1、智能電能表的硬件電路與元器件功能分析論文摘要：智能電能表的全面推廣使用是國家電網(wǎng)公司智能電網(wǎng)戰(zhàn)略的重要目標(biāo)之一。本文以基于ATT7022B電能計(jì)量芯片的三相費(fèi)控智能電能表為例，介紹了智能電能表內(nèi)部的硬件電路設(shè)計(jì)和電路中配置的主要元器件，并結(jié)合目前正在開展的智能電能表質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)工作著重分析了各元器件的功能；介紹了智能電能表檢驗(yàn)工作的一般分類、發(fā)現(xiàn)的問題與分析解決方案。論文關(guān)鍵詞：智能電能表,硬件電路,元器件,質(zhì)量監(jiān)督檢測國家電網(wǎng)公司在2021年特高壓大會上提出建設(shè)以特高壓電網(wǎng)為骨架、各級電網(wǎng)協(xié)調(diào)開展的統(tǒng)一堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的三步走;規(guī)劃，其關(guān)鍵技術(shù)支持包括高品質(zhì)的根底電力設(shè)施、集成通信、高級計(jì)量體系

2、、高級管理及效勞系統(tǒng)。作為智能電網(wǎng)中高級計(jì)量體系A(chǔ)dvancedMeteringInfrastructure,AMI的用電信息采集系統(tǒng)的根底設(shè)備，智能電能表SmartMeter是供電企業(yè)和電力用戶之間的聯(lián)通渠道。它的推廣使用是實(shí)現(xiàn)電力營銷集約化、信息化和智能化管理的重要保證，并促進(jìn)用戶科學(xué)合理用電。按照國家電網(wǎng)公司的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，智能電能表應(yīng)具有有功無功功率計(jì)量、用電信息管理、事件記錄、費(fèi)控與時(shí)段投切、平安認(rèn)證等20類功能。為實(shí)現(xiàn)上述功能，智能電能表在硬件電路設(shè)計(jì)和元器件選用上需要執(zhí)行了更高的要求和標(biāo)準(zhǔn)。對于承當(dāng)電能表檢驗(yàn)工作的網(wǎng)省電力公司和地市縣供電公司的計(jì)量技術(shù)人員而言，掌握智能電能表的內(nèi)部電

3、路原理與各元器件功能將會極大提高智能電能表檢驗(yàn)結(jié)果的公正性、可靠度和檢驗(yàn)效率，也會促進(jìn)生產(chǎn)廠家不斷完善技術(shù)，保障電力用戶的切身利益。1.智能電能表的硬件電路智能電能表按照應(yīng)用環(huán)境劃分可以簡單分為應(yīng)用于一般居民用戶的單相智能電能表和應(yīng)用于100kVA以上和以下的專用變壓器用戶等三相用電環(huán)境的三相智能電能表，按照費(fèi)控方式劃分可分為本地費(fèi)控和遠(yuǎn)程費(fèi)控兩種。智能電能表的硬件電路構(gòu)成可分為電能計(jì)量電路、微控制器MicroControllerUnit,MCU、供電電源電路、通信電路、基于EPROM存儲器或Flash存儲器的用電信息存儲電路、基于ESAM模塊的密鑰信息管理電路以及其它外圍輔助電路包括液晶顯示

4、驅(qū)動電路、功能按鍵與報(bào)警電路等，利用MCU對各功能電路進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，實(shí)電能計(jì)量、費(fèi)控控制、信息管理與存儲、事件記錄、異常報(bào)警、人機(jī)交換等功能。圖1所示為三相費(fèi)控智能電能表的硬件電路原理圖。相對于單相費(fèi)控智能表，三相費(fèi)控智能表的特點(diǎn)在于計(jì)量電路較復(fù)雜、存儲空間大、事件記錄種類多、具有電網(wǎng)監(jiān)測的功能等。圖1三相費(fèi)控智能電能表硬件電路原理示意圖2.智能電能表主要元器件與功能分析以三相遠(yuǎn)程費(fèi)控智能電能表負(fù)荷開關(guān)內(nèi)置為例，主要元器件包括：電能計(jì)量專用芯片、微控制器、ESAM模塊、互感器電流、電壓、光電耦合器、片式二極管、壓敏電阻等。2.1電能計(jì)量專用芯片電力線經(jīng)過電壓、電流采樣、由強(qiáng)電信號轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的弱

