三相多功能电能表的设计
三相多功能电表的设计与总结报告
三相多功能电表的设计与总结报告山东省大学生“高教社&XILINX杯”电子设计竞赛三相多功能电表的设计与总结报告参赛题目：三相多功能电表所属单位：曲阜师范大学物理工程学院摘要系统是基于ATMEGA16单片机和ATT7028A专门计量芯片为核心器件的三相多功能电表。
采用电压互感器与电流互感器对三相电网取样，ATT7028A根据取样信号能够测量出各相以及合相的有功功率、有功电能、各相电流电压有效值、功率因数、相角、频率等数据，数据送入ATMEGA16单片机。
用户可以通过单片机提供的丰富的用户界面读取相应的数据，并可以通过标准RS-485通讯来实现远程有线测量和标准USART通讯来实现远程无线测量。
本系统很好的完成了题目要求的基本及发挥要求，并进行了进一步的扩展。
关键词：ATMEGA16 ATT7028A 三相多功能电表远程测量A bstractThis system is a three-phase multi-function power meter, which the core device is based on ATEMGA16 and ATT7028A. It samples on Drehstromnetz with the use of the Voltage Transformer and Current Transformer. According to the sample signals accquired, ATT7028A works out the active power and total active power, active electrical power, RMS current and voltage of each phase, Power Factor, Phase angle, and Frequency. When the above data are inputted into ATEMGA16, users can read the corresponding data by means of the rich user interface provided by ATMEGA16; they can realize remote cable measurement through standard RS-485 communication; and then they can achieve remote wireless measurement by standard USART communication. The design achieved and even exceeded all the technical indexes with better accuracy and control.Keywords: ATMEGA16；ATT7028A；three-phase；multi-function power meter ；distance measurement目录摘要 (1)1 设计要求 (1)1.1 基本要求1.2 发挥部分2 方案设计与论证 (1)2.1 整体方案的设计与论2.2 控制部分MCU的选择2.3 取样电路2.4 显示电路2.5 远程通信单元2.6 垵键电路2.7 软件部分方案3 理论分析与计算 (4)3.1 三相有功功率，有功电能、无功功率、功率因数、无功电能的计算3.2 电压和电流有效值的测量3.3 三相有功功率和有功电能的计算3.4 功率因数的测量3.5 相序检测4 测试方法与数据，测试结果及分析 (6)4.1 测试仪器4.2 校表方法4.3 测试数据4.4 测试结果分析5 总结 (8)5.1 基本功能5.2 发挥部分5.3 功能扩展部分5.4 比赛总结6 附录 (9)6.1 参考文献6.2 ATT7028A外部引脚与内部框图6.3 主要元件清单6.4 电路图6.4.1 5v 电源6.4.2 按键功能对应表与键盘简略电路图6.4.3 Atmega16单片机外围电路图6.4.4 ATT7028A外围电路图6.4.5 电流互感器与电压互感器电路图6.5 程序框图及部分程序6.5.1 框图6.5.2 部分程序1设计要求1.1基本要求（1）测量功能及技术参数A．三相额定交流相电压：100V/220V/380V，过载能力：持续1.2倍、瞬时电流10倍/5秒；B．三相额定交流电流：1A，过载能力：持续1.2倍、瞬时电压2倍/1秒；C．三相三线或者四线任意选择；D．实现电压和电流相序检测功能（2）准确度: 测量精度：1级。
基于RN8302三相多功能防窃电电能表的设计
信号采样 、 Ａ ／ Ｄ 转换 、 相位校 准、 比差与角差补偿后再计算
每相的有功、 无功 、 视在三种电能 量， 并将三种电能量累加 到电能计 量芯片Ｒ Ｎ ８ ３ ０ ２ 对应的寄存器 中。
摘婪 ： 本文针对采用ＡＤＥ ７ ７ ５ ８ 作为电能计量芯片而设计的 电表存在 着功能简单和精度低等缺点 ， 提 出了一种新型数字式三
相多功能防窃电电能袭的设计方案 。 该方案采用Ｒ Ｎ ８ ３ ０ ２ 芯片和Ｐ Ｉ Ｃ １ ６ Ｆ ８ ７ ７ Ａ 芯片， 不仅能计 量多种 电能参数以满足不 同的 实际需求， 而且可对芯片内 部寄存器 的参数进行微调 ， 使其达到很高的计量精度。 关键词： 三相多功能电能裹 ； 液晶显示； 防窃电 中图分类号： Ｔ Ｍ９ ３ ３ ． ４ 文献标志码 ： Ｂ
