电子式电能表文档格式.docx

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将用电户的用电计量和管理集成一体，可大大缩小整机体积，优化配电箱的结构，精度高、功能全，并可进行远程自动抄表管理。

1.2电能表的发展历程

1.2.1感应系电能表的诞生和发展

世界上最早出现的电能表，是由德国人爱迪生在1880年利用电解原理的制作的直流电能表。

交流电的出现和使用，对电能计量仪表的功能提出了新的要求。

1888年意大利物理学家费拉里斯首先想到将旋转磁场理论用于交流电能测量。

与费拉里斯几乎同时，美国一位物理教师也根据旋转磁场的原理试制出了感应系电能表的雏形。

1889年，德国人布勒泰制作出了无单独电流铁心的感应系电能表。

1890年，带电流铁心的感应系电能表出现了，不过其转动元件是一个铜环，制动力矩靠交流电磁铁产生。

直到1世纪末，才逐渐改用永久磁铁产生制动力矩以降低转动元件旋转速度并增加转矩;

表的计数机构几经改进，铜制的圆转盘也由铝圆盘所取代。

至此，感应系电能表的制造理论基本形成。

经过一百多年的不断改进和完善，感应式电能表的制造技术也己相当成熟。

感应式电能表具有制造简单、可靠性好和价格低廉等特点，因此，至今在包括我国的许多发展中国家甚至是一些发达国家里，感应系电能表仍作为主要的计量工频电能的仪表被广泛使用。

1.2.2电子式电能表的产生

随着电能开发及利用的加快，对电能管理和电能表性能提出了更高的要求。

电力系统的不断扩大以及对电能合理利用的探索，使感应系电能表逐渐暴露出准确度低、适用频率范围窄和功能单一等缺点。

感应式电能表由于受其原理和结构等因素的制约，要对它进行较大的改进是很困难的。

基于微电子技术和计算机技术的不断发展，人们相继开发出了多种多样的电子式电能表。

早期的电子式电能表，仍采用感应系电能表的测量机构作为工作元件，由光电传感器完成电能脉冲的转换，然后经电子电路对脉冲进行适当处理，从而实现对电能的测量。

这种电能表的显著特点是感应系测量机构配以脉冲发生装置，因此也被称为感应系脉冲电能表或机电脉冲式电能表。

机电脉冲式电能表在国外早已有成熟产品，并自20世纪70年代初就开始在一些工业化国家逐渐被大面积采用。

这种电能表和机械祸合式多费率电能表都是感应系电能表向全电子式电能表过渡发展过程中的电能计量品种，它们对分时电价、需量电价制度的实施起了积极的推动作用。

但是以感应系测量机构作为其测量主回路的原理性缺陷，决定了它同样具有感应系电能表一样的准确度低、适用频率范围低等缺点。

为了替代感应系测量机构，从20世纪70年代起人们就开始研究并试验采用电子电路来测量交流电能。

由于电能是电功率对时间的积分，所以任何电子电路式电能计量方案的第一步都是确定电功率。

因而，使用乘法器是实现测量电功率和电能的电子电路的共同特点。

全电子式电能表是在20世纪70年代后期发展起来的，因其没有机械转动部分和计数机构，又称为静止式电能表或固态电能表。

但由于受当时的电子技术水平的制约，全电子电能表仅用于标准表。

随着电子技术的迅猛发展，电子器件的性能在20世纪80年代有了质的飞跃，且价格幅度下降，国外电子表的生产有了长足的进步。

到20世纪80年代末90年代初国外大公司相继推出了全电子式多功能电能表，如瑞士兰地斯公司（LANDIS&

GYR）、法国斯伦贝谢公司（Schletmberger）和美国通用电气公司（GE）等。

电子式电能表按照其乘法器工作原理的不同可分为模拟乘法器型和数字乘法器型两大类。

模拟乘法器型又有晶体管阵列平方乘法器、热偶乘法器、可变跨导型乘法器、双斜积分乘法器、霍尔效应乘法器和时分割乘法器等几种类型。

数字乘法器也已有几个种类。

目前电子式电能表在国外的使用己比较普遍，特别是在西方发达国家非常普及，其年销量已超过机械式电能表。

电子电能表与机械式电能表相比，除具有测量精度高、性能稳定、功耗低、体积小和重量轻等优点外，它还可以实现更丰富的功能，如复费率、最大需量、有功和无功电能记录、事件记录、负荷曲线记录、功率因数测量、电压合格率统计和串行数据通信等。

电子式多功能电能表应用领域很广，并由于它具有强大的通讯功能而广泛应用于远程抄表，为用电管理所需的电能计度数据远程自动采集和自动计费、为电厂考核上网报价商业运营，以及为大型企业内部能源自动化管理提供了先进的技术手段。

