多用户电能计量管理系统*

李昂

(陕西理工学院 电气工程系，陕西 汉中 723003)

随着高校后勤的社会化，学生公寓用电管理的科学化和智能化势在必行。目前国内已有多家公司开发、生产学生公寓用电智能管理控制系统，主要有IC卡查询、电脑集中查询、柜体自动显示查询、网络查询、电话查询等几种方案。本设计既具有一般系统的主要功能，又具有系统结构模块化、计量控制智能化的特点，易于推广应用。

1 系统主要功能

本系统可实现学生公寓各房间的电费预缴、用电自动检测计量、自动计费；低电量自动报警、电量为零自动断电；超负荷或恶性负载时强制断电；短路、过流保护、定时供电/断电等功能，采用电脑集中查询与柜体自动显示相结合的查询方式。实现了公寓用电管理的自动化与智能化，而且计量精度高、安全可靠、功耗较低。

2 系统结构与工作原理

2.1 系统结构

本系统属于典型的由上位机和下位机构成的主从式结构，如图 1所示。上位机(计算机管理系统)对用户的用电信息进行读写、汇总和管理，系统软件采用VB设计；下位机(计量控制部分)采用单片机系统对电量数据进行采集、计量和对用户负载进行监控，由电量采集模块、数据处理/控制模块、显示模块等组成。

从电气性能及使用维护方便等方面考虑，系统计量控制部分采用卡式结构。每个主板上插有16个电量采集模块及数据处理/控制模块构成16路巡回采样处理子系统，并通过显示模块集中轮回显示。各子系统通过485总线与微机通信，实现多用户电量的集中管理控制。

2.2 工作原理

2.2.1 电量采集模块

电能采集计量芯片采用ADI公司的ADE7755，它是一种高精度的电能测量集成电路，对来自电流和电压互感器的两个电压信号进行运算、处理，其低频端(F1、F2)输出频率正比于平均有功功率，高频端(CF)输出频率正比于瞬时有功功率[1]。本设计将ADE7755高频输出端接到单片机的T1口，由内部定时器设定的积分时间内对CF输出的脉冲计数，则在一个积分周期内消耗的电能为：

电能＝平均功率×积分时间＝(脉冲个数/积分时间)×积分时间＝脉冲个数

根据事先设定的计量芯片的脉冲常数 (即计量1度电所对应的CF输出的脉冲个数)，对ADE7755输出的脉冲计数即可实现对电能的计量[2]。设计中采用CF输出为3 200 imp/kWh供单片机进行计量处理。

电量采样模块上另一部分电路是磁保持继电器控制电路，磁保持继电器用于通断负载控制，采用正、负脉冲信号进行开、关驱动。驱动电路可用晶体管电路实现，亦可用专用集成芯片实现，本设计采用集成电路BH3024实现继电器驱动控制。

2.2.2 数据处理/控制模块

数据处理/控制模块采用卡式结构插在主板上，巡回采集处理16个采样模块(对应 16个房间)的用电量数据，并可实现对各房间电源的通断控制。芯片采用飞利浦 P89C58单片机[3]，利用 P0口进行地址编码，P1口进行显示、数据存储、采样板地址译码与继电器驱动等。为保证掉电后数据不丢失，采用EEPROM 62256实现电量等数据保存。采用75LBC184芯片作为485通信接口，由带屏蔽的双绞线实现与微机的串行通信。

数据处理/控制模块还具有判别线性负载与非线性整流负载的功能，以起到限制超标用电、消除“谐波”干扰的作用，具体内容参见文献[4]。

2.2.3 显示模块

12位LED显示器(房间号3位、剩余电量 3位、用电量6位)置于控制柜面板上。设计中采用三片74HC595A芯片实现12位串行LED显示，该芯片可实现串行输入、并行输出。使用时，在串行时钟的控制下，可将显示器位控码与段控码逐位串行输入至三个芯片中，然后利用锁存信号实现并行输出，完成12位数码显示更新。此显示方式仅占用单片机三根口线，节约了单片机的口线资源。采用串行数据输入，显示速度相对较慢，但使用时显示效果稳定、可靠。

2.2.4 主板

主板可实现16个房间电量数据及开关控制信号与单片机系统的通信联系。利用一片译码器74HC154通过对三态门74425的选通控制实现对16个房间用电量的巡检；利用两片模拟开关CD4067实现对16个房间磁保持继电器的通断控制。

2.2.5 微机数据库管理系统

各单片机子系统通过485协议与微机实现串行通信。RS-485总线是平衡差动式半双工总线接口，只需两根信号线，便于高速远距离数据的传送[5]。

数据库管理系统利用微机实现各房间用电量的集中管理与控制，系统软件采用VB设计，主要完成如下功能：

(1)系统参数设置。设置电费单价、设置(修改)房间基础用电量、设置瞬时用电量最高限值、设置电费交费告警限值等。

(2)通信功能。实现对各房间巡检、电源通断控制、各种用电数据(基础电量、购买电量等)传送。

(3)查询功能。可进行房间电量、欠费告警、超限用电、欠费关断等各种查询。

(4)登录功能。实现交费登录、入/退房登录等。

(5)打印。打印交费收据、总交费及电量、查询结果等。

3 工作流程

本系统是一个复杂的计量管理系统，内容涉及上位机的数据管理、下位机电能的计量与控制，以及上位机与下位机之间、下位机各功能模块之间的数据通信等。限于篇幅，在此仅给出主板及电量采集模块的程序流程，如图2、图 3所示。

本系统是一种结构新颖、价格低廉的多用户电能计量管理系统，具有性能可靠、操作简单、易于维护等特点，有效地节省了人力、物力，加强了电量、电费及用电的安全管理。系统测试符合GB/T17215-1998《1级和2级静止式交流有功电度表》标准的全部技术要求，准确度等级达到1.0级。

[1]Analog Devices Inc.ADE7755 energy metering IC with pulse output.2002.

[2]Anthony Collins.用 AD7755设计的低成本电能表.ADI公司.2000.

[3]Philips Semiconductors.P89C58 data sheet.2002.

[4]李昂，史延东，宁飞.智能负载识别器的设计[J].微型机与应用，2005(4)，21-22.

[5]韩世进，张乐年.基于RS-485总线的多路数据采集系统[J].现代电子技术，2003(11).14-15.