5、點(diǎn)信號輸入計(jì)量專用芯片。通過AD轉(zhuǎn)換和乘法器運(yùn)算，測量各相以及合相有功功率、無功功率、視在功率、有功電能、無功電能；同時(shí)還能測量供電頻率、電壓有效值、相電流、功率因數(shù)以及相角等用電參數(shù)，電量信息以計(jì)數(shù)脈沖形式輸出。考察計(jì)量芯片優(yōu)劣的主要指標(biāo)是輸入動態(tài)范圍內(nèi)的非線性誤差、測量值精度、一致性與芯片溫度影響度。以中標(biāo)安徽電網(wǎng)的首批三相費(fèi)控智能電能表為例，使用的計(jì)量芯片為工業(yè)級ATT7022系列，圖2所示為ATT7022B內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。圖2電能計(jì)量專用芯片ATT7022B內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖ATT7022B內(nèi)部集成了六路二階-模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換，提供一個(gè)SPI接口與外部微控制器進(jìn)行計(jì)量參數(shù)與校表參數(shù)的傳遞，適用于

6、三相三線和三相四線智能電能表。計(jì)量變差范圍為0.1%，在輸入動態(tài)工作范圍1000:1內(nèi)，非線性測量誤差小于0.1%，芯片內(nèi)部參考電源溫度變化小于30ppm，工作溫度范圍為-4085。2.2微控制器微控制器是智能電能表硬件電路的控制中心。它對電能計(jì)量芯片中的電能數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取并存儲至存儲器，根據(jù)表內(nèi)設(shè)置的常數(shù)和時(shí)段費(fèi)率表對電量進(jìn)行復(fù)費(fèi)率處理，控制液晶驅(qū)動電路使液晶顯示電能、費(fèi)率等信息。支持ISO7816、DL/T645-2007協(xié)議，通過RS485、紅外、載波等方式進(jìn)行通信、控制報(bào)警器、接收功能按鍵的命令信息并執(zhí)行操作。主要性能指標(biāo)為：運(yùn)行速率、RAM空間大小和工作溫度。目前，中標(biāo)安徽電網(wǎng)的三相智

7、能電能表多使用德州儀器生產(chǎn)的MSP430F5438芯片作為微控制器，支持16位AD轉(zhuǎn)換、16kBRAM和256kBFlash，工作溫度為-4085，與計(jì)量芯片ATT7022匹配。2.3ESAM模塊ESAM是嵌入式平安模塊EmbeddedSecureAccessModule的簡稱，多用于水、電、氣表中，完成與表的本地或遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的雙向認(rèn)證。對于智能電能表，ESAM是用電信息密鑰管理系統(tǒng)在智能電能表內(nèi)部的認(rèn)證、執(zhí)行終端，主要用于智能表與遠(yuǎn)程控制主站的通訊數(shù)據(jù)的加密和解密以及特殊數(shù)據(jù)的存儲，防止線路上的惡意偵測，以保證遠(yuǎn)程控制的數(shù)據(jù)平安。2.4電壓、電流互感器電壓、電流互感器在智能電能表中，用于將

8、電力線輸出的強(qiáng)電信號降至可供采樣測量的弱電信號，同時(shí)起到強(qiáng)電電路和弱電電路之間的電氣隔離作用。目前智能電能表中普遍使用的是電子式電壓、電流互感器，其特點(diǎn)是精度高、動態(tài)測量范圍大、抗電磁干擾性能強(qiáng)、體積小質(zhì)量輕等。考量電壓、電流互感器優(yōu)劣的指標(biāo)有精度、線性度和抗電強(qiáng)度。2.5光電耦合器光電耦合器簡稱光耦，以光為媒介、按照電-光-電;的方式實(shí)現(xiàn)信號的傳輸，使輸入、輸出之間實(shí)現(xiàn)電氣隔離。智能電能表電路設(shè)計(jì)中，光耦一般配置在功能脈沖輸出端和RS485接口電路端，不僅提高電路的電絕緣能力和實(shí)現(xiàn)輸入、輸出電氣隔離，還能提高電路抗干擾能力和共模抑制能力。光耦的主要性能指標(biāo)參量有電流傳輸比CTR、正向壓降V、

9、反向擊穿電壓V以及工作溫度。2.6片式二極管在智能電能表中，片式二極管主要有整流二級管、穩(wěn)壓二極管、瞬態(tài)抑制二極管等。整流二極管在智能電能表中主要用于電源的整流，其性能指標(biāo)有反向耐壓、正向最大電流、反向電流。穩(wěn)壓二極管和瞬態(tài)抑制二極管是一種直到臨界反向擊穿電壓前都具有很高電阻的半導(dǎo)體器件，在臨界擊穿點(diǎn)上，反向電阻降低到一個(gè)很小的數(shù)值，電流增加而電壓那么保持恒定，用于保護(hù)接口電路，這兩種二極管主要用于通訊接口的保護(hù)，其性能指標(biāo)有穩(wěn)定電壓、電壓溫度系數(shù)、穩(wěn)定電流、最大允許功耗等。2.7壓敏電阻壓敏電阻一般安裝在智能電能表相線輸入最前端，對于三相四線表加在各相線與零線之間，對于三相三線表加在各相線A

