一種具有故障監(jiān)測及遠(yuǎn)程報(bào)錯功能的電能表設(shè)計(jì)

沈 慶，瞿遂春，邱愛兵

（南通大學(xué)　電氣工程學(xué)院，江蘇 南通　226019）

一種具有故障監(jiān)測及遠(yuǎn)程報(bào)錯功能的電能表設(shè)計(jì)

沈 慶，瞿遂春，邱愛兵

（南通大學(xué)電氣工程學(xué)院，江蘇 南通226019）

文中針對目前市場上單相電子式電能表發(fā)生故障不易監(jiān)測的問題，設(shè)計(jì)了一種具有自動故障監(jiān)測及遠(yuǎn)程報(bào)錯功能的電能表。本設(shè)計(jì)采用高精度單相電能計(jì)量芯片 ADE7755采集用戶所使用的電量，采用高可靠性的RS485傳輸協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，使用高性能的單片機(jī) STC89C52來作為整個電能采集、故障檢測、數(shù)據(jù)傳輸電路的控制核心。構(gòu)建了整個電能計(jì)量電路的組成框圖、單相電能測量電路圖以及軟件流程圖，最后對樣機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)，對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該電能計(jì)量電路具有較高的監(jiān)測精度。

電子式電能表；ADE7755；RS485；單片機(jī)；故障監(jiān)測；遠(yuǎn)程報(bào)錯

隨著城鄉(xiāng)電網(wǎng)建設(shè)的深入進(jìn)行，傳統(tǒng)的感應(yīng)式電表已逐漸被電子式電表所替代。電子式電表以其防竊電能力強(qiáng)、計(jì)量精度高、負(fù)荷特性較好、誤差曲線平直、功率因數(shù)補(bǔ)償性能較強(qiáng)、自身功耗低等優(yōu)勢迅速占領(lǐng)著我國的電能表市場，基于單片機(jī)的智能電子式電能表更是使遠(yuǎn)程抄表成為可能。然而目前市場上的電子式電能表還存在壽命較短、易受外界干擾、工作可靠性差等問題。

目前，電子式電能表的故障監(jiān)測方法正逐漸向故障自動檢測發(fā)展。有學(xué)者提出利用組合分類思想建立BP-AdaBoost故障預(yù)測方法，將單一BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為弱分類器，通過反復(fù)訓(xùn)練，得到的復(fù)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為強(qiáng)分類器，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)樣本的預(yù)測［1］。亦有學(xué)者提出將電能表數(shù)據(jù)運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)原理進(jìn)行分析判斷故障的方法［2］。但以上方法僅針對數(shù)據(jù)的處理，無法做到實(shí)時故障監(jiān)測。

文中設(shè)計(jì)了一種具有自動故障監(jiān)測及遠(yuǎn)程報(bào)錯功能的電能表，能實(shí)時監(jiān)測電能表故障并遠(yuǎn)程傳送報(bào)錯，實(shí)現(xiàn)電力部門第一時間了解電表故障，減少損失。設(shè)計(jì)采用美國 ADI公司生產(chǎn)的一款高精度單相電能計(jì)量芯片 ADE7755來采集用戶所使用的電量，采用高可靠性的RS485傳輸協(xié)議來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，使用高性能的單片機(jī) STC89C52來作為整個電能采集、故障監(jiān)測、數(shù)據(jù)傳輸電路的控制核心。在采集電流、電壓值時，文中采用了精度高、穩(wěn)定性能好的銅錳采樣電阻、電阻分壓網(wǎng)絡(luò)來取代常用的電流、電壓互感器。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建單相電能計(jì)量電路的系統(tǒng)框圖以及軟件流程圖。

1　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1基本框圖

系統(tǒng)框圖如圖1所示，系統(tǒng)主要由電壓、電流采樣電路，電能計(jì)量電路，單片機(jī)控制電路，顯示模塊，遠(yuǎn)程通訊模塊組成。本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是將單片機(jī)STC89C52作為整個系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)監(jiān)測電流采樣模塊和電能計(jì)量芯片ADE7755，并控制RS485模塊實(shí)時數(shù)據(jù)傳送。