基于SOC技术的多功能导轨式三相电能表设计与应用
基于SOC技术的多功能导轨式三相电能表设计与应用0.引言据统计，我国公共建筑单位面积的年平均耗电量数值巨大，约占全国城镇总耗电量的22%。
在公共建筑节能方面，分项计量是现阶段有效可行的方法。
分项计量系统中电表作为终端元件，在功能、性能、安装方式上都有较严格的要求。
目前我国供电部门用于收费的电能表为壁挂式安装方式，此安装方式占用空间较大，不易安装，更不适用于本来空间就狭小的改造项目。
而且大型公共建筑分项电能计量属于内部计量管理，不宜使用收费电表，而应采用电力仪表。
导轨式安装在体积、结构上都优于传统的壁挂式和嵌入式仪表，其特殊的安装方式既可以安装在终端照明箱中又可以安装在大型开关柜、动力柜中而不用重新开孔。
1.设计依据电能表作为计量型仪表，与经济、民生息息相关。
因此，其相关标准在众多工业标准当中是最为严格的。
国内电能表主要参考的标准为：l GB/T17215.322-2008 《交流电测量设备特殊要求第22 部分：静止式有功电能表（0.2S 级和0.5S 级）》l GB/T17215.211-2006 《交流电测量设备通用要求、试验和试验条件第11 部分:测量部分》l DL/T614-2007《多功能电能表》以上标准针对电能表在设计、生产及应用中的性能、功能都规定了详细的技术参数。
其中较为重要的性能指标有：1）、工频耐压。
所有的电流线路和电压线路以及参比电压超过40V 的辅助线路连接在一起为一点，另一点为地，试验电压4kV 加于该两点间，不应发生飞弧、火花放电或击穿现象。
2）、快速瞬变脉冲群试验。
在电压和电流线路加4kV 脉冲群，仪表准确度应在相应标准规定的极限内。
3）、静电放电抗扰度试验。
接触放电8kV，空气放电15kV，仪表不能有死机或精度不准显现。
4）、浪涌抗扰度试验。
在电压线路通以参比电压，电流端开路，在电压和电流线路上施加4kV，正负极各5 次，仪表不应损坏不能工作。
以上几点指标在各自的试验规格中都是最高级。
高精度多功能标准电能表设计方法
*高精度多功能标准电能表设计摘要：介绍一种高精度、多功能三相标准电能表的设计方法。
采用硬件锁相环电路，控制单片6通道16位高速并行A/D转换器ADS8364实现对三相电压、三相电流同步整周期均匀采样。
TMS320F2812 DSP 对采集的三相电压、电流数据进行运算和处理，并用软件方法产生高低频标准电能脉冲。
给出了系统总体结构、模拟通道设计、倍频锁相电路、数据采集电路、各种电参数测量算法及系统软硬件抗干扰措施。
主要指标的准确度等级优于0.05级。
其设计方法对于高精度电力测量仪表的研制具有实际参考价值。
关键词：标准电能表；同步采样；锁相环；ADS8364；TMS320F2812Design of High-precision Multi-functional Reference Energy MeterAbstract: Design method of high-precision, multi-functional three-phase reference energy meter is introduced. A hardware phase-locked loop circuit is used to control 6 channels 16 bits high-speed parallel interface converter ADS8364, realize the function of synchronous and full period collection of three-phase voltage and current. TMS320F2812 DSP processes and analyzes the acquired voltage and current data and generates standard electric energy pulses using software. The system hardware structure, analog channels circuits, data acquisition circuits, measurement algorithms of electric parameters and anti-jamming methods are given. Measuring accuracy grades of main parameters excelled 0.05%. Its design method has practical reference values for high-precision electrical measuring equipments.Keywords: Reference energy meter; Synchronous sampling; Phase-locked loop; ADS8364; TMS320F28120 引言课题背景电力是国家经济发展的命脉，随着工业技术的不断进步，对电力的需要越来越大，电力部门需要及时、准确的对供、用电量进行计量并监测电网的相关参数以便采取相应的措施保证整个电网的安全和稳定，电能表是必不可少的监测设备。
基于71M6513的三相多功能电能表设计的开题报告
基于71M6513的三相多功能电能表设计的开题报告1.项目背景三相多功能电能表是一种高精度、高可靠性的智能电能测量、计量和管理装置，可以实现电能检测、累积、时段峰谷管理、远程抄表等功能。
