一种新型单相电子式多费率预付费电能表
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总第 3 9卷 第 4 3 6期 2 O O 2年 第 4期 电梗 I 与仪表 El e e l M 蜘 t I s t m n t a t i o n Vo l j9 14 O 4 3 6 AD 2 0 0 2 一种新型单相电子式多费率预付费电能表 崔 伟,王建华,额 曰登布鲁格 ,赵 伟(1 清华大学电机 系,北京1 0 0 0 8 4;2 海湾电力仪表公司,河北秦皇 岛 0 6 6 0 0 4)摘要:介绍一种以单片机为核心的单相 电子式多费率预付费电能表的原理、硬件结构和 软件设计,分析其设计 中需要注意的问题,并根据实际使用情况提出了改进设想。关键词:多费率;预付费;电能表;自动抄表 中图分类号:T M9 3 3 4 文献标识码:B 文章编号:1 0 0 1 1 3 9 0(2 0 0 2)0 4 01 5 0 4 A n e w t y p e o f s i n g l e-p h a s e e l e c t r o n i c mu l t i-r a t e a n d p r e p a y me n t W a R-h o u r me t e r Cu i We i ,Wa n g J i a n h u a 2,E Ri d e n g Bu L u g e ,Zh a o We i (1 D e p t o f E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g o f T s i n g h u a U n i v e r s i ty,B e i ji n g 1 0 0 0 8 4,C h i n a 2 G u l f P o we r I n s t r u m e n t s C o ,L T D,H e b e i Q i n h u a n g d a o 0 6 6 0 0 4,C h i n a)Ab s t r a c t:T h i s p a p e r i n t r o d u c e s t h e p ri n c i p l e,h a r d wa r e s t r u c t u r e a n d s o f t w a r e d e s i g n o f a s i“g l e p h a s e e l e c t r o n i c mu l t i r a t e an d p r e p a y me n t Wa t t-h o u r me t e r w h i c h t a k e s a s i n g l e-c h i p mi c r o p r o c e s s o r a s i t s c o r e,a n d an a l y z e s 8 o me p r o b l e ms w h i c h n e e d t o b e n o t i c e d i n t h e c o u l*$e o f d e s i g n i n g Mo reo v e r a c c o r d i n g the p r a c t i c a l u s e s i t u a t i o n i mp r o v e d i d e a s g e e b r o u g h t f o r wa r d Ke y wo r d s:mu l t i r a t e;p r e pay me n t;Wa t t h o u r me t e r;a u t o ma t i c me t e r r e a d i n g 0引 言 使用多费率 电能表,执行分时电价用电优惠政 策,可以从经济上鼓励用户在负荷低谷时多用电,引 导非连续生产部 门避开高峰负荷用 电。