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        基于ADE7758的電力監(jiān)測(cè)儀設(shè)計(jì)及研究

        2019-08-24 03:42:40
        自動(dòng)化儀表 2019年8期
        關(guān)鍵詞:電能單片機(jī)信號(hào)

        王 鵬

        (甘肅交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系,甘肅 蘭州 730070)

        0 引言

        智能電網(wǎng)最初是由美國(guó)提出的,用于解決21世紀(jì)電網(wǎng)面臨的各種問(wèn)題。通過(guò)智能電網(wǎng)的建設(shè),電力傳輸、配電、銷售和用電的各個(gè)領(lǐng)域都將發(fā)生質(zhì)的突破和改進(jìn)[1]。在我國(guó),國(guó)家電網(wǎng)公司及相關(guān)科研院所以現(xiàn)有電網(wǎng)架構(gòu)為基礎(chǔ),積極開展智能電網(wǎng)相關(guān)理論和應(yīng)用的探索研究,努力構(gòu)建符合中國(guó)特色的智能電網(wǎng)。一般來(lái)說(shuō),智能電網(wǎng)是將原有的輸、配電基礎(chǔ)設(shè)施與先進(jìn)的傳感測(cè)量技術(shù)、新一代信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)與自動(dòng)控制技術(shù)有機(jī)結(jié)合而形成的新型電網(wǎng)。其特點(diǎn)是電網(wǎng)可觀測(cè)、可控制、實(shí)時(shí)分析、自適應(yīng)和自愈[2]。

        智能電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)中的智能自動(dòng)抄表系統(tǒng)(automatic meter reading,AMR),需要實(shí)時(shí)測(cè)量用戶用電的電流、電壓、頻率以及有功、無(wú)功、功率因數(shù)等信息,分時(shí)段對(duì)有功、無(wú)功進(jìn)行統(tǒng)計(jì),并通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)將采集的信息實(shí)時(shí)上傳至上位監(jiān)控中心進(jìn)行分析。因此,作為智能電網(wǎng)的一部分,抄表系統(tǒng)尤為重要。但是,我國(guó)地域廣闊、地形復(fù)雜。受地域限制,一些地方的電力公司對(duì)電網(wǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控能力不足,致使電力公司無(wú)法及時(shí)掌握供電線路和設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、準(zhǔn)確定位電網(wǎng)中存在的故障或隱患的情況時(shí)有發(fā)生。針對(duì)上述問(wèn)題,為保證電力系統(tǒng)及設(shè)備運(yùn)行良好,采用通用分組無(wú)線服務(wù)(general packet radio service,GPRS)技術(shù),設(shè)計(jì)了一種具有遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸功能的電力監(jiān)測(cè)儀,使電力監(jiān)測(cè)不受地理位置和通信區(qū)域限制。

        1 電力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

        電力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由電力監(jiān)測(cè)儀、GPRS通信網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)監(jiān)控中心三部分組成[3-4]。電力監(jiān)測(cè)儀通過(guò)GPRS模塊將采集到的監(jiān)測(cè)點(diǎn)的電流、電壓、頻率以及有功、無(wú)功、功率因數(shù)等信息,借助GPRS通信網(wǎng)絡(luò)送至數(shù)據(jù)集中器。數(shù)據(jù)集中器負(fù)責(zé)匯總一個(gè)片區(qū)的電能數(shù)據(jù)信息,并將其上傳至電力公司數(shù)據(jù)中心站。數(shù)據(jù)中心站負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收、轉(zhuǎn)換、分析處理、統(tǒng)計(jì)、顯示及存儲(chǔ),并以圖形報(bào)表的形式顯示各監(jiān)測(cè)點(diǎn)電能信息。它使電網(wǎng)工作人員能夠?qū)崟r(shí)了解電網(wǎng)各部分的實(shí)際運(yùn)行情況,是構(gòu)建智能電網(wǎng)信息平臺(tái)的基礎(chǔ)。電力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        圖1 電力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of power monitoring system

        2 電力監(jiān)測(cè)儀的功能實(shí)現(xiàn)

        電力監(jiān)測(cè)儀主要用于完成監(jiān)測(cè)點(diǎn)電能數(shù)據(jù)的采集與發(fā)送[5-6],其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