市场上的三相多功能电能表大多采用单片微处理器作为控制核心，但在性能、存储容量、运算速度等方面存在限制。
而基于ST公司的71M6513三相多功能电能表控制芯片，可进一步提高电能表的精度、稳定性和功能性。
2.项目目标本项目旨在设计和实现基于71M6513的三相多功能电能表，包括硬件和软件两个方面。
具体目标如下：（1）完成电能测量、计量、峰谷管理等基本功能的设计和实现；（2）具有多通道AD采集、DSP数字信号处理和LCD显示功能；（3）具有可扩展的通讯接口、远程升级等功能。
3.技术方案（1）硬件设计：本项目主要由三部分组成，即前端电路、控制核心和显示部分。
前端电路包括电压采样电路、电流采样电路和电源电路等；控制核心采用ST公司的71M6513三相多功能电能表控制芯片；显示部分采用LCD模块显示数据。
所有模块会在PCB板上进行布局和连接，形成完整的系统。
（2）软件设计：基于71M6513核心的软件设计包括实时系统和应用系统两部分。
实时系统主要包括时钟系统、中断系统、定时器系统和存储器系统等；应用系统主要包括ADC采样、计算、存储，数据传输，显示等功能。
4.实施计划（1）第一阶段（1个月）：熟悉电能表控制芯片的原理、功能和规格。
完成硬件设计基础工作，包括原理图设计、PCB设计、器件选择等。
（2）第二阶段（2个月）：完成电能表软件设计，包括实时系统和应用系统两部分。
实现基本的功能，如电能测量、计量、峰谷管理等。
（3）第三阶段（1个月）：完成电能表系统整合测试，包括功能测试、性能测试、稳定性和可靠性测试等。
并进行相关修复和优化。
5.预期成果本项目的预期成果包括硬件和软件两个部分。
硬件部分为基于71M6513的三相多功能电能表，具有高精度、高可靠性、多功能等特点；软件部分包括实时系统和应用系统，可实现电能测量、计量、峰谷管理、多通道AD采集、DSP数字信号处理、LCD显示等功能，并具有可扩展的通讯接口和远程升级等特点。
基于71M6513的三相多功能电能表设计
收稿日期:2008-04-16作者简介:刘鹏(1983 ),男,硕士研究生,主要研究方向为智能仪器及信息处理;滕召胜(1963 ),教授,博士生导师,主要研究方向为智能检测与智能控制基于71M 6513的三相多功能电能表设计刘 鹏1,滕召胜1,周良璋2(1.湖南大学电气与信息工程学院,湖南长沙 410082;2.杭州海兴电器有限公司,浙江杭州 310011)摘要:设计了一款基于71M 6513的单芯片结构多功能电能表,介绍了71M 6513的芯片特点,讨论了电能表的系统设计方案,重点介绍了计量前端的接口设计,探讨了电能表的误差修正方法。
这种单芯片电能表设计有效降低了成本、提高了可靠性。
检验结果表明,仪器的有功电能测量误差 0.5%,符合I EC62053和AN SIC12.20的性能与功能要求。
关键词:71M 6513;电能表;误差修正中图分类号:TP216 文献标识码:A 文章编号:1000-8829(2008)11-0007-04D esign of Three PhaseM ult-i Function EnergyM eter Based on 71M 6513L IU Peng 1,TENG Zhao -sheng 1,ZHOU L iang -zhang 2(1.Coll ege of E l ectrical and Infor m ati on E ngi neeri ng ,Hun an Un ivers it y ,Changsha 410082,Ch i na ;2.H angz hou H ex i ng E l ectrical Co .,LTD ,H angz hou 310011,Ch i na)Abstrac t :The three phase m ult-i function energy m eter based on si ng le chip 71M 6513is desi gned .The charac teristi cs of 71M 6513are i ntroduced .T he sy stem desi gn sche m e o f energy m eter is discussed .The i nterface desi gn o fm easurem ent is espec i a lly presented .T he correcti on m ethod o f error i s d i scussed .T he desi gn o f energy m ete r based on si gnle ch i p reduces the cost and enhances the relia -b ilit y .The test result s how s that the acti ve energy erro r o f t h is three phase mu lt-i functi on energy m eter i s less than o r equa l to 0.5%.T he instru m ent m eets the perfor m ance and f uncti ona l require m ents o f IEC62053and ANS I C12.20.K ey word s :71M 6513;ene rgy me ter ;error correc ti on 目前国内外多功能电能表一般采取如下两种设计方案:第一种方案是采用 专用电能计量芯片+M CU ;第二种方案是采用 AD 采样+DSP+M CU [1~4]。