STC89C52控制整個電能計(jì)量電路的正常運(yùn)行，監(jiān)控ADE7755的工作狀態(tài)，從 ADE7755寄存器中讀取有功、無功、視在功率和電流、電壓值，輸出到LCD顯示電路，保存數(shù)據(jù)到存儲器中以防止停電時數(shù)據(jù)的丟失，以及處理與遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)通訊等。

圖1　系統(tǒng)的基本框圖Fig．1　Basic block diagram of the system

1.2電能表計(jì)量電路設(shè)計(jì)

1.2.1電流采樣電路

電流采樣電路如圖2所示。采用500 μΩ錳銅片作為電流采樣器，L1和L2為磁珠。將火線電流信號經(jīng)采樣電阻轉(zhuǎn)換成電壓信號送電能計(jì)量芯片ADE7755的電流輸入端［3］。

圖2　電流采樣電路Fig．2　Current sampling circuit

1.2.2電壓采樣電路

電壓采樣電路對輸入電壓采用電阻器分壓采樣，短接或松開短接點(diǎn)能很方便的完成增益調(diào)節(jié)。此電阻器分壓網(wǎng)絡(luò)相對于變壓器采樣來說，體積和重量大大減少［4］。為了提高分壓網(wǎng)絡(luò)分壓系數(shù)的穩(wěn)定性，保證電能表的測量精度，一般選用誤差低于1%、溫度系數(shù)小于100 PPM/℃的貼片電阻［5］。

1.2.3電能計(jì)量電路

電能計(jì)量電路主要是由電壓檢測電路、電流檢測電路和電能計(jì)量芯片ADE7755及其外圍電路組成。負(fù)載電流經(jīng)過電流檢測電路再通過濾波電路后轉(zhuǎn)換成合適的電壓信號送入到電能計(jì)量芯片ADE7755的電流通道，即 V1P和V1N端［6］；220 V相電壓通過電壓檢測電路分壓后，再通過濾波電路送入電能計(jì)量芯片ADE7755的電壓通道，即V2P和V2N端［7］。二者經(jīng)過 ADE7755轉(zhuǎn)換成有功功率以高頻脈沖形式從 CF端輸出然后接入到單片機(jī)STC89C52的輸入端。單片機(jī)控制電路從 ADE7755的CF端采集脈沖信號處理后得到的數(shù)據(jù)送到LCD顯示電路進(jìn)行顯示，并通過遠(yuǎn)程通訊電路把數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)。

1.3電能表自動故障監(jiān)測的設(shè)計(jì)

本文提出一種新型電能表故障監(jiān)測方法，即將ADE7755 的CF端輸出的帶電量信息的脈沖信號與從電流檢測電路采集的電流信號相與，由單片機(jī)判別相與后的信號來實(shí)時監(jiān)測電能表的運(yùn)行狀況，實(shí)現(xiàn)自動故障檢測。如圖3所示。

