基于電能表的多路數據采集技術的研究

盧嘉棟

【摘要】 近年來計算機基本已經普及，計算機技術不斷發展，在諸如學生宿舍用電和居民用電中，使用微處理器對若干個電能表進行自動數據采集并傳輸的設置逐漸增多。為了降低使用成本，一個裝置需要完成12路或者6路電能表的數據實時采集，而國際電能表標準要求不同的電能表要按照不同的功率值輸出不同的脈沖頻率信號，這就導致多路數據采集中每個通道的采樣頻率存在很大差異，對數據傳輸可能造成各種干擾，因此必須對每個通道進行數字濾波，才能確保傳輸數據的準確度和可靠性。

【關鍵詞】 電能表 采集技術 多路數據采集

引言：目前我國大部分多通道數據采集裝置使用的都是嵌入式高性能微處理器，需要復雜的安裝和使用技術，應用成本居高不下，對于多路電能表數據采集現場要求的操作方便、低成本等要求無法滿足。經過研究和分析電能表的數據脈沖輸出特性，總結出一種簡單方便的能夠實現多通道數據采集和數據過濾的軟件方法，不需要使用復雜的外圍電路，使用成本較低，安裝操作都很方便，能夠滿足學生宿舍、居民公寓等場所的集中抄表需求，目前這種軟件采集方法已經投入使用。

一、電能表多路數據采集技術的原理

電能表是一種輸出電能量的裝置，在民用場合如居民公寓、學生宿舍等，使用的大部分是單項兩線制電能表，按照國際和國家電能表規定，單相電能表每千瓦時需要輸出的脈沖輸出信號為3200個，而在不同的負載功率下，電能表需要輸出不同的脈沖頻率，通過測量電能表發出的脈沖信號，可以精確地計算出當前電能表的有功功率值。目前我國單相兩線制電能表使用的計量芯片主要有三種：CS546X、AD775X和BS0932，計量芯片的主要作用是獲取當前電路負載的工作電壓和工作電流，通過芯片內部的DSP運算得到分路負載累計平均有功功率值。這些計量芯片能夠提供兩種功率接口，一種是頻率較高的輸出接口，可以用光電耦合器和LED等將數字輸送到微處理器進行處理；另一種則是驅動能力強但是頻率不高的計度器接口，能夠直接驅動小型的計度器馬達實現計量功能。因為具備了高頻數字輸出接口，因此能夠對電能表方便的進行現場校驗和功率計量。

一般的電能計量裝置和測試裝置都能通過計量芯片的高頻數字輸出接口計算和計量分路負載的功率，高頻數字輸出接口提供的計量參考一般是儀表常數也就是每千瓦時3200脈沖。按照這個標準計算，CS5466輸出接口的頻率輸出特性與ADE7755差異很小。大部分電能計量裝置設置的脈沖高電平寬度為90ms，這樣的設計實際上也為微處理器測量脈沖周期提供了一個確定的標準，并且這個脈沖高電平寬度也能夠滿足電能表計量精度和計量范圍的需求。如果電能表每千瓦時能夠輸出3200脈沖的高頻脈沖，那么可以通過下面的算式計算脈沖和負載工作電流之間的關系：

分析上述結果，可以看到，當負載工作電流最大時，數字接口脈沖頻率周期約為170ms寬度，低電平脈沖和高電平脈沖的占空比約等于1，因此負載工作電流達不到最大時，占空比小于1，一般情況下電能表計量芯片將脈沖恒定寬度設置為90ms是較為合適的。

對于電能表數據采集和數字濾波，電能表采用的是捕捉電能計量芯片高頻數字輸出接口的脈沖來計量功率。微處理器檢測高頻脈沖數量并經過計算轉化為分路負載的有功功率。雖然對我們而言170ms轉瞬即逝，但是對于微處理器來說是相當長的變化時間，因此微處理器能夠輕松識別，如果不需要測量分路負載電流，那么就不需要精確測量高頻接口的輸出脈沖周期。如果要計量脈沖信號，那么就需要識別脈沖電平的變化。常見的檢測方法有兩種，一種是檢測電平，另一種是脈沖上升沿檢測。兩種技術的差異在于電平檢測方法簡單，不需要復雜的外圍電路，而脈沖上升沿檢測則需要復雜的電路，因此電平檢測可以用軟件方法實現。本文中對于電平的檢測采用定時掃描的方式，每個周期掃描一次脈沖信號，當信號電平從1到0變化時，認為是一個下降沿；當信號電平從0到1變化時，認為是一個上升沿。通過對信號電平的檢測來計算脈沖數量，進而計算有功功率。數字信號在傳輸時必然會受到干擾，因此微處理器需要對信號進行濾波處理。一般按照過采樣的方式，要確保數據的準確度需要對信號進行三次連續采樣，其中兩次相同就可以認為是有效的信號，也可以每檢測五次信號，取其中相同的三次數值作為有效信號。信號的采樣周期至少是信號周期的兩倍，這樣才能確保采樣信號的可靠性。如果電能表檢測的是高頻輸出信號，那么高電平脈沖寬度應該恒定為90ms，根據上述理論，要確保監測信號的可靠性，那么采樣時間應該不大于45ms，為了監測方便，取采樣時間間隔為10ms，每個信號采樣三次，這樣識別一個信號需要30ms。

