基于ADE7758的电力监测仪设计及研究

王 鹏

(甘肃交通职业技术学院信息工程系，甘肃 兰州 730070)

0 引言

智能电网最初是由美国提出的，用于解决21世纪电网面临的各种问题。通过智能电网的建设，电力传输、配电、销售和用电的各个领域都将发生质的突破和改进[1]。在我国，国家电网公司及相关科研院所以现有电网架构为基础，积极开展智能电网相关理论和应用的探索研究，努力构建符合中国特色的智能电网。一般来说，智能电网是将原有的输、配电基础设施与先进的传感测量技术、新一代信息技术、计算机与自动控制技术有机结合而形成的新型电网。其特点是电网可观测、可控制、实时分析、自适应和自愈[2]。

智能电网关键技术中的智能自动抄表系统(automatic meter reading,AMR)，需要实时测量用户用电的电流、电压、频率以及有功、无功、功率因数等信息，分时段对有功、无功进行统计，并通过通信网络将采集的信息实时上传至上位监控中心进行分析。因此，作为智能电网的一部分，抄表系统尤为重要。但是，我国地域广阔、地形复杂。受地域限制，一些地方的电力公司对电网的远程监控能力不足，致使电力公司无法及时掌握供电线路和设备的运行状态、准确定位电网中存在的故障或隐患的情况时有发生。针对上述问题，为保证电力系统及设备运行良好，采用通用分组无线服务(general packet radio service,GPRS)技术，设计了一种具有远程数据传输功能的电力监测仪，使电力监测不受地理位置和通信区域限制。

1 电力监测系统结构

电力监测系统由电力监测仪、GPRS通信网络、计算机监控中心三部分组成[3-4]。电力监测仪通过GPRS模块将采集到的监测点的电流、电压、频率以及有功、无功、功率因数等信息，借助GPRS通信网络送至数据集中器。数据集中器负责汇总一个片区的电能数据信息，并将其上传至电力公司数据中心站。数据中心站负责数据的接收、转换、分析处理、统计、显示及存储，并以图形报表的形式显示各监测点电能信息。它使电网工作人员能够实时了解电网各部分的实际运行情况，是构建智能电网信息平台的基础。电力监测系统结构如图1所示。

图1 电力监测系统结构图Fig.1 Structure of power monitoring system

2 电力监测仪的功能实现

电力监测仪主要用于完成监测点电能数据的采集与发送[5-6]，其硬件结构如图2所示。

图2 电力监测仪硬件结构图Fig.2 Hardware structure of power monitor

电网中不能直接测量的高电压、大电流，经过电流互感器(current transformer,CT)、电压互感器(potential transformer,PT)以及信号调理电路进行变换，最终成为电能表芯片ADE7758可以处理的信号。电能芯片与单片机之间通过串行外设接口(serial peripheral interface,SPI)交互电能电压、电流、功率因数等信息。单片机将获取的电能信息在液晶屏显示。通过GPRS模块，单片机将电能信息实时上传至数据集中器。时钟电路负责提供系统工作所需的实时时间。为了增大系统数据存储容量，扩展了大容量的非失忆性存储器，并通过I2C总线实现数据的读写。按键电路方便系统功能和参数的设定。系统采用专用电能表芯片ADE7758+单片机PIC16F877A的方式测量电能。与目前大部分电力监测仪的解决方案相比，该方案具有功耗低、结构简单、抗干扰性强的特点。

2.1 单片机选型

系统核心芯片采用美国Microchip公司生产的8位单片微控制器PIC16F877A。其片内集成了丰富的资源，包括3个定时/计数器、2个输入捕捉/输出比较/脉宽调制(capture/compare/pulse width modulation,CCP)模块、8通道10位A/D转换器、8 KB Flash、256 B EEPROM、368 B数据存储器、同步串行通信端口，以及时钟、看门狗等，大大简化了外围电路设计。处理器采用独特的精简指令集架构，具有低功耗睡眠、上电复位、脉冲宽度调制(pulse width modulation,PWM)输出、液晶显示器(liquid crystal display,LCD)驱动等功能，是一款低功耗、高性能处理器。

2.2 电能数据采集电路

由于电能数据信息种类繁多，若全部交由单片机计算处理，则处理器工作负荷过重、速度慢，不能很好地分担其他工作。为此，设计采用美国ADI公司生产的高精度三相电能专用计量芯片ADE7758进行电能数据采集[7-8]。该芯片支持三相三线和三相四线制接法。输入的电压、电流信号经过芯片内部电路处理后，即可获得三相有功、无功、视在电能、电压及电流有效值信息。芯片内部各种校准寄存器可对外部元件引起的误差进行校正，在1 000∶1的动态范围内误差小于0.1%。ADE7758通过SPI总线与单片机PIC16F877A进行数据交互。

电能芯片ADE7758外围电路如图3所示。图3中：DOUT、SCLK、DIN引脚为SPI接口管脚，直接与单片机SPI接口对应管脚相连。微控制器通过SPI接口设置ADE7758内部功能寄存器，并从相关处理结果寄存器中获取电能信息。这样可以将单片机从繁重的数据处理任务中释放，简化软件编程。

图3 ADE7758外围电路Fig.3 Peripheral circuit of ADE7758

电网中的高电压、大电流不能直接被单片机系统采集处理，一般先要经过电压互感器、电流互感器转换成标准的电压信号(如AC100 V、AC220 V/AC380 V)和电流信号(如5 A、1 A)，然后再经过精密电压互感器、电流互感器进行二次转换和信号调理电路的处理，变成电能表芯片ADE7758模拟输入通道要求大小的信号。需要采集的信号可能为单相或三相的电压、电流信号。图4是以A相为例的互感器及信号调理电路，其他两相的情况与此类似。

