電子電度表設計方案

與傳統的機械電度表相比，電子電度表能實現記錄用電時間、預付費、自動讀表三種重要的功能，而且具有精度高、低功耗、低功率因素檢測和精確的有功功率測量和防亂接行為檢測等功能特性。通過本文，你可以進一步深入了解電子電度表如何實現這些功能特性，以及基于單片模擬前端芯片MCP3905/6和閃存微控制器PIC18F8490的電子電度表設計方案。

配電網絡的設計由兩個同等重要的部分構成：網絡的物理布線；測量用電量的電度表系統。電子電度表已經成為那些新用戶增長快速的地區的自然選擇，由于這些地區沒有沿用下來的機械式電度表，為充分利用電子方案所具備的新功能優勢提供了理想的環境。

電子電度表的靈活性允許實現過去機械式電度表所做不到的三項重要的計費功能，即記錄用電時間、預付費、自動讀表。

記錄用電時間技術的基礎是電度表具備記錄每天不同時間段的能耗，并針對每個時段采用不同費率的功能。這種功能是電力公司的重要工具，因為它有助于鼓勵用戶每天合理地使用電力、平衡能耗并降低用電高峰，從而優化整個電網的使用。

圖1：MCP3905/6 與PIC18F8490微控制配合用于LCD顯示和 AMR功能。

預付費技術要求電度表實際控制供電，只要證明客戶提供的付款(通過磁卡、智能卡和其它技術)嚴格達到授信額度的要求。顯然，電力公司因免去了現金的征收成本而獲益匪淺。

為了執行記錄用電時間和/或預付費功能，電子電度表采用時鐘和日歷精確地跟蹤用電時間，如一天的每一個小時和一周的每一天(周末通常都不是用電高峰期)。

自動讀表(AMR)技術指的是電度表利用專用線路和/或現有的網絡基礎設施將讀數傳送到全自動計費和通信中心的技術。目前，在各地區實現AMR的技術有如下幾種，包括：短距離RF應用，ZigBee協議開始成為重要的競爭技術；長距離RF應用，例如接入現有的蜂窩電話網絡；數據調制解調器，通過標準的電話線；電力線載波(PLC)，利用配電網絡實現短到中距離數據通信。

更常見的情況是采用部分自動采集系統，因為這種方法提供了成本和可靠性的更佳折衷。在發展中地區尤其如此，那里在安裝電度表時還沒有完整的通信基礎設施，勞動力可能仍然相對便宜。電力公司不需要電度表直接與計費中心通信，在同一建筑中一個或多個電度表的讀數被采集到一個點，在那里由工作人員通過連接電子讀表設備來讀取。電度表和電子讀表設備之間的數據傳輸可靠(優于手工抄表)，速度、精度和整個抄表過程的總效率提高，這就證明采用AMR技術的可行性，即使采用這種方法有可能一次僅抄取一只電度表的讀數。部分自動采集方案通常采用下列技術之一來實現與讀表設備之間的連接：串行端口(RS-485)用于聯網一個位置(如大樓)內的所有電度表；紅外連接用于實現到實際讀表設備的連接，通常通過電度表面板。

目前，在中國紅外連接應用已經被編撰到針對電度表的專用DL/T645規范之中的情況，它定義的紅外協議物理層與其它常見的紅外應用有很大差異。

其它重要的功能特性

提高精度：電子電度表可以輕松地達到0.2%的精度，而機械電度表的典型精度是2%。因此，一個單一的電子硬件平臺能滿足大量電度表應用的需求，能提高產量并降低成本。

圖2：專用的32kHz振蕩器和定時器用于RTCC應用。

低功耗：電力行業通常接受耗電量最多為2W的電度表方案。顯然，即使如此少的耗電量，當安裝量達到數百萬只時，仍會導致巨大的電力成本。

低功率因素檢測和精確的有功功率測量：近年來，電機、公路照明和其它低功率因素應用的耗能比例增幅巨大(據稱僅電機就占平均負載的40%)，由于無功功率成分(未測量)浪費了寶貴的電能，給電力設施帶來了沉重的負擔。

防亂接行為檢測：反接電度表實施盜電在某些地區可能相當猖獗，因此現在的電度表都專門設計了識別盜電的功能，例如：負載接地-檢測回路電流(和不平衡負載)；電流路徑逆轉-檢測改接電度表的企圖；永久磁鐵線圈飽和-利用分路和不同通道上的線圈并比較結果；主電壓斷開-能檢測到主電壓斷開，還能提供次電壓源。

電子電度表便于檢測

為了滿足電力行業的需要，并幫助設計先進的電子電度表，一些半導體制造商已經開發了更為新穎、簡單和靈活的解決方案。這些方案中的第一個配套電路就是將執行電壓和電流乘積需要的所有模擬功能集成到單片模擬前端(AFE)之中，例如Microchip技術公司的 MCP3905/6器件，這種電度表AFE的功能包括：

兩個16位delta-sigma A/D轉換器提供高達1000:1的動態范圍(在MCP3906中)和0.1%的典型精度；

提供極小的28引腳SSOP封裝，當工作在-40到+85℃溫度范圍內時，它僅僅消耗5mA的典型電流(功耗的典型值是25mW或僅僅是2W預算的一小部分)，參考熱漂移僅僅為15ppm/℃；

可編程增益放大器與電流感應通道的高靈敏度相結合，允許使用很低的分路電阻值(低于200μΩ)；

當檢測到負功率的情況(線路反接)時，提供反接自動報警。

MCP3905/6只要幾個外部元件就能實現完整和廉價的單相電度表設計。而如果將其與先進的閃存微控制器如PIC18F8490配合使用(圖1)，則可增強性能。

PIC18系列高性能8位微控制器有100多個基于閃存技術的型號，配備了對電度表應用至關重要的各種功能和外設，以PIC18F8490為例，可用的功能包括：

直接與MCP3905/6 AFE(具有調頻有功功率輸出)接口的輸入捕獲和比較邏輯；

片上LCD顯示驅動器，允許對復雜LCD顯示(高達192段顯示)實現低功耗和廉價的控制；

16KB增強型閃存程序存儲器，允許在線(生產)編程和校準及方便的現場固件升級；

靈活的編碼保護機制，為實現計費和AMR應用所使用的密碼提供必要的安全措施；

用于功率管理的納瓦技術，允許電度表以非常低的功耗工作，以維持電度表的使用壽命，并在執行AMR和記費功能時維持高性能；

片上低功耗32 kHz振蕩器用做實時鐘和日歷，以支持“用電時間”和其它先進的計費功能(圖2)；

靈活的異步串行端口，能夠支持RS485及DL/T645紅外自動電度表讀表應用；

靈活的同步串行端口，支持連接到外部使用I2C 和/或SPI協議的非易失性存儲器件(串行EEPROM)；

片上10位A/D轉換器，支持防反接功能和/或溫度感應功能；

斷電檢測和低壓檢測電路，提高魯棒性并增加防反接功能。