基于ADE7758的電力監(jiān)測儀設(shè)計(jì)及研究

王 鵬

(甘肅交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系，甘肅 蘭州 730070)

0 引言

智能電網(wǎng)最初是由美國提出的，用于解決21世紀(jì)電網(wǎng)面臨的各種問題。通過智能電網(wǎng)的建設(shè)，電力傳輸、配電、銷售和用電的各個(gè)領(lǐng)域都將發(fā)生質(zhì)的突破和改進(jìn)[1]。在我國，國家電網(wǎng)公司及相關(guān)科研院所以現(xiàn)有電網(wǎng)架構(gòu)為基礎(chǔ)，積極開展智能電網(wǎng)相關(guān)理論和應(yīng)用的探索研究，努力構(gòu)建符合中國特色的智能電網(wǎng)。一般來說，智能電網(wǎng)是將原有的輸、配電基礎(chǔ)設(shè)施與先進(jìn)的傳感測量技術(shù)、新一代信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)與自動(dòng)控制技術(shù)有機(jī)結(jié)合而形成的新型電網(wǎng)。其特點(diǎn)是電網(wǎng)可觀測、可控制、實(shí)時(shí)分析、自適應(yīng)和自愈[2]。

智能電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)中的智能自動(dòng)抄表系統(tǒng)(automatic meter reading,AMR)，需要實(shí)時(shí)測量用戶用電的電流、電壓、頻率以及有功、無功、功率因數(shù)等信息，分時(shí)段對有功、無功進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并通過通信網(wǎng)絡(luò)將采集的信息實(shí)時(shí)上傳至上位監(jiān)控中心進(jìn)行分析。因此，作為智能電網(wǎng)的一部分，抄表系統(tǒng)尤為重要。但是，我國地域廣闊、地形復(fù)雜。受地域限制，一些地方的電力公司對電網(wǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控能力不足，致使電力公司無法及時(shí)掌握供電線路和設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、準(zhǔn)確定位電網(wǎng)中存在的故障或隱患的情況時(shí)有發(fā)生。針對上述問題，為保證電力系統(tǒng)及設(shè)備運(yùn)行良好，采用通用分組無線服務(wù)(general packet radio service,GPRS)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種具有遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸功能的電力監(jiān)測儀，使電力監(jiān)測不受地理位置和通信區(qū)域限制。

1 電力監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電力監(jiān)測系統(tǒng)由電力監(jiān)測儀、GPRS通信網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)監(jiān)控中心三部分組成[3-4]。電力監(jiān)測儀通過GPRS模塊將采集到的監(jiān)測點(diǎn)的電流、電壓、頻率以及有功、無功、功率因數(shù)等信息，借助GPRS通信網(wǎng)絡(luò)送至數(shù)據(jù)集中器。數(shù)據(jù)集中器負(fù)責(zé)匯總一個(gè)片區(qū)的電能數(shù)據(jù)信息，并將其上傳至電力公司數(shù)據(jù)中心站。數(shù)據(jù)中心站負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收、轉(zhuǎn)換、分析處理、統(tǒng)計(jì)、顯示及存儲(chǔ)，并以圖形報(bào)表的形式顯示各監(jiān)測點(diǎn)電能信息。它使電網(wǎng)工作人員能夠?qū)崟r(shí)了解電網(wǎng)各部分的實(shí)際運(yùn)行情況，是構(gòu)建智能電網(wǎng)信息平臺的基礎(chǔ)。電力監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電力監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of power monitoring system

2 電力監(jiān)測儀的功能實(shí)現(xiàn)

電力監(jiān)測儀主要用于完成監(jiān)測點(diǎn)電能數(shù)據(jù)的采集與發(fā)送[5-6]，其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 電力監(jiān)測儀硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Hardware structure of power monitor