如果采集和識別的是單通道信號，運用上述方法能夠通過軟件方法方便的實現，如果需要采集多路信號，而微處理器的處理能力、存儲能力都是有限的，給數據的采集和識別帶來了一定困難。假設我們需要處理8通道信號，要采集每個通道的信號并濾波，軟件運行代碼需要一定的時間，并且每個通道都需要占用一定的內存，處理8通道所使用的時間和資源最少為單通道的8倍，而微處理器還要同時處理鍵盤輸入、數據通信和顯示等任務，要確保信號的準確性，需要控制好信號采樣的間隔時間不能太短，目前設計需要研究的問題就是如何運用最簡潔的代碼和最少的資源實現多通道數據采集。

二、多路數據采集的技術實現方法

以目前最為常見的8通道數據采集為例，探討如何用軟件方法實現多通道數據采集和濾波技術。假定我們使用8051型微處理器，讀取數據的端口為P0，每次讀取8個通道的信號，每隔10ms就掃描一次端口P0，每隔通道都需要掃描三次，確定電平的狀態。8通道的每個通道信號頻率都不一樣，因此我們使用一個過濾窗口篩選信號，每次掃描信號后，微處理器需要根據通道在窗口的狀態判斷電平的狀態，只有三個狀態全部是0或者全部是1時，才能認為這是有效的低電平或者高電平，將此次檢測的通道狀態與上次檢測的通道狀態相比較，如果不同則可以認為是有效的脈沖，計數增加1即可。

對于數據的判斷需要如下步驟：第一步，初始化窗口，將過濾窗口的每個通道值初始化為000；第二步，到達掃描時間后，過濾窗口的每個通道值都向左移動一位，采集到8個通道的數值后，將當前通道的瞬間狀態轉移到通道最低位；第三步，判斷過濾窗口的每個通道數值，如果通道值為111，則認為是一個有效的高電平；如果通道值為000，則認為是一個有效的低電平；否則不予處理；第四步，微處理器將此次識別到的有效電平與上次的電平狀態比較，如果相同，則轉向第六步，如果不同，則轉向第五步；第五步，保存當前通道的電平狀態，計數值加1；第六步，到達下一次掃描時間重復第二步。

相對于使用循環計數器計算脈沖，使用過濾窗口計算能夠快速篩選各個通道的比特流，書籍識別的速度大大提高了。使用過濾窗口在采集和過濾8路、12路、16路電能表數據時能夠取得良好的效果，并且能夠保證數據的準確度和識別速度。本文中使用的微處理器型號為AT89S52，端口P0來接收每個接口的瞬間信號，定時器T0每10ms掃描一次通道狀態，過濾窗口的緩沖區中，每個通道占據一個字節。使用軟件實現需要使用大量的移位操作，因此軟件必須使用匯編語言來編寫，才能盡量縮短代碼以縮短執行時間。

三、三相電能表的高精度數據采集

除了目前使用較為普及的二相電能表，隨著我國供電技術的不斷發展，三相電能表的應用也非常普遍。平穩負荷在大范圍變化時，要提高計量的準確度，如果采用傳統的多端口接入來提高精確度，出現負荷波動將會導致準確度很低的問題。對于三相電能表，實現高精度數據采集可以采用FPGA+A/D構成采集系統。在這個系統中，信號調理器主要作用是將傳感器的輸出信號調整到A/D可用的信號范圍內，而后A/D將模擬信號轉化為數字信號。本系統使用EP3C80F484C7芯片轉化和存儲數據以及計算電能參數等，轉化后將信號傳輸到其他設備上顯示出來。

