1、具备无线通讯的三相多功能电能表设计方案关键字： ADE7758 ADF7020 Multi-function Energy Metering energy meter 三相多功能电能表 随着经济体制改革的深入，在市场的推动下，数字电能表发展迅猛，中国目前已成为世界电能计量行业最具有活力的市场。随着用户用电负荷的增加，供电质量的要求也越来越高，供电部门需要了解电网质量和用户的各种用电参数，如功率、电压、电流、频率等，这样三相电能表的应用范围得到了扩大。电能计量、电费核算及收缴的及时性和准确性已成为用电企业的重要课题。目前，电能表的抄表接口主要是 485 接口和红外接口，这两种方式逐渐不能满足实际
2、的需要，为此我们提出了新的抄表方案无线抄表。无线抄表的实现是迈向配电自动化的第一步，并有助于提高电力系统用电管理的水平。 电能计量芯片 ADE7758 精度为 0.5 级和 0.5S 级的三相多功能电能表可以采用 ADI 公司的 ADE7758。ADE7758具有以下的功能和特性：内部集成了 6 路独立的 16 位 -A/D 转换器、高性能 DSP、电压基准及温度传感器等电路，在 1000:1 动态范围内误差小于 0.1%；提供有功、无功及视在电能、电压、电流有效值及波形采样等数据；三相三线/三相四线兼容；功率、相位及输入失调可实现数字校准；在环境条件变化很大和长时间使用条件下，采用专利技术的
3、 ADC及 DSP 仍能保证高精度；DSP 内部对无功电能进行了补偿；提供独立的有功电能及无功电能脉冲输出。这些功能特点大大减少了 MCU 的软件开发工作量。基于 ADE7758 的电能表功能框图见图 1。 三相电能计量设计方法三相电能表根据使用条件分为互感器式、直入式。对于大电流用户，采用外接一次互感器，按标准其电流输出为 5A。三相电能表最常见的为互感器式，其互感器电流规格为1.5/6A。 1. 三相电能计量的设计条件 a. 电压规格 220V/380V； b. 电流规格为 1.5/6A，即基本电表为 1.5A、最大电流 6A。 图 1：基于 ADE7758 的电能表功能框图。2. 选择
4、ADE7758 作为主计量芯片，根据设计要求初步确定的条件 a. 三相四线模式； b. 选用各相电能代数和模式； c. 三相电流输入，最大电流为 6A，输入信号为 V=200mV，保证一定的电流过载能力； d. 相电压输入为 220V 时，输入信号为 V=200mV，保证 120%Ua(额定电压)时的计量线性度。 3. 三相电流二次互感器选择 a. 1.5(6)A/5mA、20 负载、精度 0.05 级，电流取样电路参见图 2，图中 R1、R2 为电流回路的取样电阻，必须选择误差 1%、温度系数100ppm/的精密电阻； b. R3、R4 为输入电阻，阻值为 1k； c. C1、C2 为滤波电
5、容，取样电阻值选择为 5，电流取样设计基本可以满足至少 6 倍额定电流的范围。 4. 三相电压回路采样电路设计 根据 ADE7758 数据手册，模拟信号的最大输入电平为 500mV，选择在输入幅度约 1/2 量程左右可保证实时的计量精度和大于 120%Ua 时的计量精度。分压采用电阻网络方式，取样电路如图 3 所示，Uap=180mV 。 5. 有功脉冲输出校准频率(CF) 根据电能计量原理，对于某一相而言，CF 计算公式： 其中，C 为电表脉冲常数，U n 为额定相电压值(单位 V)，I b 为额定相电流值(单位 A)。 取 C=3,200imp/kWh，将 Un=220V，I b=1.5A
6、，代入公式(1)计算：Fe=0.293Hz 。 当 ADE7758 的某一相的电压电流通道的采样达到最大电平 500mV 而剩下的两相为零时，输出的频率大约为 16kHz。这样，当电流采样电压 Uia=50mV，电压信号采样电压Uva=180mV 时，首先确定 ADE7758 不经过分频和校验时的输出频率为： 对 1,152/0.293 取整后得到 3,931，把 3,931 写入 ADE7758 的频率输出分频系数的分母，分子写入 1。接着对 ADE7758 各通道增益、相位、失调进行调整，就能得到准确和稳定频率的电能脉冲。 无线 RF 通讯模块 对无线 RF 收发功能，我们采用 ADI 公
7、司的 RF 收发芯片 ADF7020 来实现。ADF7020 有一系列产品，该方案中我们选用一款工作在 431MHz 至 478MHz 和 862MHz 至 956MHz双频段收发一体芯片，满足北美 FCC 与欧洲 ETSI-300-200 标准。 该芯片具有以下的功能特性：2.3V 到 3.6V 的宽工作电压范围，适合不同电池供电；待机电流仅 1A；从 -16dBm 到+13dBm 的可编程输出功率，调节步长 0.3dBm；内置自动频率控制补偿回路，可以在 862MHz 至 956MHz 频段对晶体补偿25ppm，对 431MHz 至 478MHz 频段对晶体补偿 5050ppm；接收时电流为 19mA，发送时电流为 22mA；拥有数字无线信号接收幅度指示(RSSI)输出。设计时采用 9,600bps 的速率，2FSK 调制，接收灵敏度为-106dBm，输出功率为 12dBm，其通讯距离可超过 500 米。 图 2：电流取样电路。图 3：分压采用电阻网络方式，取样电路。本文总结 该方案选择的无线芯片具有内置自动频率控制(AFC)，传输速率高，距离远等特点。整体设计比较简单，并兼顾了未来抄表的方向，较适用于山地及不方便进行有线传输的国家和地区。 作者：苏庆林 产品经理 世健系统有限公司 陈文 资深工程师 欣瑞利科技公司