電網(wǎng)中不能直接測量的高電壓、大電流，經(jīng)過電流互感器(current transformer,CT)、電壓互感器(potential transformer,PT)以及信號調(diào)理電路進(jìn)行變換，最終成為電能表芯片ADE7758可以處理的信號。電能芯片與單片機(jī)之間通過串行外設(shè)接口(serial peripheral interface,SPI)交互電能電壓、電流、功率因數(shù)等信息。單片機(jī)將獲取的電能信息在液晶屏顯示。通過GPRS模塊，單片機(jī)將電能信息實(shí)時(shí)上傳至數(shù)據(jù)集中器。時(shí)鐘電路負(fù)責(zé)提供系統(tǒng)工作所需的實(shí)時(shí)時(shí)間。為了增大系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量，擴(kuò)展了大容量的非失憶性存儲(chǔ)器，并通過I2C總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀寫。按鍵電路方便系統(tǒng)功能和參數(shù)的設(shè)定。系統(tǒng)采用專用電能表芯片ADE7758+單片機(jī)PIC16F877A的方式測量電能。與目前大部分電力監(jiān)測儀的解決方案相比，該方案具有功耗低、結(jié)構(gòu)簡單、抗干擾性強(qiáng)的特點(diǎn)。

2.1 單片機(jī)選型

系統(tǒng)核心芯片采用美國Microchip公司生產(chǎn)的8位單片微控制器PIC16F877A。其片內(nèi)集成了豐富的資源，包括3個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器、2個(gè)輸入捕捉/輸出比較/脈寬調(diào)制(capture/compare/pulse width modulation,CCP)模塊、8通道10位A/D轉(zhuǎn)換器、8 KB Flash、256 B EEPROM、368 B數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、同步串行通信端口，以及時(shí)鐘、看門狗等，大大簡化了外圍電路設(shè)計(jì)。處理器采用獨(dú)特的精簡指令集架構(gòu)，具有低功耗睡眠、上電復(fù)位、脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation,PWM)輸出、液晶顯示器(liquid crystal display,LCD)驅(qū)動(dòng)等功能，是一款低功耗、高性能處理器。

2.2 電能數(shù)據(jù)采集電路

由于電能數(shù)據(jù)信息種類繁多，若全部交由單片機(jī)計(jì)算處理，則處理器工作負(fù)荷過重、速度慢，不能很好地分擔(dān)其他工作。為此，設(shè)計(jì)采用美國ADI公司生產(chǎn)的高精度三相電能專用計(jì)量芯片ADE7758進(jìn)行電能數(shù)據(jù)采集[7-8]。該芯片支持三相三線和三相四線制接法。輸入的電壓、電流信號經(jīng)過芯片內(nèi)部電路處理后，即可獲得三相有功、無功、視在電能、電壓及電流有效值信息。芯片內(nèi)部各種校準(zhǔn)寄存器可對外部元件引起的誤差進(jìn)行校正，在1 000∶1的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)誤差小于0.1%。ADE7758通過SPI總線與單片機(jī)PIC16F877A進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

電能芯片ADE7758外圍電路如圖3所示。圖3中：DOUT、SCLK、DIN引腳為SPI接口管腳，直接與單片機(jī)SPI接口對應(yīng)管腳相連。微控制器通過SPI接口設(shè)置ADE7758內(nèi)部功能寄存器，并從相關(guān)處理結(jié)果寄存器中獲取電能信息。這樣可以將單片機(jī)從繁重的數(shù)據(jù)處理任務(wù)中釋放，簡化軟件編程。

圖3 ADE7758外圍電路Fig.3 Peripheral circuit of ADE7758

電網(wǎng)中的高電壓、大電流不能直接被單片機(jī)系統(tǒng)采集處理，一般先要經(jīng)過電壓互感器、電流互感器轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號(如AC100 V、AC220 V/AC380 V)和電流信號(如5 A、1 A)，然后再經(jīng)過精密電壓互感器、電流互感器進(jìn)行二次轉(zhuǎn)換和信號調(diào)理電路的處理，變成電能表芯片ADE7758模擬輸入通道要求大小的信號。需要采集的信號可能為單相或三相的電壓、電流信號。圖4是以A相為例的互感器及信號調(diào)理電路，其他兩相的情況與此類似。