对用户来说,可减少电费支出;对供用 电管理部门来说,能以经济 杠杆调节负荷,削峰平谷,从而提高 电力设施的利用 率,使供电系统 的运行更加经济、可靠。在国内,如何更有效地遏制拖欠 电费现象仍然 是当今供用电管理部门抓的大事之一。对新建居 民 小区或企事业单位等直接装设具有预付费功能的电 能表,无疑可在一定程度上避免或减少拖欠电费、抗 交电费等现象 的发生。鉴于上述,目前国内对同时既具备分时电价又 带有预付费功 能的电能表有一定需求,要求电能表 生产厂家能开发出新型单相电子式 多费率预付费电 能表。正是为 了满足电能表市场的这种需求,本文作 者新近研制开发出了 D D S F 3 6 6型单相电子式多费 率预付费电能表。1 D Ds F 3 6 6型电能表的工作原理 本文作者研制开发出的多费率预付费电能表的 原理框图如图 l 所示。这种电能表主要 由计量模块,光电传感器、单片机、I C卡模块、L C D显示、红外通 信接 口、E E P R O M存储器、实时时钟电路及 电源电 路等部分组成。其中,单片机是电能表的核心,由它 智能化地形成并可靠地提供电能计算、时段判断、费 率切换、I c卡读写、电能量控制及负荷控制等功能。下面对 D D S F 3 6 6型电能表的各个功能模块及 单元分别进行介绍。1 1 计 量模 块 计量模块 L C D 显示l l I C 卡模 块I I E E P R O M存储器 光电 传感器H 单片 机(P I c 1 8 C 4 5 2 皇 !童 堡 呈 l l 兰 竺 皇 壁 图 1 原 理框 图 维普资讯 http:/ 总第 3 9卷 第 4 3 6期 2 0 0 2年 第 4期 电测与仪表 E l e e t r l c a l M巳 舾u 口 骱 t Ins ma me n t a t i o n Vo 1 3 9 No 4 3 6 Ap r 2 0 0 2 为制作这款电能表,选用 了 A D I 公司生产的专 甩计量芯片 A D 7 7 5 5,它可对模 拟电压、电流进行采 样,并以数字乘法器累积电能。所产生 的脉冲输 出 频率与两个输人信号乘积对时间的平均值成正 比。1 2光 电传 感 器 在该 电能表 电路 中,光电传感器 的作用,是利 用 光电转换原理将瞬 时功率转换 为与之成正 比的 脉冲输 出。光电传感器输 出的脉冲串被送人单片机 的计数 I O口。1 3 单片机 单片机是该 电能表数据处理单元的核心部分,它将控制器、算术逻辑运算单元、存储器、输 入 输 出等四个功能 电路部分集成在一块芯片上,主要实 现累积电能、分时处理电能数据、控制显示、红外通 信、控制 日历时钟、控制 I c卡等功能。该款电能表采 用的单片机是 Mi e r o e h i p公司生产的 P l C 1 8 C 4 5 2。该 单 片机 芯 片具 有 1 5 3 6字 节 的 I R A M,3 2 K字 节 的 R O M,3 4个 I O口,8个十位 A D转换 接口,内置 4 个定时器和 1个“看门狗”;不仅功能强、速度快,而 且功耗小、价格适 中,完全能满 足该款 电能表所应 实现的各种功能的技术需求。1 4 E E P R 0 M 存储 器 为提供多费率功能,该电能表的诸如时间、日 期、时段划分、电能表脉冲常数 等参数都需要记忆 并允许修改,在单 片机内部存储单元有 限的情况 下,为完成这些任务,就需要扩充外部存储空间,为 此,本款电能表 中使用 了电可擦写存储器L _ _ E E P-R O M。这种存储器的优点是不需要外部电池供电就 能保存数据。1 5 L cD 显 示 为现实 多费率下对相应多项参数 的显示,目前 大多数相应 电能表都采用液晶显示 器 L CD或发光 二极管显示器 I 正D。L CD的优点是一屏可以显示许 多字符,工作电流小,供 电系统停电时可利用 电池 或大容量电容器为显示各项参数提供能量,并且比 较美观;缺点是若遇阳光直射,其寿命将大打折扣,而且需要环境光源;另外,国产普通 L C D只能在一 2 0 +4 O 范围内工作,不太适于室外环境。