单相费控智能电能表的设计与制作.docx

南京信息职业技术学院毕业设计论文作者 张菊菊 学号 71221P10 系部 中认新能源技术学院 专业 计算机控制技术（电力控制技术） 题目 单相费控智能电能表的设计与制作 指导教师 张汉年 评阅教师 完成时间： 2015年 5 月11 日 目 录第一章 绪论51.1电能计量装置在发、供、用电中的地位51.2电能计量装置和经济以及商品的关系价值61.3国内、国外电能计量装置的发展历程6第二章 工作原理82.1 电源82.2 计量电路92.3 CPU92.4 跳闸控制和继电器102.5 液晶112.6 贮存单元122.7 实时时钟122.8 RS485122.9 红外13第三章 性能指标与功能143.1 技术特性143.2 功能15第四章 工艺流程174.1 外形174.2 电路板与表壳端子的连接194.3 各功能模块在电路板上的分布204.4 工艺制程、工序：21结论24参考文献25单相费控智能电能表的设计与制作摘要：随着工业、农业、商业以及人民生活水平不断提高和迅速发展，用电户在不断增加，用电量也随之增多，电能计量装置的需求也越来越多，这逐步突显了电能计量装置在现在生产、生活中举足轻重的作用。单相费控智能电能表采用最先进的电能表专用集成电路，微处理器材料，非易失性存储器永久存储的信息，宽屏液晶等先进技术，但与SMT工艺设计，产品制造，是一家集高精度，宽负载，高灵敏度，低功耗，这是供计量额定频率为单相电网50/60Hz的，在交流有功电能表。这种单相电表集多种功能于一体，实现对能源的积极，主动的措施，以实现远程实时电压，电流，中性线电流，功率，功率因数，并使用远程系统，实现了销售电力用户“先发制人”的预付费。它可以灵活设置各种功能：免费用电，故障报警，自动断电，开盖记录，自动抄表。 关键词：智能电能表、功能、影响Design and manufacture of intelligent control of single-phase energy meter feesAbstract: With the development of industry, agriculture, commerce and  the improvement of people's living standard and rapid development, electricity users are increasing, also increase power consumption, the electric energy metering device needs more and more, this gradually highlights the electric energy metering device in production, play a decisive role in the role of life now. Single-phase Fischer-controlled intelligent energy meter using the most advanced energy meter dedicated integrated circuits, microprocessors material, non-volatile memory permanently stored information, wide LCD and other advanced technology, but with SMT process design, product manufacturing, is a collection of high-precision, wide load, high sensitivity, low power consumption, which is available for measuring rated frequency single-phase grid 50 / 60Hz in the AC active energy meter. This single-phase meter set many functions in one, to achieve a