由于輸入信號會受到較大的干擾，因此本系統使用差分信號的信號輸入方式，信號調理電路使用THS4521差分放大器，通過改變電阻比值來改變電路增益。電流傳感器和電壓傳感器傳輸的信號范圍不同，因此需要根據實際情況選擇合適的電阻。使用分壓電阻將三相電壓進行分壓，使用調理電路來調理電壓值，能夠有效降低信號干擾，提高調理電路的運行可靠性。對于AD采樣電路的設計，一般要求計量準確度能夠達到0.05級，而電流和電壓的采集精度需要達到0.02級，按照這個標準，對于三相電壓，AD轉換位數應該達到18，而三相電流的AD轉換位數應該達到20。為了確保測量精度，我們采用24位的AD進行數據采集，選用德州儀器公司的ADS1278轉換芯片，這款芯片集成了8通道和24位AD轉換器，內部還集成了多個調制器和數字濾波器，8條分路同時采集采樣速率能夠達到128ksps，能夠滿足電能表計量需要的多分路、高精度的采集需求。使用的此款轉換芯片能夠實現8個AD轉換器同時采樣，每個轉換器具有6階斬波，數據輸出能夠連接到DSP、FPGA和微控制器等。轉換芯片的數據是以二進制補碼的方式輸出的，其中最高位是符號，輸出電壓為正時，符號位為0，輸出電壓為負時，符號位為1，而轉換芯片的參考源一般選擇的是2.5V，采用5V的直流電壓供電，電壓噪聲較小，一般能夠控制在1μV以下，能夠滿足數據采集系統高精度的需求。對于FPGA芯片和轉換芯片之間的通信，一般采用幀同步接口的方式，幀同步接口有SCLK、CLK、DOUT時鐘或者數據線接口等。ADS1278的通道控制接口為PWND，當PWND為高電平時，轉換芯片進入到工作模式，當PWND為低電平時，轉換芯片進入到低功耗模式。

四、基于互聯網和PLC的電能表數據采集系統

基于Internet和PLC的電能表數據采集系統主要構成有四層，分別為電能表、終端采集器、數據集中器和系統管理中心。系統管理中心是由主機、客戶端服務器和數據庫組成的，能夠為系統提供操作界面和數據存儲等功能；數據采集器主要負責采集終端數據和電能表數據；第三層為終端采集器，將集中器發出的命令轉發給測量點，并向集中器發送測量點的數據；第四層為測量點，一般是單相電能表。整個系統中，第一二層之間使用Internet通信，第二三層之間采用PLC通信，第三四層采用RS-485總線通信。整個系統的工作過程為：主機通過互聯網向數據集中器發出命令，控制數據集中器設置電能表參數或者讀取電能表數據等，數據集中器將數據幀分拆開，根據上層的數據要求對電能表進行參數設置或者采集數據等操作，下層裝置響應后將數據幀傳送給數據收集器，數據收集器將數據幀再上傳給主控計算機，這樣管理中心工作人員能夠及時準確的了解關于電能表的各項信息，針對出現的情況和問題進行恰當的處理，確保電網的穩定性和安全性。除此之外，數據集中器還能夠進行每日數據抄收、每月數據抄收、反饋異常信息等工作。

系統硬件設計主要包括終端采集器、網絡接口等。對于終端采集器，一般使用單片機，單片機芯片內集成了系統需要的數字和模擬外設等其他功能部件，經過改進的51系列單片機數據處理速度和可靠性都有了明顯提升，能夠對最高24路電能表進行數據收集和存儲加工等操作。選用網絡接口具備16位數據接口和24位地址接口等，能夠實現系統與互聯網的連接，系統加裝一塊網卡濾波器，網卡濾波器通過雙絞線連入到互聯網中。

軟件設計采用模塊化設計的思想，主要模塊有初始化模塊、數據采集模塊、數據處理模塊、數據存儲模塊、通信模塊和數據讀取模塊等，主程序則對系統進行初始化處理，上電后處理上次停電后的遺留信息，控制數據收集站發出的指令并進行處理，控制數據傳輸等任務的執行，層次性的實現數據收集和處理任務。

五、結束語

綜上，本文針對目前廣泛采用的多路電能表進行了數據采集技術的研究，如通過過濾窗口實現數據采集和過濾，將Internet和PLC相結合實現數據采集功能等，通過軟硬件結合的方式提高數據傳輸和處理的效率和準確度。

參 考 文 獻

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