国网山西省电力公司检修分公司
摘要：针对常规电能表计量装置在系统中存在的可靠性、防窃电及准确度等级等问题，本文采用一体化结构，研制了一种基于 RN8302的新型三相高压电能表。设计了电阻分压电路采集电压信号及低功耗电流传感器采集电流信号，并利用高精度分压电阻从配电线路直接取电，实现了将整个测量系统无电位差地悬挂在高压侧，具有很好的防窃电功能，而采用的专业三相电力计量芯片RN8302作为计量单元的核心，相对于单相计量，易于操作、节省资金、准确度较高；STM32作为主控 CPU，减少了计量环节的误差。同时，运用 AD10软件进行 PCB的设计与封装，并对该装置进行实验验证。实验结果表明，该装置精确度达到了0.2Ｓ级，满足了目前智能电网对电能表精确度的要求。该研究对电能计量的发展具有重要意义。
关键词：RN8302；高压取电；电能表；准确度
电网正常运营的关键基础是电能计量的准确性。目前，不仅作为售电方的供电公司关注电能计量技术的发展，而且用电的个体户及工厂企业也对其发展十分重视，用电各方均以它的准确性、可靠性以及公平公正性为前提保障。此外，近年来盗电分子作案猖狂，急需一种能够直接将电能在一次性进行高压测量的设备。目前，国内常规的计量设备由互感器、电能表和二次连线等部分组成，其计量误差与电流互感器、电压互感器的准确度、接线方式（电压互感器二次压降）和电能表的准确度有关。常规的电能表存在一些问题：一是无法标定准确度等级。高压计量系统的整体误差是通过电压互感器、电流互感器的误差以及电压互感器二次压降和电能表的误差用方均根法综合计算得到，不能反映实际计量系统的实际误差，无法标定整个系统的准确度等级；二是计量系统的可靠性问题。计量系统由多个环节构成，其工作可靠性受到较大影响，目前出现较多的问题是电压互感器失压引起计量系统瘫痪，造成大量电力损失，并且很难对漏计的电量进行纠错；三是防窃电问题，由于电能计量装置处于低压状态，用户很容易在计量回路上做手脚，造成电量流失。为解决上述问题，本文主要对一种新型的三相高压电能表进行研究，该电能表采用专业的电能计量芯片作为计量核心，使计算测量电路和传感电路相结合，实现一体化结构。该设计满足了目前智能电网对电能表精确度的要求，对电能计量的发展意义重大。
1.设计方法
1.1高压电能计量的基本原理
通过电压和电流采样电路采集电压信号ｕ（t）和电流信号ｉ（ｔ），再经过 Ａ／Ｄ变换，将模拟信号转化成数字信号。如果进行采样次数是Ｎ，那么第ｋ次采集的电压和电流信号分别是ｕ（ｋ）和ｉ（ｋ），即将连续量ｕ（ｔ）和ｉ（ｔ）转化成了离散量ｕ（ｋ）和ｉ（ｋ）。因此，电压Ｕ和电流Ｉ有效值的离散量形式分别为
图2
功率因数cosφ最大值为１，无功功率为０，此时是最理想的状态，即纯电阻电路。但在实际的电力网络中，会有感性负载和容性负载，电力网络中负载的性质会使cosφ产生变化，使其数值小于１。在电力网络中，功率因数cosφ是评价电力网中电气设备运行效率的重要系数，是及其重要的参数数据。功率 因数cosφ越大，说明电力网络中的感性负载和容性负载越少，即无功功率和线损就相应产生的小，电力网络中电气设备的运行效率也就会越高。因此，正常情况下，功率因数cosφ越大，表明系统电能质量越好。
根据以上计量的基本原理，设计的三相电子式高压电能表由以下几部分组成：输入、乘法器、变换器、计数显示控制、工作电源等。
1.2三相高压电能表设计框图