        圖2 電力監(jiān)測(cè)儀硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Hardware structure of power monitor

        電網(wǎng)中不能直接測(cè)量的高電壓、大電流,經(jīng)過(guò)電流互感器(current transformer,CT)、電壓互感器(potential transformer,PT)以及信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行變換,最終成為電能表芯片ADE7758可以處理的信號(hào)。電能芯片與單片機(jī)之間通過(guò)串行外設(shè)接口(serial peripheral interface,SPI)交互電能電壓、電流、功率因數(shù)等信息。單片機(jī)將獲取的電能信息在液晶屏顯示。通過(guò)GPRS模塊,單片機(jī)將電能信息實(shí)時(shí)上傳至數(shù)據(jù)集中器。時(shí)鐘電路負(fù)責(zé)提供系統(tǒng)工作所需的實(shí)時(shí)時(shí)間。為了增大系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量,擴(kuò)展了大容量的非失憶性存儲(chǔ)器,并通過(guò)I2C總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀寫。按鍵電路方便系統(tǒng)功能和參數(shù)的設(shè)定。系統(tǒng)采用專用電能表芯片ADE7758+單片機(jī)PIC16F877A的方式測(cè)量電能。與目前大部分電力監(jiān)測(cè)儀的解決方案相比,該方案具有功耗低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗干擾性強(qiáng)的特點(diǎn)。

        2.1 單片機(jī)選型

        系統(tǒng)核心芯片采用美國(guó)Microchip公司生產(chǎn)的8位單片微控制器PIC16F877A。其片內(nèi)集成了豐富的資源,包括3個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器、2個(gè)輸入捕捉/輸出比較/脈寬調(diào)制(capture/compare/pulse width modulation,CCP)模塊、8通道10位A/D轉(zhuǎn)換器、8 KB Flash、256 B EEPROM、368 B數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、同步串行通信端口,以及時(shí)鐘、看門狗等,大大簡(jiǎn)化了外圍電路設(shè)計(jì)。處理器采用獨(dú)特的精簡(jiǎn)指令集架構(gòu),具有低功耗睡眠、上電復(fù)位、脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation,PWM)輸出、液晶顯示器(liquid crystal display,LCD)驅(qū)動(dòng)等功能,是一款低功耗、高性能處理器。

        2.2 電能數(shù)據(jù)采集電路

        由于電能數(shù)據(jù)信息種類繁多,若全部交由單片機(jī)計(jì)算處理,則處理器工作負(fù)荷過(guò)重、速度慢,不能很好地分擔(dān)其他工作。為此,設(shè)計(jì)采用美國(guó)ADI公司生產(chǎn)的高精度三相電能專用計(jì)量芯片ADE7758進(jìn)行電能數(shù)據(jù)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(hào)經(jīng)過(guò)芯片內(nèi)部電路處理后,即可獲得三相有功、無(wú)功、視在電能、電壓及電流有效值信息。芯片內(nèi)部各種校準(zhǔn)寄存器可對(duì)外部元件引起的誤差進(jìn)行校正,在1 000∶1的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)誤差小于0.1%。ADE7758通過(guò)SPI總線與單片機(jī)PIC16F877A進(jìn)行數(shù)據(jù)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(jī)SPI接口對(duì)應(yīng)管腳相連。微控制器通過(guò)SPI接口設(shè)置ADE7758內(nèi)部功能寄存器,并從相關(guān)處理結(jié)果寄存器中獲取電能信息。這樣可以將單片機(jī)從繁重的數(shù)據(jù)處理任務(wù)中釋放,簡(jiǎn)化軟件編程。

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

        電網(wǎng)中的高電壓、大電流不能直接被單片機(jī)系統(tǒng)采集處理,一般先要經(jīng)過(guò)電壓互感器、電流互感器轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號(hào)(如AC100 V、AC220 V/AC380 V)和電流信號(hào)(如5 A、1 A),然后再經(jīng)過(guò)精密電壓互感器、電流互感器進(jìn)行二次轉(zhuǎn)換和信號(hào)調(diào)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(hào)。需要采集的信號(hào)可能為單相或三相的電壓、電流信號(hào)。圖4是以A相為例的互感器及信號(hào)調(diào)理電路,其他兩相的情況與此類似。