而在初期，人们对于电子式电能表推广使用存在很大争议，主要原因是其使用寿命和可靠性指标方面有待进一步提高。

电子式电能表的失效机理与机械式电能表不一样，机械式电能表的失效机理属机械磨损型，在使用过程中精度逐渐降低，最终失效，辅以机械计度器进行数据显示，一旦发生故障，主要的只是计量精度不符要求，但计度器的度数还在，其影响相对较小。

电子式电能表的失效机理属偶发性的，一旦出现故障就可能导致不计电量，无显示，或历史计量数据丢失，其故障原因可能仅仅是由内部的某些元器件失效所致。

同时，电子式电能表在现场使用环境下暴露出抗干扰能力差等弱点。

经过调查和试验发现，生产厂家在元器件和材料选择、工艺上随意性较大，质量波动明显，另外缺乏实际运行经验，生产也未形成规模，售后服务和技术支持投入力量都不足，所以在当时的条件下大面积使用风险较大。

随着电子电路设计与制造新技术的出现，电能表的器件选择和工艺控制逐渐成熟，以及电子式电能表在各种现场环境下工作可靠性的问题逐渐攻破，相继出现了多种寿命长、可靠性高、适合现场使用的电子式电能表。

目前己有相当数量的各种类型的国产和进口电子式电能表投入电网运行，并已产生了显著的经济和社会效益。

在多年来的推广和使用中，电子式电能表性能的优越表现使人们对它建立了充分的信心。

我国从20世纪90年代初开始研制全电子式电能表，其产品大多为斯伦贝谢模式。

1994年威胜集团、恒通公司等相继推出了电子式多功能电能表。

随后有多家公司开始小批量生产。

经过技术的引进、消化和吸收，我国电子式电能表的研制与生产逐渐进入创新和符合国情的快速发展阶段。

1996年初电力部下令在全国推行复费率和负荷控制，为电子式电能表开辟了广阔的应用领域。

并由于“两网改造”的带动，电子式电能表应用面迅猛扩大，它的开发设计和制造技术也得到了飞速的发展。

1.3电能表的工作原理

目前，国内智能电度表从结构上大致可分为机电一体式和全电子式两大类。

机电一体式，即在原机械式电度表上附加一定的部件，使其既完成所需功能，又降低造价且易于安装，一般而言其设计方案是在不破坏现行计量表原有物理结构、不改变其国家计量标准的基础上加装传感装置，变成在机械计度的同时亦有电脉冲输出的智能表，使电子计数与机械计数同步，其计量精度一般不低于机械计度式计量表。