基于CS5451A的三相多功能电表设计
基于CS5451A的三相多功能电表设计基于CS5451A的三相多功能电表设计随着电子技术的飞速发展，电能表的集成度越来越高，在三相多功能电表市场上，主要有两种架构：1、电能计量芯片加微控制器。
2、A/D转换芯片加微处理器。
第一种方案成本比较低，功能主要取决于电能芯片，微控制器不能进行复杂的数据处理，所以不具有谐波分析功能。
第二种方案可以通过复杂的数据处理，实现非常多的功能。
本文主要介绍基于CS5 451A+TMS320C2801的三相多功能电表设计。
芯片介绍：CS5451A是CirrusLogic公司为能源测量工业设计的高度集成的Delta-Sigma模拟至数字（A/D）转换器。
CS5451A在一个芯片上结合了6个Delta-Sigma 模数转换器、滤波器和一个与微控制器或DSP相联接的串行接口。
CS5451A与一个变流器或可测量电流的分流器和电阻分割器或测量用变压器直接连接。
同时该产品已被初始化和功能完全设置，并包括一个电压参考。
框图如下。
TMS320C28x™ 系列数字信号控制器是业界第一款 32 位基于 DSP 的控制器，具有板载快闪存储器和高达 150MIPS 的性能。
它们针对于工业自动化、数字电源、汽车控制以及高级传感应用。
C28x 内核是世界上最高性能控制优化内核，提供计算带宽来实时处理许多复杂的控制算法，如无传感速度控制、随机 PWM 以及功率因数校正。
C28x 还提供了足以与一般的 MCU 相匹敌的 C 代码效率，与 C 2000 系列中的当前器件完全代码兼容。
硬件设计：本方案按功能可分成以下几块。
1、电压转化模块是一个电阻网络，用分压电阻的方法，把三相电压信号转化成三个400mV的信号,经过阻容滤波送入CS5451A.2、电流转化模块是通过电流互感器，把0-6安的三相电流信号转化成三个40 0mV的信号, 经过阻容滤波送入CS5451A.3、CS5451A模块功能是把输入的六通道电压电流信号转化成数字信号输出。
基于ATT7022A的三相多功能电表设计
0.5s级三相多功能电能表的原理、设计与实现的开题报告
0.5s级三相多功能电能表的原理、设计与实现的开题报告尊敬的评委老师：我是XXX，学号XXXXXXX，现就“0.5s级三相多功能电能表的原理、设计与实现”选题提交开题报告，敬请评审。
1.选题背景随着电力系统信息化和数字化的不断发展，电能表的功能和性能需求也越来越高，传统的电能表已不能满足现代电力系统对电能计量的精度、可靠性和智能化管理的要求。
因此，研制一种0.5s级三相多功能电能表已成为电能计量技术研究的重要发展方向。
2.研究内容及目的本课题旨在深入研究0.5s级三相多功能电能表的原理、设计与实现，探究如何提高电能计量的精度和可靠性，同时融入电能管理的智能化。
具体研究内容包括：(1)0.5s级三相多功能电能表的国内外研究现状和发展趋势；(2)0.5s级三相多功能电能表的电能计量原理及计量精度要求；(3)多功能电能表的硬件设计和软件开发技术；(4)开发三相电能表的智能管理系统。
通过这些研究，旨在设计一款能完美实现0.5s级三相多功能电能表的硬件、软件设计，同时实现对电能管理的智能化，提高电能计量的精度和可靠性，使电能表满足现代电力系统需求。
3. 研究方案及方法(1)文献调研：通过收集国外和国内的电能表研究资料，了解电能表的发展历程、技术发展现状及关键技术。
(2)电能计量原理：分析电能计量原理，研究0.5s级三相多功能电能表的电能计量原理及计量精度要求。
(3)硬件设计：采用数字电路和模拟电路相结合的方式，设计硬件电路，具体包括电源、放大器、ADC和DSP等电路的设计。
(4)软件设计：基于DSP芯片，采用C语言程序开发技术，设计适用于0.5s级三相多功能电能表的软件系统，实现电能计量、数据存储、数据通信、安全保护等功能。
(5)智能化开发：结合互联网技术、移动通信技术，开发遥控、远程监控等智能化管理系统。
4. 预期成果(1) 硬件设计：设计一款0.5s级三相多功能电能表的硬件电路，满足电能计量的高精度和可靠性等要求。
基于71M6513的三相多功能电能表设计
Ａｂ ｔａ ｔ Ｔ ｅ ｔ ｒ ｅ ｐ ａ ｅ ｍｕ ｔ ｆ ｎ ｔ ｎ ｅ ｅ ｇ ｔ ｒｂ ｓ ｄ Ｏｌｓ ｇｅ ｃ ｉ １ ５ ３ ｉ ｄ ｓｇ ｅ ． ｈ ｈ ｒｃ ｅｉｔ ｓ ｏ １ ５ ３ ｓ ｒ ｃ ： ｈ ｈ ｅ ｈ ｓ ｌ — ｃ ｉ ｎ ｒ ｙ ｍｅｅ ａ ｅ ｉ ｉ ｌ ｈ ｐ ７ Ｍ６ １ ｓ ｅ ｉｎ ｄ Ｔ ｅ ｃ ａ ａ ｔｒｓｉ ｆ７ Ｍ６ １ ｉｕ ｏ ｎ ｃ
（ ．Ｃ ｌ ｇ ｆ ｌｃｒ ａ ａ ｄ Ｉｆｒ ｔ ｎ Ｅ ｇｎ ｅｉｇ Ｈ ｎ ｎ Ｕ ｉ ｒ ｔ， ｈ ｎ ｓ ａ １ ０ ２ Ｃ ｉａ １ ｏ ｅｅ ｏ Ｅ ｅｔ ｃ ｌ ｎ ｎ ｍａｉ ｎ ｉｅｒ ， ｕ ａ ｎｖ ｓ ｙ Ｃ ａ ｇｈ ０ ８ ， ｈｎ ； ｌ ｉ ｏ ｏ ｎ ｅｉ ４ ２ ．Ｈａ ｇｈ ｎ Ｈｅ ｉｇＥ ｅ ｔｃ ｌ ｏ ，Ｌ Ｄ， ａ ｇｈ ｕ３ ０ １ ， ｈｎ ） ｎ ｚ ｏ ｘｎ ｌｃ ｉａ Ｃ ． Ｔ Ｈ ｎ ｚ ｏ １０ １ Ｃ ｉａ ｒ
