解决方案

三相智能电表参考设计

要想对风能、太阳能、水能等绿色清洁能源进行大规模开发、远距离输送和高效率利用以期切实改变全球能源格局，就必须将这些绿色能源转变为电能并通过一个集成先进的信息化、自动控制、储能、调度等技术的坚强智能电网对这些绿色电能进行集约化管理。而智能电表是构建智能电网的关键基础设施。因此，绿色能源的发展和智能电表的发展是密切相关的。

世健公司紧跟绿色能源和智能电网的发展步伐，为智能电表行业提供高性价比的产品和优良的服务。

基于上述的发展趋势和世健公司重视技术的服务理念，我们准备了三相智能电表的参考设计。
    
国网三相表框图

参考设计简要介绍

  • 基表以ADI的三相计量芯片ADE7858A和Microchip的16位单片机PIC24FJ256GA110为核心器件；无线通讯模块以SIMCOM的SIM900A为核心。
  • 基表按照国家电网标准《Q/GDW 356-2009 三相智能电能表型式规范》中三相费控智能电能表(载波)的要求设计硬件；无线通讯模块硬件按照《Q/GDW 356-2009 -三相智能电能表型式规范》的相关要求设计。
  • 硬件包括主板、电源板、显示板和CPU卡板。
  • 方案中的MCU和计量芯片都是3.3V供电，需要低静态电流LDO；这里采用Microchip的MCP1700T-3302E/MB，其静态电流的典型值只有1.6uA。
  • 485接口芯片采用ADI的ADM487E。
  • EEPROM采用Microchip的24LC256和24LC512。
  • CPU卡接口采用隔离方案，并采用ADI的磁隔离芯片ADUM3211来隔离卡时钟。ADUM3211可以隔离10MHZ以下的数字信号，其隔离电压为2.5KV，体积小，功耗低，可靠性高。
  • 弱电接口采用隔离方案。
  • 供电方式：采用线性变压器供电；变压器输出3路隔离电压（主回路供给MCU和计量芯片等，CPU卡单独供电，另一回路供给485和载波/无线模块）。

主要软件功能

  • 显示总电量、电压、电流、有功功率、无功功率。
  • 通过485读写ADE7858A寄存器，初始化计量芯片，保存、比对校表数据等。
  • 输出有功校表脉冲和无功校表脉冲。
  • 基本计量功能。




测试结果

  • 误差 额定电压220V，基本电流Ib=5A，最大电流Imax=80A，脉冲常数600imp/kwh，最小测试电流1%Ib A、功率因数为1.0时，各负载点有功误差在 0.1%以内 B、功率因数为0.5L时，各负载点有功误差在0.25%以内(互感器在不同负载点的角差不同，导致功率因数为0.5L时 误差随负载变化相对功率因数为1.0时较为明显)
  • EMC测试结果 A、计量芯片和MCU通过4.4KV快速电脉冲群测试(国网标准为4KV) B、计量芯片和MCU通过12KV的静电接触放电测试(国网标准为8KV) 

ADE7858A简要介绍

  • 支持三相三线、三相四线（角形或星形连接）等三相计量。
  • 提供有功、无功、视在功率和电能。
  • 在1000:1的动态范围内有功和无功误差小于0.1%，在3000:1的动态范围内有功和无功误差小于0.2%。 
  • 包含数字积分器，支持罗氏线圈。 
  • 在1000:1的动态范围内电压电流有效值的误差小于0.1%。
  • 提供各相波形数据。
  • 提供有功、无功和视在功率的防潜动阀值。
  • 提供电压通道之间、电流通道之间以及电压电流通道间的角度测量值，典型误差为0.3°。
  • 供电电压：2.4V ~ 3.7V。
  • 参考电压：1.2V(温漂典型值为10ppm/°C)。
  • 40脚LFCSP封装。
  • 工作温度：-40°C ~ 85°C。 
  • IIC、SPI和HSDC（高速数据捕捉接口）可选。
  • ADE78XXA和ADE78XX主要区别:

  1. 功率通道LPF的建立时间可设置，增加建立时间可进一步减小有功、无功功率的波动；  
  2. 提供瞬时总电流的RMS； 
  3. 提供电流、电压有效值的平均值寄存器； 
  4. 允许通过SPI接口连读电压、电流、功率瞬时波形数据；  
  5. 提供校验寄存器，用来比对上次操作的命令和数据； 
  6. PSM2模式下的最低唤醒电平为满量程的1/587，而ADE78XX在PSM2模式下的最低唤醒电平为满量程的1/8； 
  7. CRC校验涵盖所有可配置寄存器； 
  8. CF输出的驱动能力由2mA增加至8mA。
  • 如果不使用ADE78XXA的新功能，那么用户从ADE78XX切换到ADE78XXA基本不需要做硬件或软件方面的更改（如果使用ADE78XX时AVDD和DVDD上接10uF电容，那么使用ADE78XXA时这两个电容需要改为4.7uF）。

SIM900A简要介绍

  • 双频900/1800MHz
  • GPRS 多时隙 class 10/8
  • GPRS 移动台 class B
  • 符合GSM phase 2/2+
    -Class 4 (2W @ 900MHz)
    -Class 1 (1W @ 1800MHz)
  • 尺寸：24 x 24 x 3 mm
  • 重量：3.4g
  • 通过AT命令控制 （GSM 07.07,07.05 & Q/GDW 1376.3 & SIMCOM 增强型AT命令）
  • SIM应用工具包
  • 工作电压范围：3.2…4.8V
  • 低功耗：1.0mA （睡眠模式&BS-PA-MFRMS=9）
  • 工作温度范围：-40°C to +85°C 

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