本文所研究的新型三相高压计量表主要由电压采样、电流采样、三相电能计量芯片ＲＮ８３０２、主控芯片ＳＴＭ３２、ＥＥＰＲＯＭ、时钟部分、ＧＰＲＳ部分、ＥＳＡＭ部分、通讯显示部分、电源模块等组成。系统总体设计方案如图3所示。
该三相高压电能表的核心为电能计量模块和中央处理器模块，而电能计量模块的核心是三相专用计量芯片ＲＮ８３０２，它可以将采集到的电压信号和电流信号相乘，从而算出瞬时功率，然后再通过内部积分，将瞬时功率累加，最终得出电能值，并且将计算结果存到内部寄存器。主控芯片ＳＴＭ３２周期性与计量芯片ＲＮ８３０２进行数据传输，获取其内部寄存器的计算结果，并进行一定的处理分析。主控芯片ＳＭＴ３２外接ＥＥＰＲＯＭ模块，该模块的主要功能是对主控芯片ＳＭＴ３２处理分析之后的计算结果进行保存。为了保证精确的时间变化，特设立时钟模块。此外，为防止收取电费困难，增加ＥＳ－ＡＭ模块，该模块的主要功能是使用户不先付费，则无法取得电能。ＧＰＲＳ模块实现了该三相计量装置的网络化，方便电网工作人员对数据的采集，并可远程操控。电源模块为整个计量装置提供电能，包含有主电源系统和备用电源系统两部分。主电源系统是通过电路设计，利用电容分压直接从高压侧取电，然后通过整 流将交流电变成直流电，再通过滤波，最后利用稳压管进行稳压后即为所需的直流小电压。备用电源系统主要为锂电池，当配电网出现故障，主电源系统无法工作时，备用电源启动，继续为三相电能表供电。
图3 系统总体设计方案
1.3电流采集电路
ＲＮ８３０２包含有电流信号输入引脚ＩＡＰ／ＩＡＮ、ＩＢＰ／ＩＢＮ、ＩＣＰ／ＩＣＮ和ＩＮＰ／ＩＮＮ，能承受的最大电压波动范围是±0.4Ｖ。
电流信号的采集方式一般分为直接采集和通过传感器采集，两种方法的共同特点是将配电网中的大电流信号转变成小电流信号。直接采集是利用传统的分流装置，这类方法会使装置采集信号的准确度降低。本设计采用传感器采集方式，通过低功耗电流传感器实现，收集的信息为ｍＡ级，经处理后可以直接被电能计量芯片所采用。
2.三相高压电能表试验验证
通过上述电压采集模块、电流采集模块、工作电源模块及其它模块的电路设计，采用 ＡＤ１０软件进行绘图，ＰＣＢ设计及封装。
为了检验装置的准确度，对该三相高压电能表进行实验。实验条件为：额定电流Ｉ为２００Ａ，额 定电 压Ｕ为１０ｋＶ，有功脉冲常数为８００ｉｍｐ／ＭＷｈ（ｉｍｐ是脉冲ｉｍｐｕｌｓｅ的缩写）。
结 语：
本文主要采用专用计量芯片ＲＮ８３０２和ＳＴＭ３２低功耗单片机相结合的方式，设计了一种新型三相高压电能表，并进行了相关原理图的设计以及最终的实验验证。此装置能够实现电能脉冲的采集、数据处理、电量存储、显示和通信，具有高精度、低功耗的特点。利用三相芯片计量，不仅极大的降低了整个装置的成本，而且使整个装置操作简单、便于维护，同时保证了准确的数据通信传递能力，可靠性高、运行稳定，具有防窃电功能。
参考文献：
[1]申斌，封维忠，施山菁，等．基于 ADE7953的智能电表设计与研究[J].仪表技术与传感器，2012,32(11):44-46,49.
[2]杨光，刘涛，张子林．基于 ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２电能质量分析仪的研制[J].自动化应用，２０１１（８）：４９－５１．
论文作者:赵钰
论文发表刊物:《防护工程》2019年9期
论文发表时间:2019/8/9
标签：电能论文; 电能表论文; 高压论文; 电流论文; 准确度论文; 系统论文; 模块论文; 《防护工程》2019年9期论文;