Ｄｅ ｉ ｎ ｏ ｒ ｅ Ｐｈａ ｅ Ｍ ｕｌｉＦｕｎ ｔｏ ｓｇ ｆＴｈ ｅ ｓ ｔ－ ｃ ｉｎ Ｅｎｅ ｇ ｅ ｅ ｓ ｄ ｏ Ｍ ６ ３ ｒ ｙ Ｍ ｔ ｒ Ｂａ ｅ ｎ ７１ ５１
Ｌ Ｕ ｅ ｇ ，Ｔ Ｉ Ｐ ｎ ＥＮＧ ｈ ｏ ｓ ｅ ｇ ，Ｚ Ｚ ａ ．ｈ ｎ ＨＯＵ ｉｎ —ｈ ｎ Ｌ ａ ｇｚ ａ ｇ
靠性 。检验结果表明 ， 器的有功 电能测量误 差≤０５ ， 仪 ． ％ 符合 ＩＣ ２５ Ｅ ６ ０ ３和 Ａ ＳＣ ２ ２ Ｎ Ｉ １．０的性 能与功能要 求。
关键词 ：１ ６ １ ； ７ Ｍ ５ ３ 电能表 ； 差修 正 误 中图分类号 ：Ｐ １ Ｔ２６ 文献标识码 ： Ａ 文章编号 ：００— ８９ ２０ ） １ ０ ０ １０ ８ ２ （０ ８ １ — ０ ７一ｏ ４
三相电能表设计
山东科技大学学士学位论文摘要摘要本文概述了三相多功能数字式电能表的发展历程，具体介绍了三相多∑△A/D转换原理和电功能数字式电能表的工作原理，其中着重突出了-能计量原理，阐述了对硬件电路的设计方案，包括电能采集、电能计量、数据处理、显示、电源、存储、时钟、看门狗以及通信，在软件设计方面，主要介绍了电能计量、数据处理、显示、存储、时钟、看门狗及通信等子程序，并绘制了流程图。
本课题的研究对三相电能的计量提供了一种新的技术手段。
随着电子技术的不断发展，此三相多功能数字式电能表将凭借它的独特优点得到广泛应用。
关键词：三相数字电表，电能计量芯片，单片机。
目录1绪论 (1)1.1电能表的发展 (1)1.2课题研究的内容及意义 (2)2电能表基本知识介绍 (4)2.1电能表的基本概念 (4)2.2电能计量知识 (8)3 硬件电路设计 (13)3.1总体框图设计 (13)3.2电能计量部分（ATT7022A） (14)3.3单片机（89C52）及其外围电路 (19)4 软件设计 (42)5 小结 (48)参考文献 (49)致谢 (51)附录一 (52)附录二 (76)附录三（见附图）1. 绪论1.1 电能表的发展电能表的发展已超过百年历程, 由于对电能计量的高准确性、高灵敏性以及管理多样性与灵活性的要求, 人们研制、开发了多功能电能表。
多功能电能表主要应用于关口点或网口点。
目前三相多功能电能表主要用于变电站、电厂及用作大用户的关口表, 作为电能贸易结算与推动电力系统自动化的关键设备之一。
三相多功能电能表已在实际中通过测试, 其功能齐全、计量准确、灵敏度高、性能稳定, 相信在不久的将来可以投入到实际应用中,具有良好的推广前景。
交流电能的测量，普遍采用感应式电能表，随着电子技术的发展，从60年代后期开始，国外研制了电子式电度表，也称静态电度表。
相比较而言，对同等级的表计，电子式电度表在电流线性、电压、频率影响上都要好得多，而且其体积也比较小。
三相多功能谐波电能表设计
有 功测 量误 差≤０ ２ ， 波 无功 测量误 差≤ １ ，～２ ．％ 基 ％ ２ １次谐 波 电压 测 量误 差 ≤２ ， 波 电 ％ 谐
流测 量误 差≤ ５ ， 波 相 位 测 量 误 差 ≤ ５ ， 足 ＧＢＴ １ ５ ９ ９ ％ 谐 。满 ／ ４ ４ — ３的 Ａ 类 谐 波 测 量仪 器
要求．
关键 词 ： 波 电能表 ； ａ ｎｎ 谐 Ｈ ｎ ｉｇ窗 ；Ｆ 比差 ； Ｆ Ｔ； 角差
中图分类 号 ： ＴＭ９ ３ ４ ３ ． 文献 标识 码 ： Ａ
Ｄｅ ｉｎ ｏ ｒ ｅＰｈ ｓ ｕ ｔ Ｆ ｎ ｔ ｎ ｌ ｒ ｎ ｃ Ｅｎ ｒ ｙ Ｍ ｅ ｅ ｓ ｆＴｈ ｅ — ａ ｅ Ｍ ｌｉ ｕ ｃ ｉ ａ ｇ — ｏ Ｈａ ｍｏ ｉ ｅ ｇ ｔ ｒ
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第 ３ 卷 第 ９期 ５
２ ０ 年 ０ ８
湖
南 大 学
学 报 （自 然 科 学 版 ）
Ｖｏ ． ５． ． 【 ３ ＮＯ ９
ｃ ．２ ０ ０ ８ Ｓ ｐ
９月
Ｊｕｎ ｌ ｆ ｕ ａ ｉｅｓｙ Ｎ ｔｒｌ ｃ ｎｅ） ｏ ｒａｏ ｎｎＵｎ ｒｉ （ ａｕａ Ｓ ｉ ｃｓ Ｈ ｖ ｔ ｅ
文 章 编 号 ：６ ４２ ７ （０ ８ ０ —０ ３０ １７ —９４ ２ ０ ）９０ ５ —５
三 相 多 功 能 谐 波 电 能 表 设 计
高云鹏 滕 召胜 Ｈ 刘 鹏 王 一 周 良璋 ， ， ， ，
（． １ 湖南大学 电气与信息工程 学院 ， 湖南 长沙 ４ ０８ ；． １０ ２ ２ 杭州海 兴电器有限公 司 ， 浙江 杭州 ３０ １） １ ０ １
ＡＤＳ － ５ ３ ｗｅ ｅ ｉ ｔｏ ｕ ｅ ｎ ｄ ｔ ｉ．Ｈａ ｏ ｉ ｎ ｒ ｙ ｍｅ ｓ ｒ ｍｅ ｔ ａｇ ｒｔ ｍ ａ ｅ ｎ Ｈａ ｎ ｎ ｎ ｏ Ｐ－ ＢＦ ３ ｒ ｎ ｒ ｄ ｃ ｄ ｉ ｅ ａｌ ｍ ｒ ｎｃｅ ｅｇ ａｕ ｅ ｎ ｌｏ ｉ ｈ ｂ ｓ ｄ ｏ ｎ ｉ ｇ ｗｉ ｄ ｗ
三相多功能电表设计报告书1
三相多功能电表设计说明书摘要本方案主要由检测电路、专用电能计量芯片ATT7022、89C52单片机、128×64液晶显示、按键、以及电源部分组成。
电路中的电流（电压）信号经过电流（电压）互感器，强电信号转换为安全的弱电信号，通过ATT7022把计量数据传给单片机，由单片机控制128×64液晶显示,另设按键可选择显示测量数据。
因为ATT7022具有极高的精度，能够达到1级测量精度要求，由于互感器铁芯趋于饱和，当电力线路出现过电压或过电流时，其输出不会成正比的增加，能保护测量仪表设备。