positive, proactive measure against the energy to be remote real-time voltage, current, neutral current, power, power factor, and use of a remote system to achieve the sale of electricity users "preemptive "prepaid. It can be flexibly set various functions: free electricity, fault alarm, automatic power-off, opening the cover recording, automatic meter reading.Keywords: fee control, Intelligent electric energy meter, Influence第一章 绪论电能计量装置是一种特殊的测量仪器，记录用电量的多少。生活中常用的计量设备是：仪表和电压的支撑作用，电流互感器。随着微电子技术的飞速发展，使得采纳应用单片型微控制器和大规模集成型电量计量芯片设计的电度表在日益普及，同时促进了能源计量技术和稳定性能长足的发展。对能源计量的要求越来越高的使用者，不仅要求电表性能的相对稳定、测量准确，这还需要能量值的显示，即用户可以直观地看到计量的工作状态和用电负荷以及其他相关资料;本机还需要单相电能表的辅助，以实现低功耗，高质量和高可靠性，另一个需要具有的重要功能是掉电保护计费。功能测量表显著功能，如：有功功率显示屏，显示无功功率，功率因数显示，当前的显示，电压显示。单相费控智能电能表是一种新型电能表，它由测量单元，数据处理单元等组成，具有电能计量，信息存储及处理，实时监测，自动控制，信息交换等功能。相比传统的电能表，单相费控智能电能表除了基本的测量功能，智能电能表是全电子式电能表，具有硬件时钟，并且支持双向计量一个完整的通信接口。除了支持双向计量还具有电量自动采集、分阶级电价、分时段电价、冻结电量、控制电能、监测使用等功能，同时具有高可靠性、高安全等级以及特大存储容量等特点。为智能家居，智能社区项目奠定了基础。智能电表是智能电源的一个重要组成部分，是双向互动智能用电的“神经末梢”。我国智能电网技术的发展，与国际先进水平的差距非常小，智能电表属于低碳产品，是实现低消费的重要组成部分，它的发展前景相对来说是非常稳定。与国外的技术，中国的智能电表的功能，规格，等级处于相对领先的位置，这对于我国智能电网的建设，是有一定的优势、能够满足市场需求。1.1电能计量装置在发、供、用电中的地位电能是国民经济、工业、商业等人民生活中重要的二次能源，电能在现代社会中普遍使用。如果一个现代化社会没有电能是没办法生活下去的，所以国家发达与否，根据电气化和现代化建设以及电力工业的发展水平是否符合当前经济发展的需要和人们相应的生活。生产其他产品和电力生产的不同是，电能的特点是发电厂，供电部门，电力用户三个行业紧密相连，是固定模式的系统。他们是密切联系的,不可缺少的,它们彼此如何销售,如何合理的计算,这需要三个行业之间的测量仪器能够检测的发电量，主要由电能表和电流，电压互感器组成。没有它的存在，在发电、供电、电力三个方面不能得到妥善的销售和买卖，所以在发行、报价、使用方面，电力不可替代的。中国参加了世界贸易组织后，电能计量装置就更显得重要，因为国外要求合理准确计收电费，特别是那些独资厂或合资厂就更加重视电能计量装置。1.2电能计量装置和经济以及商品的关系价值电能计量装置、经济以及商品三者的关系，是随着城市和农村的经济发展，工业、农业、商业、住宅用电日益增加的变化，促使发电、供电量不断增加的。电能计量装置就相当于一般商店使用的称一样，但计量相对复杂,技术要求也更高,所以做好能源计量工作,即适当的测量能力,电力、能源消耗,加强监督管理,定期检查,定期检查,并不断更新计量装置,以此杜绝偷电，减少损耗等会有着非常大的经济效益。1.3国内、国外电能计量装置的发展历程1.3.1 感应系电能表的诞生和发展首次出现在智能电能表的世界,主要是由德国爱迪生在1880年的应用原理,电解直流电表的生产和交流电(ac)的出现和使用,对电能计量装置的功能提出更新需求。