        圖4 互感器及信號(hào)調(diào)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(hào)為HCT250,額定初級(jí)電流為5 A,次級(jí)繞組可產(chǎn)生2.5 mA的電流。取樣電阻R12的作用是將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為0.5 V的電壓信號(hào)。電阻電容(resistor capacitance,RC)濾波電路用于濾除干擾并保留工頻信號(hào)。二極管D24和D25在電壓信號(hào)過(guò)高時(shí)用于提供保護(hù),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(hào)為±0.5 V。PT是一種電流型的精密微型電壓互感器,其型號(hào)為HPT304,輸入輸出電流比為1∶1,輸入電流可達(dá)10 mA,輸入電壓不高于1 000 V?;ジ衅鞯念~定電流比可以在低于10 mA/10 mA的任何工作點(diǎn)工作。R25為限流電阻,二次側(cè)取樣電阻R26的作用是將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為接近0.5 V的電壓信號(hào)。經(jīng)RC濾波電路和二極管保護(hù)后將此信號(hào)送入ADE7758的電壓通道,ADE7758的電壓通道是單端電壓輸入,標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行時(shí)最大信號(hào)電壓為±0.5 V。

        2.3 時(shí)鐘電路

        系統(tǒng)工作時(shí),可以通過(guò)時(shí)鐘芯片DS1302獲得實(shí)時(shí)時(shí)鐘。時(shí)鐘電路如圖5所示。

        圖5 時(shí)鐘電路Fig.5 Clock circuit

        DS1302通過(guò)SCLK、I/O、RST與單片機(jī)I/O口相連。單片機(jī)以寫時(shí)序的方式對(duì)其進(jìn)行控制并獲取實(shí)時(shí)時(shí)間。芯片提供兩個(gè)電源,VCC2接系統(tǒng)電源+5 V,VCC1接鋰電池組3.6 V作為備用電源,系統(tǒng)掉電后由備用電源供電。

        2.4 GPRS通信

        電力監(jiān)測(cè)儀獲取監(jiān)測(cè)點(diǎn)的電量信息后,通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)將信息發(fā)送至上位計(jì)算機(jī)監(jiān)控中心。GPRS是在第二代移動(dòng)通信技術(shù)GSM的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的[9-10],采用分組交換的方式承載和傳輸數(shù)據(jù)。它主要為語(yǔ)音、短消息和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)提供無(wú)線接口,具有覆蓋面積大、網(wǎng)絡(luò)成熟、成本低、永遠(yuǎn)在線的特點(diǎn),非常適合遠(yuǎn)程無(wú)線數(shù)據(jù)的采集。

        本設(shè)計(jì)采用內(nèi)嵌有TCP/IP協(xié)議棧的GPRS模塊,模塊型號(hào)為ETPro-101An。該模塊具有開發(fā)周期短、性能穩(wěn)定、可靠性高、接口及外圍電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、適用于惡劣檢測(cè)環(huán)境的特點(diǎn)。通過(guò)電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232,對(duì)單片機(jī)內(nèi)置UART輸出的電平進(jìn)行轉(zhuǎn)換,可實(shí)現(xiàn)GPRS模塊與單片機(jī)之間的通信。上位計(jì)算機(jī)監(jiān)控中心也需安裝GPRS模塊,以便接收來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)[11]。

        3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

        基于模塊化的設(shè)計(jì)思想,開發(fā)了系統(tǒng)主程序和各個(gè)功能子程序[12]。主程序通過(guò)循環(huán)調(diào)用各功能子程序來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各項(xiàng)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(shù)據(jù)的采集分析及存儲(chǔ)程序、DS1302時(shí)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(fā)送程序等。系統(tǒng)上電后,首先對(duì)單片機(jī)的I/O口、通用串口、SPI接口、中斷寄存器等進(jìn)行初始化設(shè)置;接著對(duì)外圍設(shè)備初始化,單片機(jī)對(duì)電能表芯片ADE7758、時(shí)鐘芯片DS1302、LCD顯示、GPRS模塊等外圍設(shè)備的功能寄存器進(jìn)行設(shè)置,使外圍設(shè)備處于待工作狀態(tài)。初始化設(shè)置完成后,主程序進(jìn)入循環(huán)結(jié)構(gòu),周而復(fù)始地調(diào)用各功能子程序。主程序調(diào)用鍵盤處理子程序,確定是否有按鍵按下并讀取對(duì)應(yīng)鍵值。用戶也可通過(guò)按鍵進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置。通過(guò)調(diào)用電量信息讀取子程序,主程序可從ADE7758相關(guān)寄存器獲取電能信息;通過(guò)調(diào)用DS1302系統(tǒng)時(shí)間讀取子程序,主程序讀取各個(gè)時(shí)間寄存器以獲得實(shí)時(shí)時(shí)間。主程序最后對(duì)所有獲取的信息進(jìn)行存儲(chǔ)、計(jì)算,并按一定的格式顯示在LCD屏上。

