基于ADE7758的分布式光伏电能计量装置

黄 颖

(九州能源有限公司，广东 广州 510663)

0 引言

随着化石能源的日益枯竭和环境污染的日益加重，光伏和风力发电越来越多地应用到电力系统中。光伏发电可以利用居民屋顶和厂房进行自主发电，相对于风力发电更容易大范围实现，我国为了鼓励光伏发电推广，制定了一系列的补贴政策，以提高居民积极性[1]。然而目前分布式光伏发电控制系统其研究重点往往在于提高电能质量和提高转换效率上，而电能计量数据更新速度慢，观察不直观，用户不能实时实地的获得光伏发电量以及补贴量，因此容易导致用户积极性不高。因此本文设计了一种分布式光伏电能双向计量装置，以精确计量每日发电量和补贴量，每天定时更新到用户指定手机，以提高其安装光伏发电系统的积极性[2]。

1 总体设计思路

首先从实用性考虑，该装置应当具有精确电能双向计量功能，应当具有较好的用户体验友好度，方便用户进行配置，同时方便装置的安装调试和版本迭代。

在技术方面，应采用模块化设计思路，围绕核心主控单片机采用通用型接口连接各个功能模块。其核心功能模块是电能双向计量模块和短信交互模块，同时为了保证工作准确性和可靠性，需要增加精准时钟计时、掉电存储、液晶显示等辅助功能模块。

1.1 设计框图

光伏电能计量装置首要功能是实现电能的双向计量，本文采用ANAOLOG DEVICES公司的ADE7758电能计量芯片实现实时电能计量。该芯片和主控单片机通过SPI接口通讯。其次，该装置需具有短信通讯功能，本文在充分调研的前提下，采用济南有人物联网的2GDTU(Data Transfer Unit)实现短信双向通讯。为了保证该装置的控制可靠性和计算速率，本文采用ST公司的STM32F103RCT6单片机作为主控芯片。该装置需具备精确实时计时功能，以给实时计量贴上精准时标，因此本文采用DS3231计时芯片。为实现计量数据的掉电存储，本文采用24C64大容量EEPROM存储芯片。其组成框图见图1。

图1 组成框图

1.2 装置功能设定

考虑到光伏计量现场应用情况，本文为该装置设定了以下几项功能：

1) 电能计量：光伏侧和市电侧的实时双向电能计量，包括电压有效值、电流有效值、有功功率、视在功率；

2) 短信交互：用户可通过短信设置目标手机号码(针对用户更换手机号码的情况)、定时接收电能信息短信、实时请求查询电能信息；

3) 精准计时：实时精准计时(年累计偏差不大于2 min)、时间设置接口(采用按键和液晶进行设置)

4) 掉电存储：为防止停电情况，需要对电能计量数据进行定时存储，例如每隔1 h，同时可通过按键清空存储数据。

2 硬件电路模块设计

2.1 采样电路设计

电流互感器采用2 000∶1的穿心式电流互感器，其规则参数为50 A/25 mA，其输出信号为电流信号。ADE7758的输入信号不得大于0.5 V，因此本文采用20 Ω的电阻将输出电流信号转为电压信号，如图2所示。D1和D2为二极管，用于限幅保护。R1和C1、R4和C6分别组成RC低通滤波器。

图2 电能计量电路原理图

电压互感器为2 mA/2 mA的1∶1电流型电压互感器，在其一次侧串接180 k的高耐压电阻，从而将大电压信号转为小电流信号，二次侧串接240 Ω的电阻，将电流信号转为峰值不大于0.5 V的电压信号。信号调理电路见图2所示。图中二极管和RC滤波器功能与电流互感器调理电路相同，这里不再赘述。

2.2 电能计量模块设计

电能计量芯片采用ADE7758集成芯片。该芯片为SPI接口，同时提供中断脉冲输出和电能转频率输出接口。能够提供电压电流有功、无功、有效值的精准测量，在25 ℃时，在1 000∶1的动态范围内，有功电能误差小于0.1%，其内部拥有相位校正、有效值校正等多种校正功能，可实现高精度校准和测量[3]。其原理图如图2所示。由于该芯片采用5 V电压源，而本文所用单片机采用3.3 V电平，因此本文在该芯片的输出口上串接一个1 k的电阻以限流，防止烧坏单片机，同时在该芯片的输入口上拉1 k的电阻到5 V电压源，单片机采用开漏输出即可实现3.3 V电平到5 V电平的转换。