1888年,意大利物理学家法拉利的旋转磁场理论用于交流功率测量。1889年,德国布勒公司研制了没有单独铁心的感应电能表装置。1890年,感应式电度表带电流铁心出现了,但它的旋转组件是一个铜环,需要依靠交流电磁铁制动转矩。直到19世纪末,逐渐发展变化,使用了永久磁铁产生制动转矩降低转速的旋转组件,增加转矩。经过一百多年的改进和完善，感应式电能表制造技术已经非常成熟。感应式电能表以制作简单，可靠性好，成本低的优点存在，直到今天，在许多发展中国家，包括我们自己，甚至一些发达国家，感应系统仍然为主要仪表测量频率电能表，它被广泛使用。1.3.2 电子式电能表的产生随着能源开发利用步伐的加快，能源管理和电能表性能的相关部门提出了更高的要求。扩大电力系统和合理使用能源相关的探索，感应系统逐渐暴露出下层仪表精度更窄的频率范围和功能比较单一的类似缺点。感应式电能表由于其原理和结构因素的制约，它进行重大改进有一定的困难。基于微电子技术和计算机技术的不断发展，人们已经开发出了各种各样的电子式电能表。为了找到一个感应系测量机制的替代办法，从20世纪70年代初，人们开始研究，尝试使用电子电路测量交流电源。因为能量是电功率对时间产生的积分，所以在任何电子电路计量程序的第一个步骤是确定电功率。因此，人们可以使用乘法器措施的电力和能量电子的方式来实现。第二章 工作原理下图2-1是单相费控智能电能表的模块组成，每个方框代表一个功能模块。不带箭头的线条代表一般的连接关系（仅传输功能，不传递信息），有箭头的线条代表有信号传递的连接关系（比如CPU给出的指令，其它芯片向CPU汇报的数据），箭头方向则代表信号的流向是双向还是单向。 图2-1 工作原理图 2.1 电源电源部分将高压（220V）电能转变成（5V）电能，为整个电表供电。这部分的器件有：变压器，作用是将220V的交流电压（电压值波动变化）转化为12V的交流电压。D3和D4是两颗78L05芯片，最终输出5V。注意到它们前面（左边）的电路有所区别，是因为D3只给485部分供电，D4则给其他所有5V电路供电。所以D4采用效率更好的整流桥电路，D3采用半波整流。电源部分如果出现故障，整个电表都无法工作。图2-2 电源电路2.2 计量电路RN8209是能够测量有用功率、无用功率、有用工量、无用工量的计量芯片。它通过SPI（CS_N、SCK_N、SDI_N、SDO_N）与CPU通信，校表信息就是先向485发送数据，再由CPU发送给计量芯片的。脉冲输出的作用就是将电能量分为小份，每一份输出一次脉冲，将这个脉冲与标准表进行比对，就能算出电表的误差。图2-3 计量电路2.3 CPUCPU是电表的指挥官，外围电路要向它汇报数据，它向外围电路下达指令。CPU的正常工作需要供电和时钟的正常。时钟由晶振和附近的电容提供，在CPU的时钟管脚形成时间间隔恒定的电压波动。CPU以这个恒定的时间间隔为时间基准。除了供电和始终，复位管脚也可能使CPU工作不正常，复位就是重起，很多CPU都是低电平（0V）复位。如果复位引脚上一直都是低电平，CPU就会处于不停重启的状态。 图2-4 CPU电路2.4 跳闸控制和继电器跳闸控制电路包含四个三极管，分析起来有些复杂。其实如果把这个部分视为模块，那么它仅有两个输入：JDQON和JDQOFF，是来自CPU的开合闸指令。也仅有两个输出：QA和QB，是加到继电器两端的电压。继电器就是开关，这个开关控制着高压电（220V）的通与断。但是，控制它通段的信号却是低电压的（比如5V）。继电器内部磁场随着控制信号而变化，把一个小金属片吸过来（或者释放开）。在吸住与放开的两种状态下，小金属片与不同的端点接触，就构成了一个开关。图2-5 继电气控制电路2.5 液晶液晶屏是显示图形和文字供人阅读的器件。电表上使用的液晶是特制（非通用）的，即它不可以显示任意图像。控制每个点透明或是变黑，都对应着不同的管脚。然而CPU没有这么多的管脚，所以不能直接对液晶下指令。于是，采用D1（BU9792FUV）芯片充当“翻译”，CPU仅用两个管脚告诉D1应显示什么内容，D1理解CPU的意图后再通过一对一一的管脚控制液 图2-6 液晶显示电路2.6 贮存单元电表的存贮单元功能类似于电脑的硬盘，断电后也能保存数据。存储芯片D17是用IIC总线通信的（SCL和SDA），WP是写保护信号，该信号为高点平时，D17为不可写入状态。