这种设计方案采用原有感应式表的成熟技术，在计量方面没有太多的技术难度，所以被大量采用。

脉冲式和数字式电表，实现自动抄表相对较容易，但是由于其价格昂贵，用户使用范围有限。

磁卡预收费电表的使用也存在很大的缺陷：

只适用于散户，不便于集中物业管理；

抗干扰能力弱，易产生用电纠纷；

易解密。

普通型电表价格低廉，为绝大多数用户所使用。

因此较实用的电表抄录系统还是要针对居民用户的普通电表来设计。

普通电能表的工作原理是：

当把电能表接入被测电路时，电流线圈和电压线圈中就有交变电流流过，这两个交变电流分别在它们的铁芯中产生交变的磁通；

交变磁通穿过铝盘，在铝盘中感应出涡流；

涡流又在磁场中受到力的作用，从而使铝盘得到转矩（主动力矩）而转动。

负载消耗的功率越大，通过电流线圈的电流越大，铝盘中感应出的涡流也越大，使铝盘转动的力矩就越大。

即转矩的大小跟负载消耗的功率成正比。

功率越大，转矩也越大，铝盘转动也就越快。

铝盘转动时，又受到永久磁铁产生的制动力矩的作用，制动力矩与主动力矩方向相反；

制动力矩的大小与铝盘的转速成正比，铝盘转动得越快，制动力矩也越大。

当主动力矩与制动力矩达到暂时平衡时，铝盘将匀速转动。

负载所消耗的电能与铝盘的转数成正比。

铝盘转动时，带动计数器，把所消耗的电能指示出来。

感应式电能表采用电磁感应的原理把电压、电流、相位转变为磁力矩，推动铝制圆盘转动，圆盘的轴（蜗杆）带动齿轮驱动计度器的鼓轮转动，转动的过程即是时间量累积的过程。

因此感应式电能表的好处就是直观、动态连续、停电不丢数据。

电子式电能表则从计量到数据处理都采用以集成电路为核心的电子器件，运用模拟或数字电路得到电压和电流向量的乘积，然后通过模拟或数字电路实现电能计量功能；

电表体积减小，可靠性增加，更加精确，耗电减少，并且生产工艺大大改善；

由于应用了数字技术，分时计费电能表、预付费电能表、多用户电能表、多功能电能表纷纷登场，进一步满足了科学用电、合理用电的需求。

系统的各项功能、性能应满足电力部《低压电力用户集中抄表系统技术条件（试行）》的要求，电能表应达到的部分性能及技术指标如下：

电能表分单相电子式电能表和机电一体化电能表两种，均能实现同样的计度及数据传输功能。

对于机电一体化电能表，全部部件完全装在表内。

功耗:

非传输状态下不大于0.5W,传输状态下不大于5.5VA。

适用环境:

0-40摄氏度、相对湿度不超过85%。

适应电源波动士20%的要求。

全部弱电元件均与220V电力线隔离，保证电表的安全使用。

工频耐压2000V，冲击耐压6000V。

电能表应具有良好的电磁兼容性，要经受2000/4000V高频脉冲串的传导干扰；

承受频率为100-1000Hz、强度为10V/m的高频电磁场干扰：

承受8000V静电放电干扰。

1.4远程自动抄表系统

目前，我国绝大多数城乡居民用电抄表还采取人工方式，既消耗大量的人力、物力，且采集数据的时间跨度大、准确度低。

因此，国家有关部门规定以后将逐步以计算机为基础的自动抄表系统取代传统的人工抄表。

远程自动抄表系统实现用电数据的自动抄收，可杜绝人工操作的一切弊端。

用户的用电数据可直接进入用电营业的计算机管理系统，用电管理人员可随时监视用电情况，发现问题（如故障、偷电等）及时处理。

随着形势的发展，居民在银行开设个人账户，营业计算机管理系统与银行联网，完成数据的自动抄收、处理、银行转账交费等全套操作，可真正实现用电管理的自动化。

计算机网络的信号传输媒体有无线射频、电话线、电力线、双绞线等多种形式，可根据现场情况选择。

利用现代通信技术和计算机技术以及电能量测量技术结合在一起，便能够及时、准确、全面地反映电量使用情况。

采用计算机自动抄录用户电表数据、自动计费报表是用电管理发展的必然趋势。

针对普通用户开发一个经济适用、可靠的自动抄表系统，可以增强用电管理部门用电经营管理的效率，提高配电管理与决策的科学性，减少人力资源的浪费。

另外利用抄表系统自动传输和记录电表数据，如果遇到用电收费纠纷，还可以实时查验和查询历史用电数据。

这样使我国公用事业的收费工作方式得到有效改善。

抄表系统的研制成功，必将带来一定的经济效益和社会效益。

1.5本文设计的电能表简单说明

根据目前国内电表系统现状，以及适合国家发展的改革电表的趋势，本文设计了一种电子式电能表，它运用CS5460专用电能计量芯片，通过其外围电路，现场总线CAN总线的传输，能方便地实现电能的计量、显示、存储及传输。

是一种很有前途的智能型电能表，它运用现代化的智能芯片及通讯方式作为手段，将逐渐取代老式电能表，进入到千家万户，发挥其强大功效，给我们的生活带来方便。

2系统方案设计

2.1系统总体方案设计

老式电能表不能适应社会的需求，迫切需要改变不足。

针对目前老式电表的种种问题，这里设计了一种运用电能计量专用芯片CS5460，微处理器及其外围电路，CAN总线来实现电能的计量、显示，存储和通讯等任务的电表系统。

该设计能实现电能计量，用户用电数据储存及显示，通过CAN总线进行传输及控制限电等功能。

系统原理框图如图2-1。

本设计按其功能要求，围绕单片机分为六个主要的部分，分别为：

（1）电能计量部分；

（2）CAN总线通讯部分；

（3）电源部分；

（4）显示部分；

（5）断电部分；

（6）存储器部分。

这里就各部分进行简单说明如下:

电能计量芯片CS5460计算用户用电量，并将功率转化为脉冲输出；

CAN总线通讯可以很可靠地实现分布式电表和数据中心的通讯；

电源为单片机，电能计量芯片CS5460及其它芯片提供+5V稳压电源，并提供上电复位和掉电复位信号；

显示芯片7219能自动完成用户累计电量的显示，完成动态扫描LED显示器；

断电机构的作用是当数据中心的上位机发出断电命令时，实现对用户的断电；

存储器的主要作用是存储数据，作为掉电后数据恢复的依据。

2.2系统分块设计（六个部分）

2.2.1电能计量芯片CS5460

传统的电能计量算方法存在很多弊端，电能测量必须进行改变，电能计量对国民经济和人们的切身利益有着重要意义。

如何保证电能计量精度这是一个十分重要的问题，人们一直在寻找一种更好的解决方式。

电量采集部分是保证该计量装置的电能测量精度、提供修正综合误差所需的测量数据的重要环节。

CS5460是带有能量计算引擎的CMOS单芯片功率测量装置。

它将两个Δ∑ADC、一个高速能量计算单元和一个串行接口集成在一个单芯片上。

它的内部包括一个可编程增益放大器、两个Δ∑调制器、两个高速数字滤波器，具有系统校准、IRMS、VRMS计算、能量计算、瞬时功率计算等功能。

因此它用于精确测量和计算电能、瞬时功率以及电流和电压的有效值。

以CS5460芯片构成的电表计量系统，能有效解决以往电能测量中的问题。

1.CS5460的优势

该芯片采用CMOS制造工工艺，功耗低，集成度高，组成电能表所需的外围器件少，在300：

1的动态范围内测量电能数据的纯属度在0.1%，同时，片内集成有电能，电压真有效值、电流真有效值的计算和电能脉冲转换功能，由该芯片设计出的电能表符合IEC521/1036工设计标准。

传统的电能表只能测电能，即使是电子式电能表所测的电压和电流也是其平均值所转换的标准值，准确度不高，为了测得真有效值，需加入平均值勤真有效值转换集成芯片，相应的电能表的体积会增大，CS5460内部集成的电压电流真有效值计算功能，自由化了电能表电路设计，提高了精度，同时缩小了电能表体积。

由于CS5460集成有简单的三线串行接口，易于和单片机接口，因此基于CS5460的电子式电能表易于实现电能的现代化管理，是一种新型的电能表，有广阔的发展空间和利用价值。

CS5460芯片有许多优点：

可测量瞬时电流、瞬时电压、瞬时功率、电流有效值、电压有效值、功率有效值和电能计量，该芯片的性能优于其它计量芯片，主要表现在：

（一）具有片内看门狗定时器（WatchDogTimer）与内部电源监视器；

（二）双向串行接口与内部寄存器阵列可以方便与微处理器相连接；

（三）具有机械计度器/步进马达驱动器；

（四）片内2.5V参考电压；

（五）外部时钟最高频率可达20MHz；

（六）具有功率方向输出指示；

（七）提供了外部复位引脚。

2.CS5460主要技术指标：

差分电压输入范围:

150mV；

温度系数:

<

60ppm/0c；

功率消耗:

10mW；

电能计量精度:

在300:

1动态范围以上每秒读取0.1%；

电压测量精度:

读数的0.1%；

电流测量精度:

瞬时功率测量精度:

当CS5460的外部晶振为4.096MHz，倍率K=1时，功率和脉冲输出的关系为：

1度电=500个脉冲

考虑CS5460优于其它电能计量芯片的诸多优点，本设计采用CS5460作为电能计量芯片。

2.2.2电表通讯选用现场总线CAN总线通讯

在实际工作中，计算机的CPU与外部设备之间常常要进行信息交换，一台计算机与其他计算机之间也要进行交换信息，所有这些信息交换均可称为通信。

通信方式有两种，即并行通信和串行通信。

通常根据信息传送的距离决定采用哪种通信方式。

并行通信是指数据通信的各位同时进行传送（发送或接收）的通信方式。

其优点是传送速度快；

缺点是数据有多少位，就需要多少根传送线。

不适合远距离通信。

而串行通信指数据是一位一位按顺序传送的通信方式。

它的突出优点是只需一对传输线（比如电话线），这样就大大降低了传送成本，特别适用于远距离通信，其缺点是传送速度较低。

现场总线控制系统既是一个开放的网络，又是一种全分布控制系统。

它作为智能设备的联系纽带，把挂接在总路线上、作为网络节点的智能设备连接为网络系统，并进一步构成自动化系统，实现基本控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、监控、优化及控管一体化的综合防治自动化功能。

这是一项集嵌入式系统、控制、计算机、数字通信、网络为一体的综合技术。

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1.几种典型现场总线的介绍――现场总线技术特性及应用范围的比较