L E D的 优点是亮度 高,对 环境温度等要求低,适合于在室 外工作;其缺 点是显示字符少,代码多,供电系统停 电后便不能工作,而且功耗较大。在设计 本款电能 表时,考虑到需要显示 的参数较多,并且 为降低功 一l 6 一 耗,选择采用 了液晶显示 器 L C D。本款 电能表 的 L CD分为主显示区和辅显示区,主显示区显示累计 电能量,辅显示区显示当前时间。通常状态下,L C D 显示计量的总电能量和 当前时间;而各 费率用 电 量、剩余购 电量、最大需量、时间等参数,则可通过 操作按键查询的方式,在 L C D显示屏上获得。1 6电 源 电路 电能表 电源电路的主要 功能是将供 电系统的 交流电变换成表本身电子电路所需的低压直流电。在具体设计 上,电能表 电子电路与供电系统交流 电 路在电气上是隔离 的,以避免供 电系统中的噪声、干扰等影响电能表的正常工作。本款电 能表的电源 电路包括掉 电检测电路和 备用电池。其 中,掉电检测电路的功能主要有两个:一是在供 电系统出现断 电的瞬 间能立 即产生 一个 掉 电信号,以通知单片机去控制 电能表进人低耗电 状 态;二是 当供电系统上 电时产生上 电信号,使单 片机控制电能表 由低耗电状态转人正常工作状态。由于断电、上电过程 中往往伴随着脉冲干扰,容易 影响电能表保存数据 的准确性,因而掉电检测 电路 性能的好坏在多费率电能表 中显得尤为重要。电源电路中备用 电池的功能是,当供电系统发 生断电时,及时为多费率电能表提供后备电源,以 维持实时时钟和 日历的运转,使保存在 R A M 中的 电能多费率计量程序仍能正常工作,同时也维持多 费率电能信息数据的记录,等等。1 7实 时时钟 电路 具有多费率功能的电能表 必须 要有准确的实 时时钟,以保证各时段费率的正确 切换。实时时钟 有硬时钟和软时钟两种实现方案 硬时钟 由独立的 实时 时钟芯 片提供,其准确 度与软件无 关,故不易 产生差错;其映点是成本较高,且体积较大。软时钟 是利用程序对单 片机的定时 中断进行计数,从 而计 算出实时时间。软时钟计算程序存放在单片机内 部,对它的读取 十分方便;但 当单 片机发生故障时,软时钟便容易遭到破坏。本电能表 的时段切换,主要依赖时钟芯片即硬 时钟提供准确时钟和相应的时段切换逻辑。所选用 的时钟芯片为 P C F 8 5 6 3,可以通过调整该芯片 O S C I 管脚连接的微调 电容,使振荡器频 率达到足够精 确,这时可测出通 电时管脚 C L O KO U T上信号的频 率准确等于 3 2 7 6 8 k Hz。这种硬时钟的质量较好,其 维普资讯 http:/ 鲁第 3 9卷 第 4 3 6 期 2 0 0 2年 第 4期 电测与仪表 El e e t r l e a l M n 1 I n s t r u me n t a t i o n V0 l 3 9 0 4 3 6 AD r-2 0 02 平均偏差可做到不超过 1 分钟 年。在研制开发过 程 中经长时间实测,本 电能表 时钟芯片的偏差值 明 显 优 于 T 9 0 9 2 1 9 9 8(i d t I E C 1 0 3 8:1 9 9 0)、I E C 1 0 3 8第 1次修订案 中所规定 的每天 0 5秒的准确 度标 准。1 8缸 外 通 信 接 口 常见的通信接 口电路有 R S 一 2 3 2 C串 口、红外通 信接 口等。在本电能表的设计 中,采用了红外通信 接 口。红外通信接 口电路用于电能表与其他设备进 行数据 交换,主要是通过该接 口进行抄表和编程。1 9 I C卡 模 块 本电能表所采用的 I c卡为专用型硬、软件加密 卡。针对有些国产预付费电能表存在安全性能不好 的弱点,在本 表中采 用随机加密算法,严 格设计 了 I C卡信息的加密方法。I C卡的编码与电能表的编码 相 同,即每个装设有这种电能表的用电户都有一张 与自家电能表配合使用 的 I C卡;用户可以经常更换 自家表的 I C卡密码,而用户之间无法相互借用。