R45、R46、R47为上拉电阻，起改善信号质量的作用。如果这三个电阻有问题，则可能导致通信不同。2.7 实时时钟实时时钟模块不同于CPU的晶振，晶振提供的是CPU的时间基准（远远小于一秒），而实时时钟有内置的日历功能，如果外电源掉电，则电池继续供电，保证日历工作。图2-7 时钟电路2.8 RS485RS485是一种能将仪器设备连成网络的通信设备。两根差分线A和B共同传递信息，按规定如果BA>0.2V就代表发送数据1，如果BA<0.2V则代表发送0.D15芯片就是在普通高低电平和符合485规则的信号之间提供转换。485接口是否正常工作，关系到维护、抄表、校时、远程拉闸等能否顺利进行。图2-8 485电路2.9 红外红外通信方便了使用和维护中的一些操作，比如修改费率。发送端的V13将CPU发送来的电信号转化成光信号（红外光也是一种光，只是人眼看不到），光信号在短距离内无线传递信息。红外光到达接受端时，D18将它还原为电信号送至CPU。第三章 性能指标与功能3.1 技术特性表3-1 基本误差 负载电流 功率因数 电能误差限(%)1.0级2.0级 0.051b1<0.1lb 1±0.6±1.5 0.1lb1<1max±0.5±1.0 0.1lb1<0.2lb 0.5L± 0.6±1.5 0.2lb1<1max 0.8C± 0.5±1.0 项目 技木指标 运行参数 电压、电流、零线电路、功率、功率因数：误差小于±0.6%。 工作电压范围 正常工作范围0.9Un1.1Un；扩展工作范围0.8Un1.15Un。 脉冲常数 不同规格电能表常数不同。 工作温度范围 正常工作温度范围：-2560;极限工作溫度范围：-4070。 功率消耗 非通信状态下1.5W,5VA;通信状态下2W,10VA. 时钟精度 参比温度 （23）：±0.5s/d；-25+60：±1s/d。 时钟电池 1.2Ah锂离子电池，停电数据保存时间>5年，寿命10年4 通信速率 通信速率:RS485接口缺省2400bps：红外接口缺省1200bps。 通信规约 符合DL/T 645-2007。 电磁兼容 符合 GB/T17215.211-2006。表3-2 产品技术指标3.2 功能3.2.1 计量功能具有正向、反向有用功计量功能。 具有分时计量功能，有功电能按相应的尖、峰、平、谷等各时段电能量及总电能量分别进行累计、存储。 可存储上12个月的总电能和各费率电能量；数据存储分界时刻为月24时，或在每月1日至28日内的整点吋刻。 3.2.2 费控功能电能表能够接收远程售电系统下发的拉闸、允许合闸、数据抄读等指令，命令执行需要通过密码验证及安全认证。在保证安全的情况下，可通过虚似介质对电能表内的用电参数进行设置。 3.2.3 费率时段及电价具有日历、时钟，全年可设置4个时区，在245内可以任意编程14个时段；时段的最小间隔为15111111；时段可跨越零点设置。具有两套电价方案，可在约定的时刻或达到约定的用电量水平时自动转换。支持通过红外、路485通信接口修改费率表、时段表及电价方案。 3.2.4 事件记录永久记录电能表清零事件的发生时刻及清零时的电能量数据。可记录编程总次数，最近10次编程时刻、操作者代码、编程项的数据标识。可记录校时总次数（不包含广播校时），最近10次校时的时刻、操作者代码。可记录掉电的总次数、最近十次掉电发生及结束的时刻。可记录开表盖总次数、最近十次开表盖事件的发生、结束时刻。3.2.5 测量功能能测量、记录、显示当前电能表的电压、电流（包括零线电流）、功率、功率因数等运行参数。3.2.6 数据存储可存储上12个结算日的单向或双向总电能和各费率电能数据；数据转存分界时刻为月末的24时（月初零时），或在每月的1日至28日内的整点时刻。在电能表电源断电的情况下，所有与结算有关的数据保存10年以上，其它数据保存5年以上。3.2.7 冻结功能定时冻结：按照约定的时刻及时间间隔冻结电能量数据；每个冻结量可保存12次。瞬时冻结：在非正常情况下，冻结当前的日历、时间、所有电能量和重要测量量的数据；瞬时冻结量可保存最后3次的数据。日冻结：存储每天零点的电能量，可存储2个月的数据量。 约定冻结：在新老两套费率/时段转换、阶梯电价转换或电力公司认为有特殊需要时，冻结转换时刻的电能量以及其他重要数据。