基于ADE7758的電力監測儀設計及研究

王 鵬

(甘肅交通職業技術學院信息工程系，甘肅 蘭州 730070)

0 引言

智能電網最初是由美國提出的，用于解決21世紀電網面臨的各種問題。通過智能電網的建設，電力傳輸、配電、銷售和用電的各個領域都將發生質的突破和改進[1]。在我國，國家電網公司及相關科研院所以現有電網架構為基礎，積極開展智能電網相關理論和應用的探索研究，努力構建符合中國特色的智能電網。一般來說，智能電網是將原有的輸、配電基礎設施與先進的傳感測量技術、新一代信息技術、計算機與自動控制技術有機結合而形成的新型電網。其特點是電網可觀測、可控制、實時分析、自適應和自愈[2]。

智能電網關鍵技術中的智能自動抄表系統(automatic meter reading,AMR)，需要實時測量用戶用電的電流、電壓、頻率以及有功、無功、功率因數等信息，分時段對有功、無功進行統計，并通過通信網絡將采集的信息實時上傳至上位監控中心進行分析。因此，作為智能電網的一部分，抄表系統尤為重要。但是，我國地域廣闊、地形復雜。受地域限制，一些地方的電力公司對電網的遠程監控能力不足，致使電力公司無法及時掌握供電線路和設備的運行狀態、準確定位電網中存在的故障或隱患的情況時有發生。針對上述問題，為保證電力系統及設備運行良好，采用通用分組無線服務(general packet radio service,GPRS)技術，設計了一種具有遠程數據傳輸功能的電力監測儀，使電力監測不受地理位置和通信區域限制。

1 電力監測系統結構

電力監測系統由電力監測儀、GPRS通信網絡、計算機監控中心三部分組成[3-4]。電力監測儀通過GPRS模塊將采集到的監測點的電流、電壓、頻率以及有功、無功、功率因數等信息，借助GPRS通信網絡送至數據集中器。數據集中器負責匯總一個片區的電能數據信息，并將其上傳至電力公司數據中心站。數據中心站負責數據的接收、轉換、分析處理、統計、顯示及存儲，并以圖形報表的形式顯示各監測點電能信息。它使電網工作人員能夠實時了解電網各部分的實際運行情況，是構建智能電網信息平臺的基礎。電力監測系統結構如圖1所示。

圖1 電力監測系統結構圖Fig.1 Structure of power monitoring system

2 電力監測儀的功能實現

電力監測儀主要用于完成監測點電能數據的采集與發送[5-6]，其硬件結構如圖2所示。

圖2 電力監測儀硬件結構圖Fig.2 Hardware structure of power monitor

電網中不能直接測量的高電壓、大電流，經過電流互感器(current transformer,CT)、電壓互感器(potential transformer,PT)以及信號調理電路進行變換，最終成為電能表芯片ADE7758可以處理的信號。電能芯片與單片機之間通過串行外設接口(serial peripheral interface,SPI)交互電能電壓、電流、功率因數等信息。單片機將獲取的電能信息在液晶屏顯示。通過GPRS模塊，單片機將電能信息實時上傳至數據集中器。時鐘電路負責提供系統工作所需的實時時間。為了增大系統數據存儲容量，擴展了大容量的非失憶性存儲器，并通過I2C總線實現數據的讀寫。按鍵電路方便系統功能和參數的設定。系統采用專用電能表芯片ADE7758+單片機PIC16F877A的方式測量電能。與目前大部分電力監測儀的解決方案相比，該方案具有功耗低、結構簡單、抗干擾性強的特點。

2.1 單片機選型

系統核心芯片采用美國Microchip公司生產的8位單片微控制器PIC16F877A。其片內集成了豐富的資源，包括3個定時/計數器、2個輸入捕捉/輸出比較/脈寬調制(capture/compare/pulse width modulation,CCP)模塊、8通道10位A/D轉換器、8 KB Flash、256 B EEPROM、368 B數據存儲器、同步串行通信端口，以及時鐘、看門狗等，大大簡化了外圍電路設計。處理器采用獨特的精簡指令集架構，具有低功耗睡眠、上電復位、脈沖寬度調制(pulse width modulation,PWM)輸出、液晶顯示器(liquid crystal display,LCD)驅動等功能，是一款低功耗、高性能處理器。

2.2 電能數據采集電路

由于電能數據信息種類繁多，若全部交由單片機計算處理，則處理器工作負荷過重、速度慢，不能很好地分擔其他工作。為此，設計采用美國ADI公司生產的高精度三相電能專用計量芯片ADE7758進行電能數據采集[7-8]。該芯片支持三相三線和三相四線制接法。輸入的電壓、電流信號經過芯片內部電路處理后，即可獲得三相有功、無功、視在電能、電壓及電流有效值信息。芯片內部各種校準寄存器可對外部元件引起的誤差進行校正，在1 000∶1的動態范圍內誤差小于0.1%。ADE7758通過SPI總線與單片機PIC16F877A進行數據交互。

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SPI接口對應管腳相連。微控制器通過SPI接口設置ADE7758內部功能寄存器，并從相關處理結果寄存器中獲取電能信息。這樣可以將單片機從繁重的數據處理任務中釋放，簡化軟件編程。

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

電網中的高電壓、大電流不能直接被單片機系統采集處理，一般先要經過電壓互感器、電流互感器轉換成標準的電壓信號(如AC100 V、AC220 V/AC380 V)和電流信號(如5 A、1 A)，然后再經過精密電壓互感器、電流互感器進行二次轉換和信號調理電路的處理，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理電路，其他兩相的情況與此類似。