另 外 本电能表在 电卡接 口部分 中采用 了光电隔离式 电路设计,用以防止直接输人 电信号所产生 的电磁 干扰,从而保证单片机 的正常工作。除了上面提到 的这些功能模块以外,本款 电能 表的设计 中还 用到 了一些通用 的功能模块,如按 键、继电器,复位电路等,在此不再一一赘述。2 D DS F 3 6 6型 电能表的软件设计特点和功能 D D S F 3 6 6型 电 能 表 的 软 件,是 基 于 Mi c r o e h i p 公司提供 的 Mp J a b集成化编程环境而设计 的,编程 语言为 c 1 8;具有模块化的结构,由主程序、监控程 序、脉冲计数子程序、按键查询子程序等模块组成。各子程序模块在主程序执行中被调用。主程序 完成计量总电能量及各时段 电能量 的累积、最大需 量计算、超计划用 电报警及超 限定功率报警,并能 完成月末电能量结算、转储 电能量等功能。监控程 序在电能表上 电或复位时执行,对 电能表进行初始 化,使各功能单元部分处于准备状态。脉 冲计数子 程序累计光电传感器产生的电脉冲的个数。执行按 键 子程序,可以查询 当前 总电能量、各个时段 电能 量、当前时 间、时段设置,等等,并将它们送 至显示 器显 示。3 DD S F 3 6 6型 电能表的特点和主要技术指标 D D S F 3 6 6型电能表能够提供多种费率,并 采用 I c卡作为购电媒介,适应 了供用电管理部 门对城市 居民、商贸企业等用电户实行分时电价,先购电、再 用电,以避免出现追缴 电费难的实际需求。D D S F 3 6 6型 电 能 表 可 根 据 用 户 的要 求 设 置 每 年 1 4个时区,每 日 1 l 2个时段,使用 1 4种费 率;可计量并存储不 同时段的用电量,同时计量总 电能量和剩余电能数。D D S F 3 6 6型 电能表 的 I C卡具体有清零卡、测 试卡、用户卡、首次售 电卡及抄表卡等。每个用电户 只持有用户卡,其 他卡 由电能表生产厂、供用 电管 理部门使用并保管。D D S F 3 6 6型电能表 的主要技术指标包括:额定 电压为 A C 2 2 0 V;额定电流有 5(2 0)A,5(3 0)A,1 0 (4 O)A三种规格;电能计量准确度有 1 0级、2 0级 两种档次;工作电压范围是 A C 1 5 4 V 2 6 4 V:交流 电 源 电压 频 率为 5 0 H z 5 ;脉 冲常 数有 1 6 0 0 i m p k wh、8 0 O i m p k Wh两种类型;允许 供电系统累计停 电时间约 3 0 0 0 0小时:费率电量(实时及上月)累积 值范围是 0 0 0 0 0 O k Wh 9 9 9 9 9 9 k wh;静态功耗 1 w;时 段 切 换 精 度 小 于 01 S;外 型 尺 寸 为 l 2 0 ram l 7 5 mm 5 7 n u n;工作温 度范围是-2 0 +5 5;工 作 湿度范围是 8 5 RH。4设计 中需注 意的 电池 失压 问题 在多费率型 电能表 中,时钟是分时计量的基 础,而电池又是时钟 的基础。当电池失压且供 电系 统 出现停电时,时钟将会停止或变慢。当供电系统 恢复供电后,时钟又从初始值开始重新计时,如此,所设置的时段 费率均失去意义,即多费率 电能表 的各 费率计量数据从此便出现混乱,不能再作 为计 量 的依据。由于备用 电池本身的容量有限,因此在 实际应用 中总会有备用 电池失压 时刻的出现,多费 率 电能表也就有出现失效的可能。本文作者提出,可以采用如下的应对办法:当 时钟失效后(指示 当前所处费率类型的指示灯不再 闪烁,以提示 备用电池失压),取消时段费率,改将 电能计量数据统一存放在“平费率电能数据 中,这 样,至少可保护过去时钟正常工作时所计量到的峰 谷费率电能数据的有效性。5改进方 向 5 1 统一红外线抄表标准或采用其他成熟技 术 红外线技术在 国外著名 电能表生 产厂家 的设 计 中很少采用,原 因是红外线方向性强 传输 多个 数据 时的可靠性差。