整点冻结：存储整点时刻或半点时刻的有功总电能，可存储254个数据。3.2.8 计时功能时钟具有日历、计时、闰年自动转换功能；电池电压不足时，电能表给予报警提示信号； 广播校时不受密码和硬件编程开关限制，但只接受时钟误差小于或等于5分钟的电能表进行校时，每天只接受校对一次。 3.2.9 通信功能具有独立物理信道的隔离RS485和红外通信功能。3.2.10 多功能输出多功能信号端子可输出时间信号、时段投切信号等，以便监测人员检测。可在同一多功能信号端子通过软件设置进行信号输出转换；缺省输出为时间信号。3.2.11 报警功能当电能表出现故障或告警项时，LCD将立即停留在故障代码显示，并持续点亮背光；同时点亮告警LED灯指示告警。 3.2.12 电量清零可清除电能表内存储的电量、冻结量、事件记录等数据。清零操作可作为事件永久记录，具有硬件编程开关、操作密码、封印管理以及保留清零前数据等措施，以防止非授权人的操作。电能表底度值只能清零，不允许设定。 第四章 工艺流程整个电能表生产过程中包含：丝网印刷典型工艺、贴片典型工艺、回流焊典型工艺、AOI光学检测设备典型工艺、主板焊接工艺、波峰焊典型工艺、单板测试工艺、超声波清洗典型工艺指导书、主板三防工艺卡片、单板老化典型工艺、整机装配工艺、误差调试典型工艺、高温老化典型工艺、激光打码工艺指导书、包装工艺、出厂检验规范。每一个环节周转生产由下图4-1工艺流程图来体现。 图4-1 工艺流程图4.1 外形 下图4-2为电表的外形图，其中编程允许键位于下翻盖内，下翻盖可以通过铅封进行安全防护；图4-3为完整产品。 图4-2外形图 图4-3 实物成品图 LCD (液晶）显示屏在电能表上电后全屏点亮，如图4-4图4-4 全屏显示图指示灯和按键说明如下： 跳闸指示：跳闸时亮起，合闸时熄灭。 电能脉冲：每次能电能脉冲输出闪亮。 告警指示：事件告警，比如出现Err-XX(故障代码）错误时。 选择按键：选择键用于显示菜单的操作 编程允许键：用于开关编程允许操作。4.2 电路板与表壳端子的连接下图4-5为底部端子图图4-5 接线端子图打开表壳，可以看到电表的PCB（电路板），如下图4-6/4-7 图4-6 正面图1（PCB主板） 图4-7 正面图2 L输入连接至电网一侧，L相输出连接至用户侧，电表内部将这两个端子连 接至继电器的两端，由CPU控制继电器的通断。在L相进入侧，焊有三支导线（白、绿、红)。白绿两线为计量芯片所要求的电流通道A的正负输入（1L、1H），红线是为电表正常工作提供电能的，连接至变压器（L)。这支红线要焊在L相进线端而不是用户侧，否则跳闸之后，电表的供电也停止了。L相输出端，也就是继电器的另一端，焊有跳闸检测线（黄线L-)。如果跳闸成功，黄线就应该测不到电压。N相的输入输出端子是相连的，一只电流互感器在这里采样电流信息并通过 一对紧绕的红黑线连接至INL和INH，这也是计量芯片要求的。 N相端子上焊着的黑线，是电表电源的N相，连接至变压器。4.3 各功能模块在电路板上的分布 4-8电路板（PCB）的背面图1 4-9电路板（PCB）的背面图2 表4-1 图上位置和对应的功能模块如下表所示： 位置 对应电路 位置 对应电路 1 继电器控制电路 7 485芯片D15 2 ESAM芯片D19 8 CPU芯片D21 3 实时时钟芯片D16 9 控制背光的似R27、V8 4 提供V的78L05芯片D4 10 输出日计时误差的光耦D14 5 液晶控制芯片D1 11 输出电能脉冲的光耦D7 6 计量芯片D204.4 工艺制程、工序：4.4.1插件插件也就是在面板上安放元器件。在这个阶段里，我认为自己最大的收获在于认识电表上的某些元器件，把以前所学的电子方面的知识同现实相结合。同时认识到团结合作能够达到更高的效率。由于是生产流水线，这就显的尤为重要。4.4.2焊接在这里有助于掌握焊接技术，提高焊接速度和质量。焊接时切忌虚焊、漏焊、错焊，同时在焊接时，烙铁接触面版以及元器件的时间不要太长，否则会造成元器件的损坏，电路版上的锡片脱落。最后要经过检验，看电路是否正常，在检测时，检测的灯是否全亮。有时候，在焊接的时候会造成电路板上的松香变色，最好能用洗涤剂清洗一下。4.4.3功测功测时，第一是写入程序，这个过程要细心。