圖4 互感器及信號調(diào)理電路Fig.4 Transformer and signal conditioning circuit

圖4中：CT是一種精密電流互感器，其型號為HCT250，額定初級電流為5 A，次級繞組可產(chǎn)生2.5 mA的電流。取樣電阻R12的作用是將電流信號轉(zhuǎn)換為0.5 V的電壓信號。電阻電容(resistor capacitance,RC)濾波電路用于濾除干擾并保留工頻信號。二極管D24和D25在電壓信號過高時(shí)用于提供保護(hù)，將電壓限制在0.7 V。IAP、IAN接ADE7758的電流通道輸入，最大差分輸入信號為±0.5 V。PT是一種電流型的精密微型電壓互感器，其型號為HPT304，輸入輸出電流比為1∶1，輸入電流可達(dá)10 mA，輸入電壓不高于1 000 V?；ジ衅鞯念~定電流比可以在低于10 mA/10 mA的任何工作點(diǎn)工作。R25為限流電阻，二次側(cè)取樣電阻R26的作用是將電流信號轉(zhuǎn)換為接近0.5 V的電壓信號。經(jīng)RC濾波電路和二極管保護(hù)后將此信號送入ADE7758的電壓通道，ADE7758的電壓通道是單端電壓輸入，標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行時(shí)最大信號電壓為±0.5 V。

2.3 時(shí)鐘電路

系統(tǒng)工作時(shí)，可以通過時(shí)鐘芯片DS1302獲得實(shí)時(shí)時(shí)鐘。時(shí)鐘電路如圖5所示。

圖5 時(shí)鐘電路Fig.5 Clock circuit

DS1302通過SCLK、I/O、RST與單片機(jī)I/O口相連。單片機(jī)以寫時(shí)序的方式對其進(jìn)行控制并獲取實(shí)時(shí)時(shí)間。芯片提供兩個(gè)電源，VCC2接系統(tǒng)電源+5 V，VCC1接鋰電池組3.6 V作為備用電源，系統(tǒng)掉電后由備用電源供電。

2.4 GPRS通信

電力監(jiān)測儀獲取監(jiān)測點(diǎn)的電量信息后，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將信息發(fā)送至上位計(jì)算機(jī)監(jiān)控中心。GPRS是在第二代移動(dòng)通信技術(shù)GSM的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的[9-10]，采用分組交換的方式承載和傳輸數(shù)據(jù)。它主要為語音、短消息和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)提供無線接口，具有覆蓋面積大、網(wǎng)絡(luò)成熟、成本低、永遠(yuǎn)在線的特點(diǎn)，非常適合遠(yuǎn)程無線數(shù)據(jù)的采集。

本設(shè)計(jì)采用內(nèi)嵌有TCP/IP協(xié)議棧的GPRS模塊，模塊型號為ETPro-101An。該模塊具有開發(fā)周期短、性能穩(wěn)定、可靠性高、接口及外圍電路設(shè)計(jì)簡單、適用于惡劣檢測環(huán)境的特點(diǎn)。通過電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232，對單片機(jī)內(nèi)置UART輸出的電平進(jìn)行轉(zhuǎn)換，可實(shí)現(xiàn)GPRS模塊與單片機(jī)之間的通信。上位計(jì)算機(jī)監(jiān)控中心也需安裝GPRS模塊，以便接收來自現(xiàn)場的數(shù)據(jù)[11]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于模塊化的設(shè)計(jì)思想，開發(fā)了系統(tǒng)主程序和各個(gè)功能子程序[12]。主程序通過循環(huán)調(diào)用各功能子程序來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能。主程序流程如圖6所示。