但是因为红外通信模块价格便 一1 7 维普资讯 http:/ 总第 卷 第 4 3 6期 2 0 0 2年 第 4期 电科与仪表 El e e t tie 8 1 Me a ma r e me aa t I n s t r u me n t a t i o n Vo 1 3 9 0 3 6 Ap r 2 0 0 2 宜、便于制造,所 以国内不少厂家 目前 仍采用 红外 线技术来实现编程和抄表。而不同厂家生产的红外 线抄表器、编程器 困遵从各 自的标准而互不兼容,这也限制了产品的推广使用。改善、解决这个问题 的方法,一是制定红外线抄表的统一标准;二是尝 试采用技术 更为成熟并 符合市 场需求 的其他 网络 化 自动抄表技术方案。5-2 用 I C卡记 录备 用电 池数 据,使 厦 时曼换 电池 成 为可能 因为电池 失压所导致 的时钟失 效会造 成计 费 的混乱,所以需要尽可能避免这种情况发生。可 以 采用的一种方法是:用专门的 I c卡记录电池使用数 据,定期派维修人员到现场利用这种 l c卡,了解各 个电能表备用 电池 的使用情况,如果发现备用 电池 电压 已经低于限定值,就及时加 以更换;另外,还可 以能通过改变设计,使电能表装设备用电池的局部 成为可翻盖式 的,以便于现场更换备用电池。这些 措施可 以防止 电池失压,使 电能表 的轮换周期太太 延 长。6 结束语 D D S F 3 6 6型单相电子式多费率预付费电能表 已在秦皇岛海湾电力仪 表公司投人批量生产,经使 用证 明,其各项 功能的技术指标达到 了用户的要 求。该电能表的原理电路和实现方案由秦皇岛海湾 电力仪表公司提出,清华太学电机系 以技术服务方 式参与了整个的研发过程。参考文献:【l 1 毛善国,朱新建 多费率电能表技术【国防科技大学出版杜 1 9 9 5 I 司杨立才,何立琴,王孝红垒电于式多费辛 电度 表的设 计U】_ 电于 测量和仪器学报 1 9 9 8 1 2)I 剃重庆 机电式多费率智能电能表 J 计量技术 2 0 0 l(1)作奢两舟:崔伟(1 9 8 一),男 清华 大学电机 系硬 士生、现在从事 新型 电隧 表研 翻和阿络化测 量技术课题研究。收稿 日期:2 0 0 2 _ 0 2 01 f 杨长 江编发)“电功率、电能测量技术及测量仪表文集 出版 为了总结 2 o世纪我国电能测试技术及测量仪器仪表的发展情况,为了使从事谊专业的技术人员 有一本比较完整的资料,应读者的要求,我刊编辑部从 1 9 6 8年后各期 电刹与仪表 中刊 出的所有有关 电功率、电能测量 内容的技术论文编写了“电功率、电能测试技术及测量仪表文集”,“文集”现 已出版。本“文集”共收集上述有关内容文章 7 0 0余篇,共 5 O余万字,按 内容分 l 0章,其 中奎文收录 7 5 篇,各章 后 附有该 章 内容有关文章(给 出了题名,出版年、期及起止 页)。本“文集”反映了我国电能测试技术与仪器仪表的发展历程,展示了 目前电能测试技术新的水平,对电能计量、测试、管理人员;对电能仪表设计、制造、生产、使用人员;对电度表校验装置的设计、制造、使用人员及仪器仪表采购人员都是一本实用的参考资料,具有随时查阅和保存的价值。“文集”收工本 费 2 8元,汇款地址如下,请注明汇款人详细地址,邮编f 邮编请写在汇款人地址后面),以便您能及时的 收到“文集”。邮局汇款请寄:哈尔滨市哈平路 1 2 8号(1 5 0 0 4 0),电测与仪表 编辑部收 开户局号:2 6 l 0 5 l 6 帐号:2 0 o 0 5 6 8 5 3 银行汇款请寄:开户行:交通银行哈尔滨分行南岗支行 帐号:0 0 0 0 5 5 0 1 8 0 0 叭3 5 3 3 l 户头:电测与仪表编辑部 一1 8 一 电测与仪表 编辑部 强 维普资讯 http:/
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