一种新型交流耐压核查装置的设计-AET-电子技术应用

一种新型交流耐压核查装置的设计

2015年电子技术应用第7期

孙艳玲1，何毓函1，翟晓卉1，孙晓斌2，孙艳凤3，韩冬军4

1.国网山东省电力科学研究院，山东济南255000； 2.国网山东省电力公司，山东济南255000； 3.国网天津蓟县供电公司，天津301900； 4.烟台东方威思顿电气股份有限公司，山东烟台264000

摘要： 针对智能电能表做耐压测试过程中准确度无法判定的问题，设计了一种以FM3308微处理器为核心的交流耐压核查装置。装置采用模块化设计，包括硬件和软件设计。硬件部分包括电源电路、电压取样电路、计量控制电路、红外通信电路等，软件部分包括主程序流程图和校表流程图。通过标准功率源校验后，耐压核查装置测试数据准确，误差精度高，满足了智能电能表检表的要求和性能。

关键词： 智能电能表 FM3308 微处理器红外通信

中图分类号： TM933.2
文献标识码： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2015.07.019
中文引用格式： 孙艳玲，何毓函，翟晓卉，等. 一种新型交流耐压核查装置的设计[J].电子技术应用，2015，41(7)：68-70.
英文引用格式： Sun Yanling, He Yuhan, Zhai Xiaohui，et al. Design of a new verification device for AC voltage[J].Application of Electronic Technique，2015，41(7)：68-70.

Design of a new verification device for AC voltage

Sun Yanling1，He Yuhan1，Zhai Xiaohui1，Sun Xiaobin2，Sun Yanfeng3，Han Dongjun4

1.State Grid Shandong Electric Power Research Institute，Jinan 255000，China； 2.State Grid Shandong Electric Power Company，Jinan 255000，China； 3.State Grid Tianjin Ji County Power Supply Company，Tianjin 301900，China； 4.Yantai Dongfang Wisdom Electric Co.，Ltd，Yantai 264000，China

Abstract： The verification device for AC voltage based on FM3308 microprocessor has been designed to solve the problem of accuracy in AC voltage by smart electricity meter. This system adopts modular control strategy, the hardware and software system design of the verification device are detail introduced. The designs of hardware parts include power circuit, voltage sampling circuit, measurement control circuit, infrared communications circuit. The designs of software parts include main program flow and calibration flow chart. After verification by the standard power source, experimental data of verification device is accurate, high error precision, meet the smart electricity meter request and performance.

Key words : smart electricity meter；FM3308；microprocessor；infrared communications

0 引言

耐压是智能电能表能否长期正确工作的一项主要技术指标。电能表在运行中，绝缘长期受电场、温度和机械振动的作用会逐渐发生劣化，其中包括整体劣化和部分劣化，形成缺陷。交流耐压试验是鉴定电力设备绝缘强度最有效和最直接的方法，是预防性试验的一项重要内容。此外，由于交流耐压试验电压一般比运行电压高，因此通过试验后，设备有较大的安全裕度，交流耐压试验是保证电力设备安全运行的一种重要手段。在Q/GDW1364-2013《单相智能表技术规范》中对交流电压试验提出了以下要求：在试验中，仪表不应出现闪络、破坏性放电或击穿。试验后，仪表应无机械损坏，并能正确工作，为保证现场测试工作能准确无误地进行，交流耐压核查装置显得尤为重要^[1-2]。

耐压已成为电力公司对电能表性能检测的强检项目之一，故对交流耐压仪的准确度提出了更高的要求，目前国际和国内还没有准确测试耐压仪的测量器具，本文按照要求设计了一种高精度的交流耐压核查装置，能够准确地记录耐压仪的电压、耐压持续时间等事件。