一方案比较与论证1.1总方案的选择实现思路本次设计的任务是制作一个能同时对三相工频交流电的三相电压、三相电流、三相有功功率、三相无功功率、总有功功率、总无功功率、功率因数、电网频率、有功电能和无功电能进行测量的数字式多用表。
电流检测三相电参数计量芯片单片机电压检测液晶显示按键RS485红外通信信号上位机上位机1.2 核心功能模块选择与比较1.2.1 电能参数计量模块方案一：用ADE7755计量电能，因为要用三片ADE7755芯片分别对每一相的有功电能进行单独计量，再叠加到三相总有功电能，致使电能计量电路在电路板上占用空间大、线路密集，造成电表抗干扰能力差；成本较高，致使产品的性价比低；ADE7755在500:1的动态范围内误差小于0.1%，电能计量芯片的参数不可调使得电表计量精度降低．方案二：用芯片ATT7022计量电能，ATT7022能准确地测量电网的电压、电流、频率、功率、电能等参数；ATT7022精度高，在输入动态工作范围（1000:1）内，非线性测量误差能达到小于0.1%的精度；ATT7022可设置寄存器使之适用于三相三线和三相四线的工作环境；同时能提供电压和电流相序检测；还能提供电压和电流的有效值参数，有效值精度要优于0.5%。
很好的满足了设计中对测量功能、技术参数以及准确度的要求。
所以选择方案二。
无线通讯的三相多功能电能表设计方案
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的需要，为此我们提出了新的抄表方案一无线抄表。
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^-2 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。
三相电表设计方案
三相电表设计方案一、方案目的设计一个三相电表，用于测量家庭和工业用电的消耗情况，从而实现电量的计费和能源管理。
二、方案描述1. 引入三相电流传感器：使用三个三相电流传感器，分别测量三相电流的大小，并传输给电表主控芯片。
2. 引入三相电压传感器：使用三个三相电压传感器，分别测量三相电压的大小，并传输给电表主控芯片。
3. 电表主控芯片：接收传感器传输的电流和电压数据，并根据电量计算公式计算并显示实时电功率、电能使用量等相关数据。
4. 显示屏：采用液晶显示屏，显示电流、电压、功率、电能使用量等信息，方便用户查看。
5. 按键操作：设置相关功能按键，比如清零、切换显示模式等，方便用户操作。
6. 数据存储：使用存储芯片将电能使用量等数据存储，以便用户查看历史数据。
7. 通信功能：采用通信模块，实现与电能管理系统的数据交互，方便用户远程监测和管理电能使用情况。
三、方案特点1. 准确性高：采用专业的传感器和主控芯片，保证了电流、电压等数据的准确性。
2. 功能强大：不仅可以实时显示电流、电压等基本参数，还可以计算电能使用量、显示电功率等更详细的信息。
3. 操作简便：采用按键操作方式，用户可以轻松地进行清零、切换显示模式等操作。
4. 数据存储方便：通过存储芯片将电能使用量等数据存储，方便用户查看历史数据。
5. 远程管理功能：通过通信模块，可以实现与电能管理系统的数据交互，用户可以远程监测和管理电能使用情况。
四、方案实施1. 硬件设计：设计三相电流传感器、三相电压传感器、电表主控芯片、显示屏、按键、存储芯片等硬件部分，并进行组装和连接。
2. 软件编程：编程电表主控芯片，实现电流、电压的采集和计算、实时数据显示功能，以及清零、切换显示模式等操作的实现。
3. 通信模块配置：配置通信模块，实现与电能管理系统的数据交互功能。
4. 测试与调试：对硬件和软件进行测试和调试，保证电表的正常运行和准确性。
5. 量产：进行大规模生产，并提供给家庭和工业用户使用。
三相多功能电能表 A设计方案
三相多功能电能表摘要：本设计以ATMEGAL16单片机作为核心控制器件，采用高精度三相电能计量芯片ATT7022B对三相交流电压电流信号进行采样处理，处理后数据送至单片机进行进一步校正处理，得到三相电流、三相电压、三相有功功率、三相有功电能等参数，并在液晶12864上按键选择实时显示,并打印。
系统同时具有RS485远程数据传输、红外通信、掉电保护、密码保护、相序检测等功能。
经测试，系统功能齐全，测量精度，过载能力等均达到设计要求。
关键词：三相电能计量； ATT7022B一、方案设计与论证1.题目分析题目要求设计并制作一个多功能三相电表。
综合分析，本作品的设计可以细分为以下几个模块：电源模块，控制器模块，键盘及显示模块，数据采集与存储模块，RS485通信模块，红外通信模块。
2.方案比较与选择(1) 控制器模块方案一：采用采用Atmel公司的A T89S52单片机。
AT89S52低功耗，高性能, 但其本身功能较少，需要增加较多的外围电路来实现功能。
方案二：采用A VR系列单片机的Megal16.。
Megal16单片机是16位MCU，运算处理速度快，抗干扰能力强，稳定性高，同时A VR 单片机内部有EEPROM,可以监控MCUCSR寄存器来发现掉电和复位情况，通过外围掉电检测电路就可以实现掉电存储保护。
考虑到本系统要求较高的运算处理能力以及抗干扰能力，最终选择方案二。
（2）采样电路选择现有测量芯片无法直接对高电压、大电流进行测量，故需要对这两个量进行采样。
方案一：采用电阻分压对电压电流进行采样。
这种方法简单易行，电路结构简单，但对电阻精度要求高，浪费在分压电阻上的能量多，不符合节能要求；同时这样对电流采样会改变原有电流参数。