圖4 互感器及信號調理電路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，次級繞組可產生2.5 mA的電流。取樣電阻R12的作用是將電流信號轉換為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在電壓信號過高時用于提供保護，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10 mA，輸入電壓不高于1 000 V。互感器的額定電流比可以在低于10 mA/10 mA的任何工作點工作。R25為限流電阻，二次側取樣電阻R26的作用是將電流信號轉換為接近0.5 V的電壓信號。經RC濾波電路和二極管保護后將此信號送入ADE7758的電壓通道，ADE7758的電壓通道是單端電壓輸入，標準運行時最大信號電壓為±0.5 V。

2.3 時鐘電路

系統工作時，可以通過時鐘芯片DS1302獲得實時時鐘。時鐘電路如圖5所示。

圖5 時鐘電路Fig.5 Clock circuit

DS1302通過SCLK、I/O、RST與單片機I/O口相連。單片機以寫時序的方式對其進行控制并獲取實時時間。芯片提供兩個電源，VCC2接系統電源+5 V，VCC1接鋰電池組3.6 V作為備用電源，系統掉電后由備用電源供電。

2.4 GPRS通信

電力監測儀獲取監測點的電量信息后，通過GPRS網絡將信息發送至上位計算機監控中心。GPRS是在第二代移動通信技術GSM的基礎上發展起來的[9-10]，采用分組交換的方式承載和傳輸數據。它主要為語音、短消息和數據業務提供無線接口，具有覆蓋面積大、網絡成熟、成本低、永遠在線的特點，非常適合遠程無線數據的采集。

本設計采用內嵌有TCP/IP協議棧的GPRS模塊，模塊型號為ETPro-101An。該模塊具有開發周期短、性能穩定、可靠性高、接口及外圍電路設計簡單、適用于惡劣檢測環境的特點。通過電平轉換芯片MAX232，對單片機內置UART輸出的電平進行轉換，可實現GPRS模塊與單片機之間的通信。上位計算機監控中心也需安裝GPRS模塊，以便接收來自現場的數據[11]。

3 系統軟件設計

基于模塊化的設計思想，開發了系統主程序和各個功能子程序[12]。主程序通過循環調用各功能子程序來實現系統的各項功能。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據的采集分析及存儲程序、DS1302時鐘讀取程序、鍵盤程序、液晶顯示器(liquid crystal display,LCD)顯示程序、GPRS模塊發送程序等。系統上電后，首先對單片機的I/O口、通用串口、SPI接口、中斷寄存器等進行初始化設置；接著對外圍設備初始化，單片機對電能表芯片ADE7758、時鐘芯片DS1302、LCD顯示、GPRS模塊等外圍設備的功能寄存器進行設置，使外圍設備處于待工作狀態。初始化設置完成后，主程序進入循環結構，周而復始地調用各功能子程序。主程序調用鍵盤處理子程序，確定是否有按鍵按下并讀取對應鍵值。用戶也可通過按鍵進行系統參數設置。通過調用電量信息讀取子程序，主程序可從ADE7758相關寄存器獲取電能信息；通過調用DS1302系統時間讀取子程序，主程序讀取各個時間寄存器以獲得實時時間。主程序最后對所有獲取的信息進行存儲、計算，并按一定的格式顯示在LCD屏上。

為了使電力監測儀的工作方式更加靈活，電能數據的發送可通過現場按鍵設定，選取定時發送和實時發送兩種方式，也可以由上位管理中心設定。軟件編程采用Microchip公司提供的集成開發環境MPLAB IDE及Hitech 公司的C語言編譯器，使用C語言進行程序設計。

4 成效分析

具有遠程數據傳輸功能的電力監測儀的研究與設計，主要是為了解決電力數據實時監測及相關數據處理等工作實際問題，從而很好地滿足智能電網對遠程抄表的應用需求。傳統的手工抄錄上報電力數據時期，電力監測面臨諸多問題及困難：①手工抄錄數據量龐大；②數據收集不及時、不全面，無法有效掌握現場的真正運行情況；③缺乏有效的統計計算方法，且容易夾雜人工因素，導致數據計算易失去準確性和及時性。

本文利用電能表芯片、單片機技術、GPRS通信技術設計的電力監測儀，極大地提升了工作效率。這主要表現在：①減少了人員現場工作時間；②數據獲取全面，電力監測不受地理位置和通信區域限制；③對有疑問的監測點，通過分析相關情況及數據，可有效提出問題，并提出預判，為后期預防提供支持；④管理簡單、高效，提高了電力監測管理水平。伴隨新一代信息技術的飛速發展，基于ADE7758的電力監測儀數據采集、處理、傳輸的可靠性必將大大提高。該系統的推廣應用勢必會提升電力運營管理自動化水平。

5 結束語

本文以電力信息監測的需求為背景，設計了以單片機PIC16F877A和電能表芯片ADE7758為核心的電力監測儀。由ADE7758采集電網運行各環節的電量信息，單片機獲取后進行分析計算，將這些信息通過GPRS模塊并借助GPRS網絡發送至上位計算機監控中心，實現對電網運行狀態的在線分析與監控。該系統具有設計簡單、易于實現、電力監測不受地理位置和通信區域限制等特點，可以很好地滿足智能電網對遠程抄表的應用需求。