随着电力工业的发展，对电能量采集系统的功能要求越来越多，如正反向记量、分时计费、需量记录、欠压断相记录、电压、电流、功率以及功率因数测量、负荷曲线记录、窃电状态记录和电量追补等等。各种功能的实现离不开对电压，电能及频率的准确测量。本文介绍的电能计量电路可以提供及时、可靠的电能信息，满足电网调度自动化的需要。

SA9904B简介
SA9904B 是SAMES公司推出的一款三相双向能量/功率计量芯片。微控制器通过SPI访问SA9904B内部的24位寄存器可以测量有功和无功能量，以及各分相有效电压和频率。在满负荷的工作条件下，SA9904B的有功能量寄存器和无功能量寄存器至少可以存储26s的数据。
SA9904B采用过采样和电流传感器技术，可以满足电力调配系统、居民区和工厂电能测量和控制的需要。
电网调度系统
电网调度系统采用计算机、信息处理以及通信技术，为变电所无人值班提供强有力的现场数据采集及监控支持。
系统由电能量采集模块、有线及无线数据通信模块、红外数据校准模块、Flash数据存储模块和无功补偿模块组成。各模块的功能如下：电能量采集模块主要负责有功能量和无功能量的测量、各分相的电压有效值及频率的测量，以及电网缺相状况显示；有线及无线数据通信模块主要负责数据的上传及远程遥控；红外数据校准模块主要负责计量模块参数的校正及系统参数的设置；Flash数据存储模块主要负责掉电时现场数据的保护；无功补偿模块主要负责改变整个电网的无功分布。

电能量采集模块
本文主要讨论电能量采集模块的设计与实现。电路如图1所示，该电路以SA9904B为，主要的外围元器件包括电压传感器、电流传感器等。外围电阻的大小由模拟输入电流的大小来决定。当电路工作在额定工作状态时，电流传感器应该输入ADC的电流大小为16mA。R121~R124和R119的值一样。同样，在额定工作状态下，由电压传感器输入ADC的电流大小为14mA，这样可以确定电阻R116~R118的大小。R116=I×R111/14。I表示流经电阻R111电流的有效值。R117，R118和R116的值一样，实际取值为39kW。电压传感器和电流传感器分别采用WBV513S0和WB21413S0。R120取47kW，为SA9904B提供参考电压。
由于SA9904B和微控制器C8051F020的逻辑电平不一致，所以使用LM393进行电平转换。使-2.5V~+2.5V和0V~3V互相转换，电路如图2所示。
LM393既可以采用单电源，也可以采用双电源。其工作电压范围为2~36V。
在图2中，左边部分采用±2.5V双电源。电阻R3，R4组成分压电路，当从同相端输入3.3V电压时，由于同相输入端的电平比反相输入端的电平高，所以比较器输出高电平+2.5V。当从同相端输入0V电压时，由R3，R4组成的偏压电路保证反相输入端的电平为正，所以比较器输出为-2.5V。右边部分采用3.3V电源,反相端接地，当同相端输入+2.5V电压时，此时同相端的电压比反相端高，比较器输出高电平3.3V，当同相端输入-2.5V的电压时，同相端的电压比反相端低，比较器输出电平为0V。图中的二极管起分流作用。

硬件与软件设计
在设计硬件电路时，必须考虑电源抑制能力。由于SA9904B采用±2.5V电源，而且输入信号的自流偏置电压为0V，所以PCB板上的模拟地和数字地要分开。当设计块PCB板时，由于没有把地线布好，电源的纹波较大，导致测量的数据错误。在电压输入信号通道和电流输入信号通道存在相位差，可以在电压输入通道中加上补偿电容。可根据以下公式来确定电容的大小：C=1/(2*3.14*50*R*tan (0.18degrees))。测量功率值的准确性可以得到明显的提高。
在SA9904B和MCU的通信过程中，有时会发生“失步”现象。通过示波器观察，发现SA9904B的SPI时序工作在模式2，当SPI处于空暇时，SCK为高电平。在SA9904B被选中时，MCU送给SA9904B的指令在SCK的上升沿被采样。等到指令被SA9904B接收到以后(即指令的位在SCK的上升沿被采样)，开始输出数据，同时MCU开始接收数据。从SA9904B接收到指令，再到送出测量值，分别对应SCK的上升沿和下个周期的下降沿，即相差一个半周期。但在数据的通信过程中，出现了SA9904B输出的测量值滞后一个周期的情况。
为了解决SPI数据传输存在的上述问题，本文设计了印制电路板。但在测试过程仍然存在少量的误码，达不到系统设计的要求。用软件则可以解决这个问题。SA9904B的频率寄存器一共有24位，其中的10~17为保留位。在正常工作情况下，这8位应该为0。可以采用数据冗余的方法，不管是读取电能值还是电压值，每次都把所有的12个寄存器都读出来。并判断各相电对应的频率寄存器的10~17位是否为0，若3个频率寄存器的10~17位都为0，则该次读数有效，否则该组数据丢弃。

结语
MCU采用Cygnal公司的C8051F020，开发环境为KEIL C7.0版本。采用软件和硬件结合的方式，成功地解决了数据传送过程中出现的“失步”问题。该系统已成功应用于武汉华骏科技有限公司生产的电网调度系统中，取得了良好的效果。■

参考文献

  

[1]. SA9904B datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/SA9904B_595716.html.
[2]. LM393 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/LM393_1059532.html.
[3]. C8051F020 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/C8051F020_209830.html.
[4]. PCB datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/PCB_1201640.html.
[5]. 徐爱钧，彭秀华. 单片机语言C51 WINDOWS环境编程与应用. 电子工业出版社, 2001
[6].潘琢金，施国君. C8051FXXX高速SOC单片机原理及应用. 北京航空航天大学出版社, 2002