一種新型交流耐壓核查裝置的設計

孫艷玲，何毓函，翟曉卉，孫曉斌，孫艷鳳，韓冬軍

（1.國網山東省電力科學研究院，山東 濟南255000；2.國網山東省電力公司，山東 濟南255000；3.國網天津薊縣供電公司，天津301900；4.煙臺東方威思頓電氣股份有限公司，山東 煙臺264000）

一種新型交流耐壓核查裝置的設計

孫艷玲1，何毓函1，翟曉卉1，孫曉斌2，孫艷鳳3，韓冬軍4

（1.國網山東省電力科學研究院，山東 濟南255000；2.國網山東省電力公司，山東 濟南255000；3.國網天津薊縣供電公司，天津301900；4.煙臺東方威思頓電氣股份有限公司，山東 煙臺264000）

針對智能電能表做耐壓測試過程中準確度無法判定的問題，設計了一種以FM3308微處理器為核心的交流耐壓核查裝置。裝置采用模塊化設計，包括硬件和軟件設計。硬件部分包括電源電路、電壓取樣電路、計量控制電路、紅外通信電路等，軟件部分包括主程序流程圖和校表流程圖。通過標準功率源校驗后，耐壓核查裝置測試數據準確，誤差精度高，滿足了智能電能表檢表的要求和性能。

智能電能表；FM3308；微處理器；紅外通信

0 引言

耐壓是智能電能表能否長期正確工作的一項主要技術指標。電能表在運行中，絕緣長期受電場、溫度和機械振動的作用會逐漸發生劣化，其中包括整體劣化和部分劣化，形成缺陷。交流耐壓試驗是鑒定電力設備絕緣強度最有效和最直接的方法，是預防性試驗的一項重要內容。此外，由于交流耐壓試驗電壓一般比運行電壓高，困此通過試驗后，設備有較大的安全裕度，交流耐壓試驗是保證電力設備安全運行的一種重要手段。在Q/GDW1364-2013《單相智能表技術規范》中對交流電壓試驗提出了以下要求：在試驗中，儀表不應出現閃絡、破壞性放電或擊穿。試驗后，儀表應無機械損壞，并能正確工作，為保證現場測試工作能準確無誤地進行，交流耐壓核查裝置顯得尤為重要[1-2]。

耐壓已成為電力公司對電能表性能檢測的強檢項目之一，故對交流耐壓儀的準確度提出了更高的要求，目前國際和國內還沒有準確測試耐壓儀的測量器具，本文按照要求設計了一種高精度的交流耐壓核查裝置，能夠準確地記錄耐壓儀的電壓、耐壓持續時間等事件。

1 核查裝置總體設計方案

圖1所示為耐壓核查裝置的整體結構框圖，核查裝置以 FM3308為核心控制器，工作頻率 8 MHz，芯片具有8 bit TURBO 51MCU核、大容量程序存儲器和RAM，集成LCD、UARTS、7816協議等多種功能，工作電壓范圍為2.5V～5.5V，具有LCD在線調試功能及LCD驅動電路，3路UART均支持紅外調試輸出和接收信號捕捉功能，I2C接口方便與串行存儲器接口，13通道12 bit ADC，其中：1路接溫度傳感器輸出，2路監測LCD電壓，8路接外部模擬輸入，2路預留通道。系統工作時耐壓儀上的高壓通過電阻采樣電路輸入到 RN8209G，FM3308通過SPI接口與 RN8209G進行通信，試驗過程中耐壓值通過液晶顯示，數據通過存儲芯片 FM24C256A進行存儲，事件記錄包括耐壓過程中最高電壓值，耐壓持續時間等。當CPU處于低功耗狀態時，可通過紅外喚醒測試裝置，讀取測試記錄和時間等，也可以按鍵喚醒核查裝置，進行上下翻屏顯示[3]。

圖1 裝置整體結構框圖

2 系統硬件設計

耐壓核查裝置硬件電路根據功能主要分為電源電路、電壓取樣電路、計量電路、紅外通信電路。

2.1 電源電路

核查裝置測試時不需要外部供電，由電池進行供電，電池采用武漢力興的CR-P2電池，電池電壓為6V，芯片輸入電壓由電池提供，本文使用線性穩壓電源芯片RP130N501D，芯片具有反應速度快、輸出紋波小、工作產生的噪聲低等優點，芯片輸出電壓為5V，為了提升輸出電壓，在芯片地引腳加上一個反向二極管M7，如圖2所示。核查裝置在低功耗設計方面進行了考慮，電池容量為1 500 mAh，耐壓測試時啟動電池，實驗結束后關閉電池，電池功耗大約為6 mA，可做1萬次左右耐壓測試。

