基于ADE7880的電能消耗與質(zhì)量監(jiān)測終端設(shè)計(jì)

王出航，胡黃水，劉 峰 ，趙 東

(1.長春師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，吉林長春 130032；2.長春工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，吉林長春 130012)

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基于ADE7880的電能消耗與質(zhì)量監(jiān)測終端設(shè)計(jì)

王出航1，胡黃水2，劉 峰2，趙 東1

(1.長春師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，吉林長春 130032；2.長春工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，吉林長春 130012)

針對(duì)傳統(tǒng)采用電表等進(jìn)行電能采集和質(zhì)量監(jiān)測存在的問題，設(shè)計(jì)一種嵌入式工業(yè)級(jí)電能測量和質(zhì)量監(jiān)測終端。該終端采用計(jì)量芯片ADE7880進(jìn)行電能計(jì)量和供電質(zhì)量參數(shù)采集，并通過低功耗微處理器MSP430F149處理，提供靈活的接口進(jìn)行傳輸，同時(shí)實(shí)現(xiàn)本地存儲(chǔ)。詳細(xì)給出了終端硬件和軟件設(shè)計(jì)，并對(duì)終端進(jìn)行實(shí)際測試，結(jié)果表明該終端能有效實(shí)現(xiàn)對(duì)電能消耗和質(zhì)量的監(jiān)測，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)電能消耗監(jiān)測、分析和管理系統(tǒng)。

電能消耗；ADE7880；電能質(zhì)量；監(jiān)測終端；靈活接口

0 引言

當(dāng)今每個(gè)國家的電能消耗逐年增長[1]，通過能量效率測量和利用節(jié)能技術(shù)來降低電能消耗成為節(jié)能減排的重要途徑[2]。電能消耗和質(zhì)量參數(shù)監(jiān)測為能量效率測量提供數(shù)據(jù)依據(jù)，對(duì)保障能耗管理和節(jié)能措施的有效實(shí)施以及電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有理論和實(shí)際意義[3-4]。

隨著電能消耗和質(zhì)量監(jiān)測變得越來越重要，其相應(yīng)終端設(shè)備的研究也成為新的熱點(diǎn)[5]。文獻(xiàn)[5]中采用DSP進(jìn)行電能質(zhì)量測量單元設(shè)計(jì)，并將多個(gè)單元插入ARM控制底板，實(shí)現(xiàn)多通道電能質(zhì)量測量。文獻(xiàn)[6]采用A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片采集電壓、電流信號(hào)，送入MSP430處理器進(jìn)行處理和計(jì)算獲得電能計(jì)量參數(shù)，并提供Zigbee短距離無線通信接口進(jìn)行傳輸。文獻(xiàn)[7]通過電能表采集電能計(jì)量參數(shù)并提供RS485總線傳輸接口。文獻(xiàn)[8]采用DSP結(jié)合電能計(jì)量芯片ADE7880實(shí)現(xiàn)對(duì)電能計(jì)量參數(shù)的采集，并提供RS485總線傳輸接口。現(xiàn)有終端/設(shè)備主要實(shí)現(xiàn)對(duì)電能參數(shù)如電流、電壓、有功功率或電能質(zhì)量參數(shù)如頻率偏差、諧波、三相不平衡進(jìn)行監(jiān)測。無論是采用電能表還是其他形式的采集終端，其傳輸接口形式比較單一，應(yīng)用缺乏靈活性。監(jiān)測終端采用ARM處理器或DSP處理器價(jià)格高，不適用于一些工業(yè)場合。且現(xiàn)有終端基本不具有本地存儲(chǔ)功能，當(dāng)傳輸接口出現(xiàn)問題時(shí)無法恢復(fù)歷史數(shù)據(jù)。

因此，本文設(shè)計(jì)一個(gè)多接口具有本地存儲(chǔ)能力的電能計(jì)量和供電質(zhì)量監(jiān)測終端，采用16位低功耗、高抗干擾能力微處理器MSP430F149，以及高精度三相電能計(jì)量芯片ADE7880[8]實(shí)現(xiàn)對(duì)電能計(jì)量和電能質(zhì)量參數(shù)監(jiān)測。

1 終端硬件設(shè)計(jì)

通常電能消耗管理系統(tǒng)采用分層的結(jié)構(gòu)[3]，即采集層、傳輸層和應(yīng)用層。監(jiān)測終端包括采集層和本地傳輸層，實(shí)現(xiàn)參數(shù)采集、處理和傳輸。硬件以微處理器MSP430F149和電能計(jì)量芯片ADE7880為核心，基于結(jié)構(gòu)簡單、成本低、接口靈活、易于開發(fā)以及功能全面等原則設(shè)計(jì)?？傮w結(jié)構(gòu)包括測量單元、主控單元、存儲(chǔ)單元、接口單元以及電源單元。其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 終端硬件結(jié)構(gòu)框圖