方案二：采用互感器对电压电流进行采样。
这种方法稍微复杂，但优点很多。
一方面互感器对电流参数采样能够最大程度减少对原电路特性的改变。
另一方面，互感器有一定隔离作用，对独立处理后级电路有益。
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三相多功能电能表的设计摘要：本文通过对以往电能表产品的分析，提出了高精度三相多功能电能表的设计方案，0.02 SB1300电能表是根据已经批准的宽范围和多用途的标准电子式电能表产品而设计的。
本文探讨了高精度多功能电能表的模拟通道设计，采样电路设计，信号处理和控制电路设计，以及系统和结构设计的方法及特点，介绍了基于ARM和DSP的三相多功能电能表的设计方案，并探讨了有关电能表关键部件设计的问题。
关键词：三相电能表;模块化结构; DSP;电能表ARM;设计方案1引言随着电力行业改革的深化，工业三相多功能高精度电能表的需求迅速增加。
在目前，国内市场上多功能电能表的品种有限，价格高，功能不完善，多是针对特殊应用领域设计的，而不能普遍使用，且一些产品低于国家标准。
在本文中，一个多用途的高精度标准电子式电能表的设计将解决这些问题。
如今，一些外国公司采取了国内市场的0.02（及以上）宽范围和多用途标准电能表。
鉴于实际需求，本文基于0.05标准电能表的设计而设计了一款新的0.02 SB1300三相宽范围和多功能的标准电子式电能表。
本文设计的电能表应用了DSP 和大范围测量技术，并使用了ARM作为其核心处理器，测量误差0.02。
在结构上，采用模块化结构设计，包括模块化通道板，信号采集板，测量计算板，核心控制器板，并且采用先进的大型集成电路。
因此，新电能表具有许多优点：系统结构简单，运行可靠，良好的人机交互界面，重量轻，体积小，可以长期应用于工作领域以及实验室。
2设计原则2.1 工作原理三相宽范围和多用途标准电子式电能表的设计原理如图表所示:图1 三相宽范围和多用途标准电子式电能表的设计原理模拟信道变化和测量信号的分离：测量电压由精度电压传感器采样，测量电流由电流传感器采样并转换为电压信号。
模拟信道还执行通道的自动切换功能。
信号采集电路主要采用16位A/D转换器，能够同时获得6个测量信号的采样结果，并对每个电压信号和电流信号进行转换，并最终通过串行方式发送到DSP。
测量计算电路主要采用DSP，能够高速的对采样信号进行处理并将结果发送到ARM ISA总线。
ARM来对这些结果进行处理并实现人机交互和每一个测量功能。
2.2 测量原理这里用到了面积取样法，同样插值法在采样点的正值与负值间得到了应用。
通过逐次逼近方法，能够发现零点。
这零点和第一次的采样面积之间的时间已经获得，测量信号的频率在一个周期的采样点的基础上可以计算。
应用傅里叶变换来衡量的活跃度和无功功率。
由于没有同步现场取样的使用会导致额外的误差，，窗口功能可用于消除这种误差。
当波形失真时，波动幅度和谐波相位就能够测量，然后就可以绘制出频谱曲线。
3模拟通道设计3.1 模拟采样通道本文中，六个通道同时有电流输入，且六个通道电压和电流信号输入到模拟通道。
输入电压通道采用电阻分压器电路，可调增益放大器用于实现当电压通道发生变化时，电压能够始终满足A/D转换器采样输入的要求水平。
A/D转换器的优点是，它可以在相当长的时间跨度里可靠地工作在线性区域，其缺点是线性区域是有限的。
在本文中，在电流传感器采样中采用电子补偿及转换电路，还有非线性补偿电路，它可以延长电流传感器的线性区域。
不像通常的设计那样单独使用各自的端口，所有的SB1300都便利的共享一个端口。
转换时要用到保护电路，以避免输入端口空值和小的电流绕组损坏。
3.2 量程变换在高精度宽量程表的设计还有一个非常重要的量程衔接问题。
由于电流输入范围为50mA到120mA，在宽量程标准表内的此量程范围都是由若干个量程衔接起来的。
其工作范围是线性最佳量程的40％-120％，其误差变化曲线几乎是一条直线，从而在所有的测量量程都能确保范围连接的紧密性并能提高准确度。
3.3 相位补偿由于每相电压、电流有不同的相位差，互感器各档的阻抗特性也有差异，因此模拟通道各档位之间阻抗会有所变化，使其信号在传递过程中发生不同的相移，其结果造成不同通道不同档位之间相位差异。
因此交流电能表需要进行相位修正，实现功率因数匹配。
采用软件匹配相位方案，根据实际测得的相位选取补偿量。
这种方案不能作到无级补偿，且电能功率准确度依赖于相位测量准确度。
在本文中采用了硬件补偿方案，使补偿对所有的测量点更加准确有效，避免了软件补偿方案的硬缺陷。
4采样电路A/D采样电路的设计是数字乘法器非常关键的一步，它直接影响模型测量的稳定性，线性度，噪声水平，及每一个功能实现。
SB1300标准电能表采用数字乘法器调整所有的电路，并确保产品的一致性。
4.1 LF398采样和保持电路LF398是采样和保持电路，并引导模式外部电容HC（MF）在其运作。
当采样开关SIH处在高输入水平时开关开启。
6个通道通过A/D转换器SB1300的采样方案同步采样以避免一些设计方案中缺陷引发的误差。
图2采样电路采样电路原理是显示在图2。
模拟信号转换数字离散信号时转换器A/D会带来量化误差。
转换器的数字越小，相邻量化类间的差异就会越大，因此量化误差就越大。
为了使A/D采样电路对测量回路的影响减少，采用高的输入阻抗，在输入和输出电路中采用转换器，而低输出阻抗不影响以后电路。