图4 互感器及信号调理电路Fig.4 Transformer and signal conditioning circuit

图4中：CT是一种精密电流互感器，其型号为HCT250，额定初级电流为5 A，次级绕组可产生2.5 mA的电流。取样电阻R12的作用是将电流信号转换为0.5 V的电压信号。电阻电容(resistor capacitance,RC)滤波电路用于滤除干扰并保留工频信号。二极管D24和D25在电压信号过高时用于提供保护，将电压限制在0.7 V。IAP、IAN接ADE7758的电流通道输入，最大差分输入信号为±0.5 V。PT是一种电流型的精密微型电压互感器，其型号为HPT304，输入输出电流比为1∶1，输入电流可达10 mA，输入电压不高于1 000 V。互感器的额定电流比可以在低于10 mA/10 mA的任何工作点工作。R25为限流电阻，二次侧取样电阻R26的作用是将电流信号转换为接近0.5 V的电压信号。经RC滤波电路和二极管保护后将此信号送入ADE7758的电压通道，ADE7758的电压通道是单端电压输入，标准运行时最大信号电压为±0.5 V。

2.3 时钟电路

系统工作时，可以通过时钟芯片DS1302获得实时时钟。时钟电路如图5所示。

图5 时钟电路Fig.5 Clock circuit

DS1302通过SCLK、I/O、RST与单片机I/O口相连。单片机以写时序的方式对其进行控制并获取实时时间。芯片提供两个电源，VCC2接系统电源+5 V，VCC1接锂电池组3.6 V作为备用电源，系统掉电后由备用电源供电。

2.4 GPRS通信

电力监测仪获取监测点的电量信息后，通过GPRS网络将信息发送至上位计算机监控中心。GPRS是在第二代移动通信技术GSM的基础上发展起来的[9-10]，采用分组交换的方式承载和传输数据。它主要为语音、短消息和数据业务提供无线接口，具有覆盖面积大、网络成熟、成本低、永远在线的特点，非常适合远程无线数据的采集。

本设计采用内嵌有TCP/IP协议栈的GPRS模块，模块型号为ETPro-101An。该模块具有开发周期短、性能稳定、可靠性高、接口及外围电路设计简单、适用于恶劣检测环境的特点。通过电平转换芯片MAX232，对单片机内置UART输出的电平进行转换，可实现GPRS模块与单片机之间的通信。上位计算机监控中心也需安装GPRS模块，以便接收来自现场的数据[11]。

3 系统软件设计

基于模块化的设计思想，开发了系统主程序和各个功能子程序[12]。主程序通过循环调用各功能子程序来实现系统的各项功能。主程序流程如图6所示。

图6 主程序流程图Fig.6 Flowchart of main program

各功能子程序主要包括电能数据的采集分析及存储程序、DS1302时钟读取程序、键盘程序、液晶显示器(liquid crystal display,LCD)显示程序、GPRS模块发送程序等。系统上电后，首先对单片机的I/O口、通用串口、SPI接口、中断寄存器等进行初始化设置；接着对外围设备初始化，单片机对电能表芯片ADE7758、时钟芯片DS1302、LCD显示、GPRS模块等外围设备的功能寄存器进行设置，使外围设备处于待工作状态。初始化设置完成后，主程序进入循环结构，周而复始地调用各功能子程序。主程序调用键盘处理子程序，确定是否有按键按下并读取对应键值。用户也可通过按键进行系统参数设置。通过调用电量信息读取子程序，主程序可从ADE7758相关寄存器获取电能信息；通过调用DS1302系统时间读取子程序，主程序读取各个时间寄存器以获得实时时间。主程序最后对所有获取的信息进行存储、计算，并按一定的格式显示在LCD屏上。

为了使电力监测仪的工作方式更加灵活，电能数据的发送可通过现场按键设定，选取定时发送和实时发送两种方式，也可以由上位管理中心设定。软件编程采用Microchip公司提供的集成开发环境MPLAB IDE及Hitech 公司的C语言编译器，使用C语言进行程序设计。

4 成效分析

具有远程数据传输功能的电力监测仪的研究与设计，主要是为了解决电力数据实时监测及相关数据处理等工作实际问题，从而很好地满足智能电网对远程抄表的应用需求。传统的手工抄录上报电力数据时期，电力监测面临诸多问题及困难：①手工抄录数据量庞大；②数据收集不及时、不全面，无法有效掌握现场的真正运行情况；③缺乏有效的统计计算方法，且容易夹杂人工因素，导致数据计算易失去准确性和及时性。

本文利用电能表芯片、单片机技术、GPRS通信技术设计的电力监测仪，极大地提升了工作效率。这主要表现在：①减少了人员现场工作时间；②数据获取全面，电力监测不受地理位置和通信区域限制；③对有疑问的监测点，通过分析相关情况及数据，可有效提出问题，并提出预判，为后期预防提供支持；④管理简单、高效，提高了电力监测管理水平。伴随新一代信息技术的飞速发展，基于ADE7758的电力监测仪数据采集、处理、传输的可靠性必将大大提高。该系统的推广应用势必会提升电力运营管理自动化水平。

5 结束语

本文以电力信息监测的需求为背景，设计了以单片机PIC16F877A和电能表芯片ADE7758为核心的电力监测仪。由ADE7758采集电网运行各环节的电量信息，单片机获取后进行分析计算，将这些信息通过GPRS模块并借助GPRS网络发送至上位计算机监控中心，实现对电网运行状态的在线分析与监控。该系统具有设计简单、易于实现、电力监测不受地理位置和通信区域限制等特点，可以很好地满足智能电网对远程抄表的应用需求。