圖3　故障分析的4種情況Fig．3　Four cases of fault analysis

第1種情況為電能表正常工作狀態(tài)，如圖3（a）所示，電能計(jì)量芯片有脈沖輸出，電流采樣端有電流，相與后有脈沖。

第2種情況為電能表故障狀態(tài)，如圖3（b）所示，電能計(jì)量芯片有脈沖輸出，電流采樣端無電流，相與后無脈沖，疑為計(jì)量芯片故障。

第3種情況為電能表故障狀態(tài)，如圖3（c）所示，電能計(jì)量芯片無脈沖輸出，電流采樣端有電流，相與后無脈沖，疑為計(jì)量芯片故障。

第4種情況為電能表不工作狀態(tài)，如圖3（d）所示，電能計(jì)量芯片無脈沖輸出，電流采樣端無電流，相與后無脈沖，為用戶不用電狀態(tài)。

1.4電能表遠(yuǎn)程報(bào)錯的電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)采用的是RS-485串行通信方式。標(biāo)準(zhǔn)的RS-485是近距離傳輸數(shù)據(jù)信息的最為成熟的串行接口。采用RS-485接口可以多點(diǎn)連接，通過RS-485總線構(gòu)成電能表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，直接使用MAX485驅(qū)動芯片，多個電能表通過雙絞線連接就可構(gòu)成通信網(wǎng)絡(luò)［8］。DL/T 645-2007規(guī)定：RS-485接口采用主從結(jié)構(gòu)的半雙工通信方式；共模輸入電壓范圍-7 ～12 V，差模輸入電壓大于0．2 V采用三態(tài)方式輸出；在負(fù)載阻抗5 4歐時，驅(qū)動輸出電壓最大5 V，最小1．5 V驅(qū)動能力不應(yīng)少于32個同類接口在通信速率不大于1 0 0 Kb/s的條件下有效傳輸距離不小于1 200 m；總線是無源的，由電能表或數(shù)據(jù)終端設(shè)備提供隔離電源。

2　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的軟件流程圖如圖4所示。首先，進(jìn)行電能計(jì)量電路的初始化，如單片機(jī)的初始化、電能計(jì)量芯片 ADE7755的初始化以及顯示電路和遠(yuǎn)程通訊的初始化，再進(jìn)行電能脈沖復(fù)位以及系統(tǒng)各參數(shù)的初始化，然后單片機(jī) STC89C52開始讀取各項(xiàng)電能數(shù)據(jù)和電流采樣信號，將ADE7755芯片輸出的電流脈沖信號和采樣電流信號相與，如果還有脈沖，則計(jì)算出各項(xiàng)功率，然后把電能數(shù)據(jù)送出并進(jìn)行 LCD顯示處理，如果無脈沖，則通過RS485電路遠(yuǎn)程報(bào)送錯誤代碼。執(zhí)行完每個步驟，最后返回到開始重新執(zhí)行命令。這是本單相電能計(jì)量電路的主流程圖。

圖4　系統(tǒng)軟件流程圖Fig．4　System software flow chart

3　樣機(jī)試驗(yàn)

為驗(yàn)證該單相電能計(jì)量電路的性能，我們搭建了一個試驗(yàn)平臺進(jìn)行了試驗(yàn)，如圖5所示。我們手動將ADE7755芯片的CF端斷開，將與之相連的單片機(jī)引腳接地，一段時間后，通信接收端收到出錯代碼。

圖5　樣機(jī)測試系統(tǒng)Fig．5　Prototype testing system

系統(tǒng)響應(yīng)及報(bào)錯時間如表1所示。

表1　系統(tǒng)響應(yīng)及報(bào)錯時間Tab.1　System response and report wrong time

4　結(jié)束語

本文介紹了由ADE7755電能計(jì)量芯片，STC89C52單片機(jī)，RS485通信構(gòu)成的一款單相電子式電能表的設(shè)計(jì)。此電能表精度高、穩(wěn)定性好且安全可靠，具有自動故障檢測和遠(yuǎn)程報(bào)錯等功能，相信此款電能表定能大量減少電力部門的損失。

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Design of an electric energy meter with fault monitoring and remote reporting error function

SHEN Qing，QU Sui-chun，QIU Ai-bing
（College of Electrical Engineering，Nantong University，Nantong 226019，China）

In this paper，we design a power meter with automatic fault monitoring and remote report and error function in the current market．This design using high-precision single-phase electric power measurement chip ADE7755 collection of user and the high reliability of RS485 communication protocol for data transmission，using high performance microcontroller STC89C52 as the electric energy acquisition，fault detection and data transmission circuit control of the core．Construction of the whole electric energy metering circuit composition block diagram，single-phase electric can measuring circuit diagram and software flow chart．Finally，the prototype tests are carried out on the test results were analyzed．The experimental results show that the electric energy metering circuit has high monitoring precision．

electronic energy meter；ADE7755；RS485；single chip microcomputer；fault monitoring；remote reporting

TN-9

A

1674－6236（2016）02-0052-03

2015-07-19稿件編號：201507138

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61473159）；南通大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（2014064）

沈 慶（1993—），男，江蘇蘇州人。研究方向：建筑電氣與智能化。