10、、C相與B相之間。作為一種電路保護(hù)元器件，壓敏電阻主要用于瀉放線路上瞬間脈沖電壓和浪涌沖擊，以保護(hù)后端電路和精密元器件免受損壞，其主要性能指標(biāo)為動作電壓、工作電壓和冗余量。需要指出的是，除上述主要元器件外，其它一些元器件的優(yōu)劣也影響著智能電能表性能。如電壓采樣使用的取樣電阻，其阻值受環(huán)境溫度和外部強(qiáng)電壓影響較大進(jìn)而影響電壓采樣的準(zhǔn)確性和電能計(jì)量準(zhǔn)確性。因而，取樣電阻的優(yōu)劣局部程度上決定著智能電能表能否通過溫度試驗(yàn)和耐壓試驗(yàn)。3.智能電能表性能檢驗(yàn)智能電能表性能檢驗(yàn)分為出廠檢驗(yàn)、型式檢驗(yàn)、全性能檢驗(yàn)、抽樣驗(yàn)收檢驗(yàn)和全檢驗(yàn)收檢驗(yàn)。其中，在生產(chǎn)廠家批量供貨前的全性能試驗(yàn)由網(wǎng)省電力計(jì)量中心組織實(shí)施，以

11、確定電能表規(guī)定的特性并證明其與標(biāo)準(zhǔn)要求的符合性。全性能檢驗(yàn)包括機(jī)械性能、準(zhǔn)確度、功能性、電氣性能、費(fèi)控、電磁兼容性等10個(gè)大項(xiàng)、計(jì)59個(gè)小項(xiàng)的試驗(yàn)。當(dāng)前，對智能電能表的硬件電路檢驗(yàn)方面主要開展的是開蓋元器件比對，即依據(jù)電表供給商的中標(biāo)文書中的元器件清單，翻開抽樣表盒蓋進(jìn)行元器件逐個(gè)對照。限于生產(chǎn)廠家的技術(shù)保密而無法提供電路設(shè)計(jì)原理圖，硬件電路其它性能，如PCB布線的合理性，是難以直接實(shí)施檢測的，需要通過其它工程試驗(yàn)如電氣性能試驗(yàn)和電磁兼容性試驗(yàn)來反映和溯源。如光耦和電源變壓器的設(shè)計(jì)不完善或配置不夠會導(dǎo)致電表無法通過絕緣耐壓試驗(yàn)，壓敏電阻的容量不夠會導(dǎo)致電能表無法通過浪涌抗干擾試驗(yàn)，而分流器和互

12、感器由于易受到磁場干擾，它們的性能優(yōu)劣決定著電表能否通過電磁場輻射抗擾度試驗(yàn)。實(shí)際檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，由于市場元器件采購壓力大，局部廠家存在私自更換元器件品牌的情況，如一廠家擅自將原定的NEC光耦更改成光寶光耦。此外，也有廠家試圖簡化硬件電路設(shè)計(jì)以降低本錢，在一次電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn)中，由于某廠家刪去了原有設(shè)計(jì)中的電源端配置共模電感和匹配電容，導(dǎo)致出現(xiàn)重大不穩(wěn)定偏差。發(fā)現(xiàn)上述情況后，相應(yīng)廠家均被責(zé)令帶回電表進(jìn)行返廠整改。4.總結(jié)硬件電路的有效設(shè)計(jì)和元器件的準(zhǔn)確配置是智能電能表實(shí)現(xiàn)精確電能計(jì)量、費(fèi)控、通信、平安認(rèn)證等所有預(yù)定功能的前提條件。本文介紹的硬件電路設(shè)計(jì)方案、主要元器件功能與性能指標(biāo)參數(shù)以及在實(shí)際檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的情況、總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)將會給網(wǎng)省和地市計(jì)量檢定人員提供一些參考，以確保智能電能表安裝前檢定工作的完成。參考文獻(xiàn)1 宗建華,閆華光,史樹冬等.智能電能表. 北京:中國電力出版社. 2021.9.2 國家電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn). Q/GDW 354-2021: 智能電能表功能標(biāo)準(zhǔn).3 張瑞占,屈百達(dá). 基于ATT7022B三相精確計(jì)量智能電能表設(shè)計(jì). 電子測量技術(shù). 2021, 9(31): 150-153.4 錢云,莊嚴(yán),魯子卉. 基于CS5460A芯片的智能電能表設(shè)計(jì). 儀表技術(shù). 2007(5): 8-10.6 Texas Instruments. MSP