2.2 電壓取樣電路

針對現場檢表項目，交流耐壓最大為 4 000V，本文在取樣電路中采用了67個300 kΩ電阻，選擇多個電阻串聯，一是電阻具有溫漂，二是電阻能夠分壓，所選電阻精度為25 ppm。

圖2 電源電路

高壓信號為1 000V時，取樣電壓為：

高壓信號為5 000V時，取樣電壓為：

可見取樣電壓范圍都在0V～1V內。取樣電壓通過V3P、V3N引腳輸入到計量芯片 RN8209G中，V3P、V3N為電壓通道的正、負模擬輸入引腳，采用完全差分輸入方式，如圖3所示。

圖3 電壓取樣電路

2.3 計量控制電路

如圖4所示，RN8209G為單相多功能防竊電專用計量芯片，RN8209G集成了三路二階 Σ-ΔADC，RN8209G能夠測量有功功率、電壓有效值、線頻率、過零中斷等，RN8209G支持全數字的增益、相位和offset校正。有功電能脈沖從PF管腳輸出，用戶自定義電能脈沖頻率從QF引腳輸出。RN8209G提供兩個串行接口SPI和UART，方便與外部MCU之間進行通信。RN8209G內部的電源監控電路可以保證上電和斷電時芯片的可靠工作[3]。

圖4 計量控制電路

2.4 紅外通信電路

紅外發送電路如圖5所示，由三極管V25、電阻R66、電阻R67和發送管V26組成，經調試后的紅外信號由單片機引腳18輸出。發送高電平時，截止，無信號輸出。發送低電平時，三極管導通，紅外發送管導通，發射信號。

圖5 紅外發送電路

紅外接收電路如圖6所示，最高輸出低電平為 0.5V，最低輸出低電平為0V。最高輸出高電平為5V，最低輸出高電平為4.5V。工作電壓為2.7V～5.5V，工作電流為0.3 mA～0.6 mA。通信距離20m (水平)，紅外接收用V24表示，R63為限流電阻，C49為去耦電容，C50為濾波電容。

圖6 紅外接收電路

3 系統軟件設計

采用C語言進行程序編寫，軟件設計思路是將各個功能模塊化，包括主程序模塊、顯示模塊、通信模塊等。測試主程序的軟件流程圖如圖7所示，耐壓核查裝置對耐壓儀進行測試，在對高壓事件判斷時，大于1 000V時認為進入高壓事件，低于1 000V時認為高壓事件結束。用整點凍結來存儲高壓事件，軟件設置能夠存儲10次高壓事件。

圖7 主程序流程圖

本文利用RN8209G提供的電壓有效值offset校正手段，對耐壓核查裝置進行校正。在校表過程中，利用電壓有效值折算公式計算電壓有效值，公式如下：

其中，Ut為從電壓有效值寄存器中獲得的電壓有效值二進制數，RT為電壓通道電阻串的總電阻值，Rus為電壓取樣的分壓電阻阻值，λPGA為通道的增益系數。

校表流程如圖8所示。

4 實驗數據處理和測試結果分析

校表源采用 NST-3500標準功率源，耐壓核查裝置經過校表后，抽取15臺記錄耐壓數據，記錄結果如表1所示。實驗數據表明：本文設計的耐壓核查裝置計量準確，精度高，達到萬分之一以下，確保了檢表過程中耐壓試驗的可靠性和準確性。

表1 輸出電壓值及相對誤差

5 結束語

本文結合電力公司現場檢表的要求，設計了一種新型的耐壓核查裝置，該裝置具有以下優點：測量電壓范圍寬，測量精度高；試驗數據通過存儲器用事件記錄下來，事件包含試驗時的時間、最大電壓值、持續時間；裝置設計簡單、輕便，采用電池供電，功耗小，有較好的市場前景。

[1]Q/GDW1364-2013.單相智能電能表技術規范[s].北京：中國電力出版社，2013.

[2]陸祖良.關于電能表現場檢定的討論[J].電測與儀表，2011(1)：1-5.

[3]劉國棟.基于 FM3308單片機的單相智能表方案設計[D].北京：華北電力大學，2013.

[4]銳能微科技有限公司.RN8209用戶手冊[M].銳能微科技有限公司，2009.

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)

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.

smart electricity meter；FM3308；microprocessor；infrared communications

TM933.2

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2015.07.019

孫艷玲，何毓函，翟曉卉，等.一種新型交流耐壓核查裝置的設計[J].電子技術應用，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.

2015-04-08)

孫艷玲（1983-），通信作者，女，工程師，主要研究方向：電能表技術，E-mail：sunyanlingsddl@163.com。

何毓函（1988-），女，助理工程師，主要研究方向：電能表技術。

翟曉卉（1982-），女，工程師，主要研究方向：終端檢測技術。