（一）基金会现场总线（FF，FoundationFieldbus）

FF总线是新一代的过程控制体系结构，为过程控制用户提供的功能支持是过去任何过程控制设备都无法比拟的。

基金会现场总线最大的好处在于它不只是一种总线，而且是一个系统；

它是国际公认的唯一不附属于任何企业的非商业化的国际标准化组织。

FF总线是目前最具发展前景，最具竞争力的现场总线之一。

FF总线系统作为全分布式自动化系统，主要完成以下功能；

对工业生产过程各个参数进行测量、信号变送、控制、显示、计算等，实现对生产过程的自动检测、监视、自动调节、顺序控制和自动保护。

FF总线拥有非常出色的互操作性，这在于FF采用了功能模块和设备描述语言DDL，使得现场节点之间能准确、可靠的实现信息互通。

目前FF有29个功能块，其中包括10个基本功能块和19个先进功能埠。

用户还可以开发自己的功能块，这些功能块之间通过标准的DDL实现互操作。

FF总路线按照传输速率分为低速现场总线H1和高速总线H2。

H1总要用于现场级，特别适合于热工仪表控制，替代DCS控制功能。

H2总线主要面向过程控制级、远程I/O和高速工厂自动化的应用，不过H2尚在开发之中。

FF总路线的开发费用比较高，目前几乎没有安装应用实例。

（二）控制器局域网络（CANControlAreaNetwork）

CAN总线最早是由德国Bosch公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信协议。

它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通讯网络，其总线规范已被ISO国际标准化组织制定为国际标准。

CAN总线的应用范围从高速网络到低成本的多线路网络，广泛应用于控制系统中的各检测和执行机构之间的数据通信。

CAN总线基于OSI模型，但进行了了优化，采用了其中的物理层、数据链路层、应用层，提高了实时性。

传输介质为双绞线，通论速率与总线长度有关。

CAN总线采用短消息报文，第一帧有效字节娄为8个；

当节点出错时，可自动关闭，抗干拢能力强，可靠性高。

现场总线领域中，CAN总线得到了计算机芯片商的广泛支持，它们纷纷推出直接带有CAN接口的微处理器（MCU）芯片。

带有CAN的MCU芯片总量已经达到1亿3千万片（不一定全部用于CAN总线）；

因此在接口芯片技术方面，已遥遥领先于其他所有现场总线。

此外，CAN总线的硬件接口非常简单，编程方便，系统构成容易，用户无需专门的培训即可操作，相对于FF等其它总路线来说开发系统廉价，可以说CAN是一种性价比非常好的现场总线。

（三）PROFIBUS总线（ProcessFieldbus）

PROFIBUS由三个兼容部分组成，即PROFIBUS-DP（DecentralizedPeriphery）、PROFIBUS-FMS（FieldbusMessageSpecification）和PROFIBUS–PA（ProcessAutomation）

PROFIBUS-DP：

是一种高速低成本通信连接，用于设备级控制系统与分散式I/O的通信。

其最主要的优点是具有较高的数据传输速率，允许高速周期性的小批量数据通信，适用于通信时间要求较高的场合；

PROFIBUS-FMS：

是一处令牌结构，实时多主网络。

是为现场的通用通信功能设计的协议。

FMS提供大量的通信服务，用于完成中等传输速度进行循环和非循环的通信任务。

适用纺织工业、楼宇自动化、电气传动、低压开关等一般自动化；

PORFIBUS-PA：

专为过程自动化设计，可使传感器和执行机构联在一根总线上，主要用于对安全性较高的场合及由总线供电的节点。

与其它现场总线系统相比，PROFIBUS的最大优点在于具有稳定的国际标准EN50170作保证，并经实际应用验证具有普遍性。

PROFIBUS开放性和不依赖于厂商的通信的设想，已在10多万成功应用中得以实现。

（四）局部操作网络，（LONWORKS、LocalOperationNetwork）

LONWORKS技术是美国ECHELON公司于1991年年推出，并与Motorola和东芝公司共同倡导的现场技术。

为集散式监控系统提供了很强的实现段手段。

LONWORKS具有很强的网络功能，它采用了OSI全部七层模型，是现场总线中唯一采用七层模型的总线。

LON采用Lontalk协议，其网络的核心是Neuron芯片，它既能管理通信，同时具有输入/输出及控制等功能。

由于Neuron芯片的协议处理与通信介质无关，因而能支持多种通信媒介，如双绞线、电力线、射频、红外线、同轴电缆和光纤等。

可以说LON本身就是一个局域操作网络，因此与展开网的兼容性比任何现存的现场总线都好。

但LONWORKS和其它总线一样并不是十全十美的，LON技术还未能深入底层仪表，因而在流程工业自动化领域受到限制。

LONWORKS是楼宇自动化的理想选择，在国内LON是主要应用于楼宇自动化方面。

（五）HART总线（HighwayAddressableRemoteTransducer）

HART协议是由美国Rosemount公司于1986年提出来的通信协议。

这种被称作可寻址远