2.3 时钟模块

时钟模块采用高精度的DS3231集成计时芯片。该芯片内部集成了温补振荡器和32.768 kHz的晶体[4]，外部可最大限度减少辅助器件，只需要提供几个去耦电容和电池即可。该芯片采用标准的I2C接口，需上拉4.7 kΩ的电阻到3.3 V电压源。

2.4 存储模块

EEPROM存储方式的存储寿命为100万次，而FLASH存储方式为10万次，为了保证10年设计寿命，本文选用EEPROM存储介质，芯片为24C64，其内部拥有8 kB的存储容量。为充分利用EEPROM存储容量，提高其使用寿命，本文采用循环存储的方式存放数据。即在存储芯片中平均分为若干个子区域，每个区域轮流存储电能数据。

2.5 短信模块

为实现短信交互功能，本文采用济南有人物联网公司的GPRS DTU模块。该模块提供了方便快捷的AT指令接口和详细的软件开发文档。为提高数据抗干扰性能，DTU模块采用RS485接口与单片机通讯。

3 软件设计

本文软件采用模块化的设计思想，主要包括ADE7758驱动程序模块、短信交互程序模块、存储驱动程序模块、时钟驱动程序模块、液晶显示模块、定时器中断模块6个模块。

3.1 程序流程图

本文程序设计的核心构架为：ADE7758芯片内部不断累积电能计数值，单片机每隔500 ms读取一次ADE7758内部数据，并累加到全局电能计量值变量中，同时ADE7758内部的电能累计值清零，其他所有的功能程序模块均在STM32单片机的主循环中。

单片机主循环程序中，单片机首先读取当前时间，调取中断服务程序中的电量累加值，进而根据光伏补贴政策进行计算。然后判断是否有存储闹钟、短信发送闹钟、清零按键触发事件、短信设置指令事件触发，当其中任意事件触发时，单片机执行相应的事件函数。STM32单片机内没有运行嵌入式操作系统，因此主循环为死循环程序。程序流程图见图3。

3.2 光伏补贴计算方法

目前屋顶光伏发电往往采用“自发自用，余额上网”的政策。本文所设计的光伏计量装置采集光伏发电侧电能和用户实际用电侧电能。当实际用电量大于光伏发电量时，光伏用电量=光伏发电量；当实际用电量小于光伏发电量时，光伏用电量=实际用电量[5]。

图3 程序流程图

发送给用户的重要数据包括：

1) 光伏发电量：逆变器输出口的电量。

2) 实际用电量：用户实际使用的电量。

3) 用户的节省电费：节省收益=光伏用电量×当地电价。

4) 光伏售电收益：售电收益=(光伏发电量-光伏用电量)×标杆电价0.453元。

5) 光伏补贴收益：补贴收益=总发电量×(国家补贴+地方政府补贴)。

4 实验结果和结论

4.1 电能计量实验

为验证电能计量的准确性，本文采用3个100 W的白炽灯泡作为三相负载，搭建了计量实验装置，见图4，同时购买了市面上的标准电能计量表进行对比，由于市售电能计量表的机械指针行走缓慢，因此本文采用了其光电脉冲作为对比，电能表每走一度电会产生400个脉冲信号，即每个脉冲信号代表2.5 W·h。本文记录了连续1 200个脉冲值对应的电能计量数据，部分数据如表1所示。

图4 实验装置图

表1 部分电能计量实验数据

由上表可知，本文设计的分布式光伏电能计量装置在3 kW·h的累计测量实验中，最大相对误差为0.933 33%，绝对误差最多为1.02 W·h。能够满足目前售点分布式光伏电能计量要求。

4.2 短信交互测试

实验中，以中国移动网络的SIM卡插入GPRS DTU中，同时采用中国电信的手机作为用户机，采用用户机给GPRS DTU发送指令数据，其客户手机界面如图5所示。

即本装置成功实现了短信交互功能，同时尝试50次发送短信，均会收到回复，即本文所设计的分布式光伏电能计量装置满足可靠性要求。

图5 短信测试界面

4.3 结语

本文采用模块化的软硬件设计思路，在充分调研光伏发电现场需求的前提下，完成了光伏电能计量装置的研发，实验证明本文所设计的分布式光伏电能计量装置能够实现光伏发电的精准计量，同时可以实现短信交互、定时短信发送、定时掉电存储等功能，能够满足目前分布式屋顶光伏发电的现场需求，使得用户可以实时获知光伏发电量和政策补贴金额，能够在一定程度上提升用户使用屋顶光伏发电的积极性。