圖6 主程序流程圖Fig.6 Flowchart of main program

各功能子程序主要包括電能數(shù)據(jù)的采集分析及存儲(chǔ)程序、DS1302時(shí)鐘讀取程序、鍵盤程序、液晶顯示器(liquid crystal display,LCD)顯示程序、GPRS模塊發(fā)送程序等。系統(tǒng)上電后，首先對單片機(jī)的I/O口、通用串口、SPI接口、中斷寄存器等進(jìn)行初始化設(shè)置；接著對外圍設(shè)備初始化，單片機(jī)對電能表芯片ADE7758、時(shí)鐘芯片DS1302、LCD顯示、GPRS模塊等外圍設(shè)備的功能寄存器進(jìn)行設(shè)置，使外圍設(shè)備處于待工作狀態(tài)。初始化設(shè)置完成后，主程序進(jìn)入循環(huán)結(jié)構(gòu)，周而復(fù)始地調(diào)用各功能子程序。主程序調(diào)用鍵盤處理子程序，確定是否有按鍵按下并讀取對應(yīng)鍵值。用戶也可通過按鍵進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置。通過調(diào)用電量信息讀取子程序，主程序可從ADE7758相關(guān)寄存器獲取電能信息；通過調(diào)用DS1302系統(tǒng)時(shí)間讀取子程序，主程序讀取各個(gè)時(shí)間寄存器以獲得實(shí)時(shí)時(shí)間。主程序最后對所有獲取的信息進(jìn)行存儲(chǔ)、計(jì)算，并按一定的格式顯示在LCD屏上。

為了使電力監(jiān)測儀的工作方式更加靈活，電能數(shù)據(jù)的發(fā)送可通過現(xiàn)場按鍵設(shè)定，選取定時(shí)發(fā)送和實(shí)時(shí)發(fā)送兩種方式，也可以由上位管理中心設(shè)定。軟件編程采用Microchip公司提供的集成開發(fā)環(huán)境MPLAB IDE及Hitech 公司的C語言編譯器，使用C語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。

4 成效分析

具有遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸功能的電力監(jiān)測儀的研究與設(shè)計(jì)，主要是為了解決電力數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測及相關(guān)數(shù)據(jù)處理等工作實(shí)際問題，從而很好地滿足智能電網(wǎng)對遠(yuǎn)程抄表的應(yīng)用需求。傳統(tǒng)的手工抄錄上報(bào)電力數(shù)據(jù)時(shí)期，電力監(jiān)測面臨諸多問題及困難：①手工抄錄數(shù)據(jù)量龐大；②數(shù)據(jù)收集不及時(shí)、不全面，無法有效掌握現(xiàn)場的真正運(yùn)行情況；③缺乏有效的統(tǒng)計(jì)計(jì)算方法，且容易夾雜人工因素，導(dǎo)致數(shù)據(jù)計(jì)算易失去準(zhǔn)確性和及時(shí)性。

本文利用電能表芯片、單片機(jī)技術(shù)、GPRS通信技術(shù)設(shè)計(jì)的電力監(jiān)測儀，極大地提升了工作效率。這主要表現(xiàn)在：①減少了人員現(xiàn)場工作時(shí)間；②數(shù)據(jù)獲取全面，電力監(jiān)測不受地理位置和通信區(qū)域限制；③對有疑問的監(jiān)測點(diǎn)，通過分析相關(guān)情況及數(shù)據(jù)，可有效提出問題，并提出預(yù)判，為后期預(yù)防提供支持；④管理簡單、高效，提高了電力監(jiān)測管理水平。伴隨新一代信息技術(shù)的飛速發(fā)展，基于ADE7758的電力監(jiān)測儀數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸?shù)目煽啃员貙⒋蟠筇岣摺Ｔ撓到y(tǒng)的推廣應(yīng)用勢必會(huì)提升電力運(yùn)營管理自動(dòng)化水平。

5 結(jié)束語

本文以電力信息監(jiān)測的需求為背景，設(shè)計(jì)了以單片機(jī)PIC16F877A和電能表芯片ADE7758為核心的電力監(jiān)測儀。由ADE7758采集電網(wǎng)運(yùn)行各環(huán)節(jié)的電量信息，單片機(jī)獲取后進(jìn)行分析計(jì)算，將這些信息通過GPRS模塊并借助GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至上位計(jì)算機(jī)監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的在線分析與監(jiān)控。該系統(tǒng)具有設(shè)計(jì)簡單、易于實(shí)現(xiàn)、電力監(jiān)測不受地理位置和通信區(qū)域限制等特點(diǎn)，可以很好地滿足智能電網(wǎng)對遠(yuǎn)程抄表的應(yīng)用需求。