电能表是应用计算机技术、通信技术等，形成以智能芯片为核心，具有电功率计量计时、计费以及与上位机通信、用电管理等功能的电能表.该方案主要由微处理器MCU、计量单元、通信单元、高精度标准电能表、传感器及外设组成.其中，考虑到微处理器的性价比，选择荷兰NXP（恩智浦半导体）公司生产的LPC1778MCU，该系列MCU针对智能电表优化系统设计，具有防窃电功能，适合构建多功能电能表.计量芯片选用ADI公司的产品ADE7878，它具有良好的防窃电功能，该厂家计量芯片的市场销售占有率最高，芯片的测量精度达到0.1%，满足该方案要求，且可以同时测量有功功率和无功功率.关于通信芯片，国家电网公司推出的智能电能表系列标准推荐使用RS485，该方案配置RS485通信接口.该方案设计的多功能电能表结构框图如图1所示.

电能表主要功能是：

图1 电能表结构框图

（1）计量与显示功能.

智能电能表能够实现对线电压、线电流及相电压、相电流的测量，还可以实现对三相和单相有功功率、无功功率及视在功率的计量.传感器CT、CP采集到电压、电流信号后，送入计量芯片ADE7878中，再经过SPI的传输与处理输入微处理器MCU，根据预先设定完成对这些物理量的测量与计量，再根据需要显示和存储这些物理量.在实现记录、显示时，可以每隔一个特定的时间自动记录、显示一次，间隔时间在电能表中已经设定.在记录的内容上，三相的每相失压的次数、发生时刻和结束时刻是必须记录的，以备今后查找问题和原因.

（2）电压、电流与电能量的监控.

电能表采集配电统电压、电流实时运行数据，对用电设备运行状态进行智能检测和控制.如果系统发生下列情况：开路、电流值超过设定值、失压或电压超过设定值，智能电能表会通过通信单元向上位机报警，及时进行处理.同时，大电能用户可以通过智能电表向供电公司上传本公司的用电计划，供电公司将根据企业用电计划、时间等信息进行负荷预测与安排配电计划，使得负荷预测与电能计划更科学合理.

（3）窃电监控：高精度标准电能表对大电能用户的实际用电将有准确的计量并记录之，用户电能表也将对自己单位的用电量有一个计量与记录.微处理器利用分析软件对这两种数据进行分析、比较，可以判断出是否发生窃电情况.如发生窃电，系统会向上位机报警或做断电处理.并且自动记录发生窃电的的电能表序号与发生时间，并自动保存窃电发生前一周期的正常状态以及窃电时的相关电能量数据，以便于依据记录查找窃电的线路和窃电用户.

2 电能表主要部分介绍

2.1 微处理器

LPC1778是为嵌入式系统应用而设计的高性能、低功耗的32位微处理器，适用于仪器仪表、工业通讯等领域.最高配置包括512KB片内Flash程序存储器、96KB片内SRAM、4KB片内EEPROM、8通道GPDMA控制器、4个32位通用定时器、一个8通道12位ADC、1个10位DAC、1路电机控制PWM输出（MCPWM）、1个正交编码器接口、6路通用PWM输出、1个看门狗定时器以及一个独立供电的超低功耗RTC.LPC1778集成了足够的输入输出接口.LPC1778系列ARM Cortex－M3还增加了硬件CRC计算及校验模块、外部存储器扩展接口（EMC）、专用的SD卡接口、最多达165个GPIO引脚.

电能计量芯片ADE7878实时采集数据输送给微处理器，微处理器也随之不断更新其寄存器数据并保存这些数据，按照设定，其中的重要数据，再次保存到非易失性存储器中.在一定的规约下，微处理器与高精度标准电能表通过RS485进行通信，实时掌握大电能用户的用电量准确信息，经微处理器分析、判断，如果用户窃电，微处理器会发出预报信号，并把该信息输出给驱动模块，经驱动模块后该信息送入电力系统的控制环节，实现对窃电的有效控制.

2.2 计量单元介绍

ADE7878是美国ADI公司推出的专用于电能计量的芯片.其电压和电流通道为24bit∑－Δ型ADC.该芯片与同类芯片有以下优点：在其广泛的测量范围内均有很高的精确度；具备同时提供三相有功功率、无功功率，视在功率计量的多功能，因此该芯片适合各种三相配置下有功、无功和视在电能等电气参数的计量；ADE7878芯片具有防窃电功能，它能在失压情况下给用户提供电流信息，其PEN线可提供瞬时电流值和电流有效值.另外ADE7878芯片提供校表功能.

ADE7878计量单元包括模数转换器ADC、数字信号处理器DSP等部分.模数转换器ADC主要对三相电压、电流进行模拟量与数字量之间的转换和采样，数字信号处理器则对模数转换器采集数据加工分析，从而得到要计量的各个功率和各个电能.SPI串行接口的作用是实现计量单元ADE7878与微处理器之间的通信.总之，通过采用这一款高精度电能计量芯片，大大提高了电压、电流采样分辨率，有效地提高电能表计量准确度.

2.3 传感器部分

传感器采用LEM电流电压传感器模块，它是瑞士LEM公司推出的新型电子器件，它可对直流、交流等电压、电流进行测量.该模块由于具有许多优点被广泛应用.根据输入电压与该模块的性能指标，可根据不同的额定电流选择LA—系列的传感器模块.传感器模块对模拟信号采样后，经A／D转换后变为电能计量芯片ADE7878可以接受的数字信号，输出给高精度电能计量芯片ADE7878.

3 实验结果分析

通过实验验证了设计方案的可行性与电能表的准确度.在配电系统中，首先在阻性负载下，测试三组数据，如表中的次序1、2、3测试数据，其有功功率相对误差都小于等于±0.1%；接着，在感性（或容性）负载下，又测试三组数据，如表中的次序4、5、6测试数据，其有功功率相对误差都小于等于±0.2%.全部实测数据如表1，它是把本设计的电能表与满足国家相关规定的高精度标准表进行比较的结果.之后，进行了窃电报警的实验，对电能表的电压线圈进行分压实验从而实现窃电，在此情况下测试了电能表的监控功能，能够准确地实现了其设计要求的报警与控制功能.

表1 有功电能测试数据记录

4 结 论

本文提出了一种用于大电能用户监控的新型智能电能表设计方案，并完成了系统中主要功能的实验，证明了数据采集计量单元可以高精度采集数字量和模拟量，可以在用户窃电时实现报警或主电路自动跳闸，显示部分可以正确完成数据显示、曲线绘制和报警的功能.总之，该方案在测量精度及监控功能方面都有较大的优势.

［1］GB／T 17883－1999 0.2级和0.5级静止式交流有功电度表［S］

［2］夏骥，戴瑜兴.基于DSP的多功能电能表的设计与实现［J］.低压电器，2008，（10）：7～10

［3］程广增，范瑜.基于GPS的配电站远程监控系统设计［J］.低压电器，2008（10）：22～25

［4］韦文祥，朱志杰.基于SPI总线的电能计量芯片ADE7878及其在配电监测终端的应用［J］.国外电子元器件，2005（07）：32～35