1 核查装置总体设计方案

图1所示为耐压核查装置的整体结构框图，核查装置以FM3308为核心控制器，工作频率8 MHz，芯片具有8 bit TURBO 51MCU核、大容量程序存储器和RAM，集成LCD、UARTS、7816协议等多种功能，工作电压范围为2.5 V～5.5 V，具有LCD在线调试功能及LCD驱动电路，3路UART均支持红外调试输出和接收信号捕捉功能，I2C接口方便与串行存储器接口，13通道12 bit ADC，其中：1路接温度传感器输出，2路监测LCD电压，8路接外部模拟输入，2路预留通道。系统工作时耐压仪上的高压通过电阻采样电路输入到RN8209G，FM3308通过SPI接口与RN8209G进行通信，试验过程中耐压值通过液晶显示，数据通过存储芯片FM24C256A进行存储，事件记录包括耐压过程中最高电压值，耐压持续时间等。当CPU处于低功耗状态时，可通过红外唤醒测试装置，读取测试记录和时间等，也可以按键唤醒核查装置，进行上下翻屏显示^[3]。

2 系统硬件设计

耐压核查装置硬件电路根据功能主要分为电源电路、电压取样电路、计量电路、红外通信电路。

2.1 电源电路

核查装置测试时不需要外部供电，由电池进行供电，电池采用武汉力兴的CR-P2电池，电池电压为6 V，芯片输入电压由电池提供，本文使用线性稳压电源芯片RP130N501D，芯片具有反应速度快、输出纹波小、工作产生的噪声低等优点，芯片输出电压为5 V，为了提升输出电压，在芯片地引脚加上一个反向二极管M7，如图2所示。核查装置在低功耗设计方面进行了考虑，电池容量为1 500 mAh，耐压测试时启动电池，实验结束后关闭电池，电池功耗大约为6 mA，可做1万次左右耐压测试。

2.2 电压取样电路

针对现场检表项目，交流耐压最大为4 000 V，本文在取样电路中采用了67个300 kΩ电阻，选择多个电阻串联，一是电阻具有温漂，二是电阻能够分压，所选电阻精度为25 ppm。

高压信号为1 000 V时，取样电压为：

可见取样电压范围都在0 V～1 V内。取样电压通过V3P、V3N引脚输入到计量芯片RN8209G中，V3P、V3N为电压通道的正、负模拟输入引脚，采用完全差分输入方式，如图3所示。

2.3 计量控制电路

如图4所示，RN8209G为单相多功能防窃电专用计量芯片，RN8209G集成了三路二阶Σ-ΔADC，RN8209G能够测量有功功率、电压有效值、线频率、过零中断等，RN8209G支持全数字的增益、相位和offset校正。有功电能脉冲从PF管脚输出，用户自定义电能脉冲频率从QF引脚输出。RN8209G提供两个串行接口SPI和UART，方便与外部MCU之间进行通信。RN8209G内部的电源监控电路可以保证上电和断电时芯片的可靠工作^[3]。

2.4 红外通信电路

红外发送电路如图5所示，由三极管V25、电阻R66、电阻R67和发送管V26组成，经调试后的红外信号由单片机引脚18输出。发送高电平时，截止，无信号输出。发送低电平时，三极管导通，红外发送管导通，发射信号。

红外接收电路如图6所示，最高输出低电平为0.5 V，最低输出低电平为0 V。最高输出高电平为5 V，最低输出高电平为4.5 V。工作电压为2.7 V～5.5 V，工作电流为0.3 mA～0.6 mA。通信距离20 m(水平)，红外接收用V24表示，R63为限流电阻，C49为去耦电容，C50为滤波电容。

3 系统软件设计

采用C语言进行程序编写，软件设计思路是将各个功能模块化，包括主程序模块、显示模块、通信模块等。测试主程序的软件流程图如图7所示，耐压核查装置对耐压仪进行测试，在对高压事件判断时，大于1 000 V时认为进入高压事件，低于1 000 V时认为高压事件结束。用整点冻结来存储高压事件，软件设置能够存储10次高压事件。