4.2 AD677的（A/D）转换模块AD677是16位串行转换器，有100Ksps的采样率并有16位高速芯片作为辅助芯片。
A/D转换器采用非线性校正电路和开始脉冲信号需要从外部提供。
SAMPLE是采样的启动信号，CP时钟信号由A/D转换器提供，CLA矫正开始信号。
所有三个信号都需要从外部提供。
该电路分为两部分：模拟部分A和数字部分D。
选择A/D转换器是A/D电路设计的关键，也是首要问题。
扰动主要来源是开关噪声，高频数字信号传输中产生的高扰动也应该尽量减少。
目前集成A/D芯片大都带有片内基准，但片内基准的温度稳定性较差，不适于高精度标准表。
瞬时功率信号通过数字乘法器采用电压信号和电流信号相乘的方法得到。
为了避免出现并行硬件乘法器需要太大的硬件资源，在这里采用一个顺序迭代乘数的方法。
为了得到较高的精度，应该采用合适的采样频率，一个周期内采样点的分布应该是平均的。
产生的误差电压用于调节振荡频率并通过PLL电路执行A/D转换。
A/D转换的实质是比较模拟电压与基准电压的大小然后确定图像。
转换器AD677使用外部基准，其中具有恒温槽。
这种芯片具有较高的长期稳定性和较好的温度特性。
至于数字信号噪声对A/D转换器的干扰问题，实际上是如何处理好数字地与模拟地的连接问题，这也是标准电能表等级评价的一个重要依据。
4.3 相位补偿接地信号传输为确保数字地和模拟地的连接，即，高电压信号输入和内部电路之间的绝缘，转换器AD677接地信号传输采用孤立地设计方案，如图3。
接地信号传输的应用可降低对输入采样信号的干扰和杂波同时可以提高测量精度。
图3 浮地设计4.4 移位寄存器74HC16574HC165是8位的移位寄存器，可用于串行或并行输入。
D是转变控制器。
当它处于较低水平，数据输入以并行输入的方式。
当在较高水平，数据转移。
CLK 为移位时钟脉冲，数据移动一位上升沿移动一个条目。
如果两片74HC165系列芯片一起工作，一个16位的移位寄存器可以实现。
5非电路测量计算和控制电路设计5.1 测量计算电路设计DSP，数字信号处理器，是一种特殊的单芯片微控制器。
它具有很高的处理速度特别适用于高速计算。
DSP采用多总线结构和流水线架构。
它使用几个加工单位和硬件乘法器。
多用途电能表主要有两种设计方案：一个是电能计量芯片+MCU另一个是A/D 转换芯片+ DSP+ ARM的。
在后者，A/D芯片和DSP进行数据采样并完成其他复杂的功能，实现电能测量功能，而ARM执行记忆，展示，交流等功能。
这种设计方案难以实现，但它具有较强的可扩展性和较高的测量精度和可通过复杂的数据执行许多功能处理。
所以，这篇设计采用这个方案。
为了能够绘制一张表，有必要采取A/D转换芯片+ DSP方案，其中DSP是多功能电能表能源计算的核心部分。
DSP用于运行数据处理，因为A/D能收集到大量的数据。
DSP可以完成快速数据校正和补偿处理，使系统非线性失真，产生标准的能量脉冲输入信号，并执行32位的浮点运算。
5.2 控制电路设计如今，每一个电能仪表公司都是在各种网络的基础上研究电能表的，如RS 485总线抄表系统，电力线载波系统，以太网技术等等。
以太网技术采用以太网作为传输介质的方式，具有速度快，可靠性好的优点。
TCP/IP在以太网的应用有助于其结构简单，传输范围广，，通用性好，安全等优点。
本文提出了电能表采用以太网作为传输介质，不仅能够完成用户的电能数据处理，也适用TCP/IP协议，通过嵌入式操作系统管理整个系统的操作。
ARM 7系列广泛应用于多媒体和嵌入式设备，包括网络设备和现代设备，及无线设备如移动电话。
因此，嵌入式ARM 7通过控制电路实现人和机器的交互，以控制DSP的工作方案，以及与上位机的通讯，并执行系统维修等。
数据存储在网络电能表特殊的数据安全存储区域，使用快闪记忆体来储存能量数据。
在比较上，ARM的闪存具有更快的存储速度和读写能力。
ARM主板安装有CPU，内存，集成键盘接口，显示设备接口，打印机接口，串行通信接口电路。
ARM和DSP 之间通过ISA总线进行数据交换。
为了节省微处理器110的接口资源和简化编程，ARM 7微处理器控制信号可以通过数据总线控制访问液晶显示模块的外部存储器。
6界面设计接口部分是连接内部电能表电路和外部电路的唯一通道，其可靠性直接影响电能表的性能。
在通信方面，多用途电电能表具有各种物理接口，如RS-485接口，RS-232接口，调制的红外接口，动人的光接口等。
RS - 485串口接口是鉴别的标准并具有许多优点如传输距离远，抗干扰能力，快速，简便的安装和扩展功能，和多传动系统在装载设备。
因此，多功能标准电能表在国内市场主要采用RS - 485接口和调制红外接口。
它符合我省的多用途标准电能表的技术标准即多功能标准电能表必须使用RS - 485接口和调制红外接口，且这两个必须是独立的、互不干扰。
出于对今后的工作和管理需求的考虑，对重要用户，采集终端需要连接，两根独立的RS - 485接口和调制的红外接口应适用。
本文在此提出标准电能表，采取了保护措施，如隔离电源，过流保护，过压保护，与外界隔绝输出等。
为了进一步确保根据通信，应确定传输速度。
电能表的红外接口使用1200 bqs 的传输速度。
速度将改动如果接收到从主站的改造秩序。
否则，如果没有通信秩序，已收到500毫秒，电能表恢复1200 bqs的传输速度。
监测许多公司提供的多功能标准能量表，我们省建立通信协议来测量系统单独运行和同步操作界面和调制的红外遥感- 485接口。
来衡量信息传输通道和信息交换协议，以及测试的实现的功能项目。