一種具有故障監測及遠程報錯功能的電能表設計

沈 慶，瞿遂春，邱愛兵

（南通大學　電氣工程學院，江蘇 南通　226019）

一種具有故障監測及遠程報錯功能的電能表設計

沈 慶，瞿遂春，邱愛兵

（南通大學電氣工程學院，江蘇 南通226019）

文中針對目前市場上單相電子式電能表發生故障不易監測的問題，設計了一種具有自動故障監測及遠程報錯功能的電能表。本設計采用高精度單相電能計量芯片 ADE7755采集用戶所使用的電量，采用高可靠性的RS485傳輸協議進行數據傳輸，使用高性能的單片機 STC89C52來作為整個電能采集、故障檢測、數據傳輸電路的控制核心。構建了整個電能計量電路的組成框圖、單相電能測量電路圖以及軟件流程圖，最后對樣機進行了試驗，對試驗結果進行了分析，實驗結果表明該電能計量電路具有較高的監測精度。

電子式電能表；ADE7755；RS485；單片機；故障監測；遠程報錯

隨著城鄉電網建設的深入進行，傳統的感應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、計量精度高、負荷特性較好、誤差曲線平直、功率因數補償性能較強、自身功耗低等優勢迅速占領著我國的電能表市場，基于單片機的智能電子式電能表更是使遠程抄表成為可能。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測方法正逐漸向故障自動檢測發展。有學者提出利用組合分類思想建立BP-AdaBoost故障預測方法，將單一BP神經網絡作為弱分類器，通過反復訓練，得到的復合BP神經網絡作為強分類器，實現對數據樣本的預測［1］。亦有學者提出將電能表數據運用統計學原理進行分析判斷故障的方法［2］。但以上方法僅針對數據的處理，無法做到實時故障監測。

文中設計了一種具有自動故障監測及遠程報錯功能的電能表，能實時監測電能表故障并遠程傳送報錯，實現電力部門第一時間了解電表故障，減少損失。設計采用美國 ADI公司生產的一款高精度單相電能計量芯片 ADE7755來采集用戶所使用的電量，采用高可靠性的RS485傳輸協議來進行數據傳輸，使用高性能的單片機 STC89C52來作為整個電能采集、故障監測、數據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、穩定性能好的銅錳采樣電阻、電阻分壓網絡來取代常用的電流、電壓互感器。在此基礎上，構建單相電能計量電路的系統框圖以及軟件流程圖。

1　系統硬件設計

1.1基本框圖

系統框圖如圖1所示，系統主要由電壓、電流采樣電路，電能計量電路，單片機控制電路，顯示模塊，遠程通訊模塊組成。本設計的特點是將單片機STC89C52作為整個系統的核心，負責監測電流采樣模塊和電能計量芯片ADE7755，并控制RS485模塊實時數據傳送。

STC89C52控制整個電能計量電路的正常運行，監控ADE7755的工作狀態，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，保存數據到存儲器中以防止停電時數據的丟失，以及處理與遠程計算機的數據通訊等。

圖1　系統的基本框圖Fig．1　Basic block diagram of the system

1.2電能表計量電路設計

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。將火線電流信號經采樣電阻轉換成電壓信號送電能計量芯片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，短接或松開短接點能很方便的完成增益調節。此電阻器分壓網絡相對于變壓器采樣來說，體積和重量大大減少［4］。為了提高分壓網絡分壓系數的穩定性，保證電能表的測量精度，一般選用誤差低于1%、溫度系數小于100 PPM/℃的貼片電阻［5］。

1.2.3電能計量電路

電能計量電路主要是由電壓檢測電路、電流檢測電路和電能計量芯片ADE7755及其外圍電路組成。負載電流經過電流檢測電路再通過濾波電路后轉換成合適的電壓信號送入到電能計量芯片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量芯片ADE7755的電壓通道，即V2P和V2N端［7］。二者經過 ADE7755轉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STC89C52的輸入端。單片機控制電路從 ADE7755的CF端采集脈沖信號處理后得到的數據送到LCD顯示電路進行顯示，并通過遠程通訊電路把數據傳送到上位機。

1.3電能表自動故障監測的設計

本文提出一種新型電能表故障監測方法，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，由單片機判別相與后的信號來實時監測電能表的運行狀況，實現自動故障檢測。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，如圖3（a）所示，電能計量芯片有脈沖輸出，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，如圖3（b）所示，電能計量芯片有脈沖輸出，電流采樣端無電流，相與后無脈沖，疑為計量芯片故障。

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

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

1.4電能表遠程報錯的電路設計

設計采用的是RS-485串行通信方式。標準的RS-485是近距離傳輸數據信息的最為成熟的串行接口。采用RS-485接口可以多點連接，通過RS-485總線構成電能表數據采集系統，直接使用MAX485驅動芯片，多個電能表通過雙絞線連接就可構成通信網絡［8］。DL/T 645-2007規定：RS-485接口采用主從結構的半雙工通信方式；共模輸入電壓范圍-7 ～12 V，差模輸入電壓大于0．2 V采用三態方式輸出；在負載阻抗5 4歐時，驅動輸出電壓最大5 V，最小1．5 V驅動能力不應少于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，由電能表或數據終端設備提供隔離電源。

2　系統軟件設計

本設計的軟件流程圖如圖4所示。首先，進行電能計量電路的初始化，如單片機的初始化、電能計量芯片 ADE7755的初始化以及顯示電路和遠程通訊的初始化，再進行電能脈沖復位以及系統各參數的初始化，然后單片機 STC89C52開始讀取各項電能數據和電流采樣信號，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，則計算出各項功率，然后把電能數據送出并進行 LCD顯示處理，如果無脈沖，則通過RS485電路遠程報送錯誤代碼。執行完每個步驟，最后返回到開始重新執行命令。這是本單相電能計量電路的主流程圖。

圖4　系統軟件流程圖Fig．4　System software flow chart

3　樣機試驗

為驗證該單相電能計量電路的性能，我們搭建了一個試驗平臺進行了試驗，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引腳接地，一段時間后，通信接收端收到出錯代碼。

圖5　樣機測試系統Fig．5　Prototype testing system

系統響應及報錯時間如表1所示。

表1　系統響應及報錯時間Tab.1　System response and report wrong time

4　結束語

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

［1］陳忱，胡薇薇，孫宇鋒，等．基于BP-AdaBoost的電子式電能表故障檢測方法［J］．電光與控制，2013（4）:72-76．

［2］張鵬．故障電能表數據統計與分析［J］．華北電力技術，2011（4）:47-48，54．

［3］時志娜，董愛華，孫士棟，等．基于芯片ADE7755單相電能計量電路的設計［J］．微計算機信息，2009（26）:203-204，216．

［4］薛琳，王振林，張麗麗，等．ADE7755構成的電能表典型電路外圍參數的計算［J］．電子質量，2012（9）:8-11．

［5］李淑娟，李民．ADE7755在電表計量中的應用［J］．科技風，2009（14）:223．

［6］鄭子含，劉高平．基于ADE7755的單相電子式電能表設計［J］．微計算機信息，2012（4）:59-61．

［7］陳剛，余紅梅．基于ADE7755的智能電子電能計量測控系統設計［J］．佛山科學技術學院學報：自然科學版，2013（1）: 62-65．

［8］周紅靜．基于RS-485的智能電表通信模塊設計與實現［J］．企業技術開發，2009（11）:10-11，36．

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

國家自然科學基金項目（61473159）；南通大學大學生創新創業訓練計劃項目（2014064）

沈 慶（1993—），男，江蘇蘇州人。研究方向：建筑電氣與智能化。