        為了使電力監(jiān)測(cè)儀的工作方式更加靈活,電能數(shù)據(jù)的發(fā)送可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)按鍵設(shè)定,選取定時(shí)發(fā)送和實(shí)時(shí)發(fā)送兩種方式,也可以由上位管理中心設(shè)定。軟件編程采用Microchip公司提供的集成開發(fā)環(huán)境MPLAB IDE及Hitech 公司的C語(yǔ)言編譯器,使用C語(yǔ)言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。

        4 成效分析

        具有遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸功能的電力監(jiān)測(cè)儀的研究與設(shè)計(jì),主要是為了解決電力數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及相關(guān)數(shù)據(jù)處理等工作實(shí)際問(wèn)題,從而很好地滿足智能電網(wǎng)對(duì)遠(yuǎn)程抄表的應(yīng)用需求。傳統(tǒng)的手工抄錄上報(bào)電力數(shù)據(jù)時(shí)期,電力監(jiān)測(cè)面臨諸多問(wèn)題及困難:①手工抄錄數(shù)據(jù)量龐大;②數(shù)據(jù)收集不及時(shí)、不全面,無(wú)法有效掌握現(xiàn)場(chǎng)的真正運(yùn)行情況;③缺乏有效的統(tǒng)計(jì)計(jì)算方法,且容易夾雜人工因素,導(dǎo)致數(shù)據(jù)計(jì)算易失去準(zhǔn)確性和及時(shí)性。

        本文利用電能表芯片、單片機(jī)技術(shù)、GPRS通信技術(shù)設(shè)計(jì)的電力監(jiān)測(cè)儀,極大地提升了工作效率。這主要表現(xiàn)在:①減少了人員現(xiàn)場(chǎng)工作時(shí)間;②數(shù)據(jù)獲取全面,電力監(jiān)測(cè)不受地理位置和通信區(qū)域限制;③對(duì)有疑問(wèn)的監(jiān)測(cè)點(diǎn),通過(guò)分析相關(guān)情況及數(shù)據(jù),可有效提出問(wèn)題,并提出預(yù)判,為后期預(yù)防提供支持;④管理簡(jiǎn)單、高效,提高了電力監(jiān)測(cè)管理水平。伴隨新一代信息技術(shù)的飛速發(fā)展,基于ADE7758的電力監(jiān)測(cè)儀數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸?shù)目煽啃员貙⒋蟠筇岣?。該系統(tǒng)的推廣應(yīng)用勢(shì)必會(huì)提升電力運(yùn)營(yíng)管理自動(dòng)化水平。

        5 結(jié)束語(yǔ)

        本文以電力信息監(jiān)測(cè)的需求為背景,設(shè)計(jì)了以單片機(jī)PIC16F877A和電能表芯片ADE7758為核心的電力監(jiān)測(cè)儀。由ADE7758采集電網(wǎng)運(yùn)行各環(huán)節(jié)的電量信息,單片機(jī)獲取后進(jìn)行分析計(jì)算,將這些信息通過(guò)GPRS模塊并借助GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至上位計(jì)算機(jī)監(jiān)控中心,實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的在線分析與監(jiān)控。該系統(tǒng)具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、電力監(jiān)測(cè)不受地理位置和通信區(qū)域限制等特點(diǎn),可以很好地滿足智能電網(wǎng)對(duì)遠(yuǎn)程抄表的應(yīng)用需求。

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