每一种型号的电能表对应着相应的程序，而每一种程序有对应着自己的卡。在这方面，我接触的还不是很多，在今后的日子里还有待加强。第二是看程序写的有没有错误，有没有缺显，能不能清零和输电，继电器在清零和输电的时候有没有跳。功能测试之后就是电表走字了，具体如下：a 将待走字电能表电量清零，并记录标准表（贴合格证）电量。b 给走字车加标准电压（220V）、标准电流（6A），在高温下走字8小时。c 走字结束后，将走字车断电，推出高温老化房。d 检查标准表走字电量。（走字结束时电量减去走字前电量）e 卸下被测电表，标准表不需要卸下。f扫描整机侧面的内控号，按下开关键检查电表总电量，并记录对应的总电量。g 比较被测电能表与标准表之间的电量，相差大于±0.2kWh需作为不良处理。图4-10高温走字4.4.4装配装配比较简单，在这过程中，线安放的位置要正确，如脉冲线，互感线圈的线用胶水把某些元器件固定，例如继电器、互感线圈、读卡器的电线等等。最后送到老化室经过一定的时间，使电表稳定。4.4.5校表室老化后，电能表就可以送到检验室调表了。调表之前要看清任务单上面说写的要求，比如额定电压，基准电流，最大电流，常数等等。校验室大概的任务有以下几个，我们用“电流10（40），常数1600，电压是220，50的单相电子表”为例子。先是在电脑上或在台子上进行基本的设定，然后进行以下工作，按步骤如下：A、看常数，版本（程序的显示标志），是否有缺显，有无脉冲，校验脉冲等等。B、短接点由于电路板上的取样电流强度已经确定,也就是基准电流10，所以标准的功率是220*102200，在一定的时间里，所以电子表的误差只能通过改变短接点，短接电阻来改变阻值的大小，从而改变电压的大小，最终使相对误差接近为零，在检验室只要把误差控制在一定的范围就可以了。关于单相和三相短接时误差改变由大到小：单相是从右到左，而三相恰好相反，是从左到右。C、电容补偿D、电阻补偿有正补偿和负补偿之分。因为电阻补偿时引起的短接点的误差变化，所以要在在电阻补偿后，要回去看看短接点时的误差是否还在规定的范围内。E、最后用电脑进行校验，看是否有超差表。F、如果是三相电子表，有时候还需要通485。在这里还有两个地方还没有了解，就是电阻补偿和电容补偿的原理，在以后还得努力。4.4.6终检室在终检室里步骤的同校表室没有太多的变化，主要有：a.看显示是否正常，有无缺显，程序的版本是否正确。b.清零输电。c.校验，结束后检验结果，如果合格则保存结果。d.看脉冲灯是否亮。e.看走字是否一致。f.清零。终检室是最后的把关了，所以一定要仔细，认真负责。终检室之后就可以送到装配部安装了。4.4.7维修维修相当于一个补漏工作，在一个异常相象的情况下，找出原因并解决问题。在这里可以学到很多东西。在加强认识元器件的同时，并了解它们的作用。维修最重要的是要掌握电子表的电路图，相当于弄懂每一个板块的作用。这只是维修中的基础，在此基础上，要对实际问题进行分析。结论单相费控智能仪表，可根据不同的时间设置，实现电能计量、分时存储大量电表运行数据，促进智能电网分析的操作过程。采用RS485串行通信，以实现自动断电，实时校正，接收远程控制等命令。基于高性能单片机作为智能电子电度表的核心多与单块电子式电能表相比，技术更先进、结构紧凑，体积更小、价格性能比大大提高、且具有更全面的功能、更方便用电自动化管理，非常适合中国的国情，市场前景广阔。但由于宣传力度不够大，目前市场占有率非常有限。对于如何加快该产品的推广，建议以下方法：首先，以确保产品的质量和可靠性，我们应该增加强度和广度的宣传;第二，我们希望国家相关部门制定的政策，打破市场的电力行业的垄断;第三，积极创造条件，尽快走出国门，跨入国际市场;第四，全国电工仪器仪表生产力促进中心的建议，牵头成立行业协会，相互沟通和协调，以促进共同发展。设计临近尾声，从中汲取的知识让我受益终身。首先通过独立思考，加深了我对费控电能表的认识和了解。其次是发现、提出、分析问题，到最终提出的解决方案，让我的实践能力也有一定的提高。此次设计更锻炼了我的毅力，让我明白做任何事情要善始善终，不要半途而废；只有自己认真的去对待，面对难题才能找到办法解决，才能有机会让自己所想的成为现实。 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