主控單元主要完成與測量單元、存儲(chǔ)器單元以及各傳輸接口單元之間的通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理和各單元間的協(xié)調(diào)控制。主控采用MSP430F149，其在設(shè)計(jì)上打破常規(guī)，采用全新的概念，突出優(yōu)點(diǎn)是低電源電壓(3.3 V) 、超低功耗、多功能，集成硬件乘法器、片內(nèi)看門狗定時(shí)器、串行通信接口以及提供48個(gè)I/O引腳，62 K片內(nèi)存儲(chǔ)器。電源單元為其他單元提供所需的電源，在不影響用電設(shè)備正常工作的前提下，選用內(nèi)置AC～DC 5 V電源轉(zhuǎn)換模塊。由A相取電，因此要在確保A相有電的情況下終端才能正常運(yùn)行。終端部分芯片電源要求為3.3 V，所以采用集成DC 5 V～DC 3.3 V轉(zhuǎn)換芯片NCP1117，為保證5 V電源與3.3 V之間互不影響，在NCP1117前加入5 V隔離電源模塊IF0505S-W75。存儲(chǔ)單元完成配置數(shù)據(jù)、電能消耗和質(zhì)量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，當(dāng)數(shù)據(jù)溢出時(shí)循環(huán)覆蓋。采集單元主要是獲取電能計(jì)量和質(zhì)量參數(shù)。接口單元主要完成終端電能計(jì)量和質(zhì)量數(shù)據(jù)的傳輸。接下來著重對(duì)采集單元、接口單元和存儲(chǔ)單元的硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1.1 采集單元設(shè)計(jì)

采集單元主要是獲取電能計(jì)量和質(zhì)量參數(shù)數(shù)據(jù)，三相電壓/電流經(jīng)過濾波電路濾除高次諧波，再經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路輸入 ADI電能計(jì)量芯片ADE7880，主控通過SPI接口從ADE7880相應(yīng)的寄存器獲取電壓/電流有效值，有功/視在功率，功率因數(shù)以及頻率和諧波等數(shù)據(jù)。

ADE7880為高精度、三相電能計(jì)量集成芯片[8]，實(shí)現(xiàn)總(基波和諧波)有功/視在功率測量和有效值計(jì)算，以及基波有功/無功功率測量和有效值計(jì)算。ADE7880還提供電能質(zhì)量監(jiān)測，如諧波檢測、瞬時(shí)低壓或高壓檢測、瞬時(shí)高電流變化、線電壓周期測量以及相電壓與電流之間的角度等。兩個(gè)中斷請(qǐng)求引腳 IRQ0和IRQ1用來指示使能的中斷事件發(fā)生。采集單元電路原理如圖2所示(簡化起見圖中僅畫出A相前端電路，B、C相類似)。

圖2(a)為采集單元電路原理框圖，主要包括前端采集電路、計(jì)量芯片ADE7880及其與主控MSP430F149的接口。ADE7880通過SPI總線和MSP430F149連接，且通過PM0、PM1引腳進(jìn)行模式配置，PM1、PM0為0、1時(shí)為正常工作模式。圖2(b)給出了詳細(xì)的前端采集電路。

對(duì)電壓的采集選用壓降的方法，測量電壓從進(jìn)線端子AIN、NIN進(jìn)入，經(jīng)后續(xù)電路調(diào)整進(jìn)入電能計(jì)量芯片ADE7880的A/D轉(zhuǎn)換器，其引腳為VAP、VN。R13為壓敏電阻，作用是抑制電路中出現(xiàn)的異常過電壓，保護(hù)電路免受過電壓的損害。電壓通過電阻R1、R2和R13進(jìn)行分壓，其中R13為高精度電阻，分壓后進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器的電壓Ucai為

(1)

式中UA為A相電壓。

通過A/D即可獲得Ucai，從而根據(jù)式(1)求得A相電壓UA的大小。通過電阻R3和電容C1抗混疊濾波器對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行濾波以得到更為精確的電壓。

(a)采集單元電路原理框圖

(b)采集前端電路原理圖2 采集單元電路原理

電流的采集選用電流互感器T1對(duì)電流進(jìn)行變比的方法，然后進(jìn)入電能計(jì)量芯片ADE7880的A/D轉(zhuǎn)換器，其引腳為IAP、IAN。為防止雷電自然情況破壞電路加D4、D5、D1、D2二極管進(jìn)行保護(hù)，D3穩(wěn)壓二極管對(duì)后續(xù)電路進(jìn)行過電流保護(hù)，通過磁珠對(duì)得到的電流濾除雜波，并通過R17、C8和R19、C10進(jìn)行濾波得到精確輸入信號(hào)，而且選用R18高精度電阻將轉(zhuǎn)換后的電流以電壓形式傳給A/D轉(zhuǎn)換器，最終A/D轉(zhuǎn)換器得到的電壓UIA為

(2)

式中：IA為A相電流；n1∶n2為電流互感器變比。

通過A/D即可獲得UIA，從而根據(jù)式(2)可求得IA的大小。

1.2 接口單元設(shè)計(jì)

接口單元主要實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的傳輸，包括RS485、以太網(wǎng)、WIFI和GPRS等，各個(gè)接口采用模塊化設(shè)計(jì)，通過插拔方式與主控板進(jìn)行連接，即根據(jù)不同應(yīng)用方式插入相應(yīng)接口模塊，各個(gè)模塊的基本接口為串口。電路原理如圖3所示。

如圖3(a)所示，通過切換控制電路，可由主控MSP430F149串口擴(kuò)展為RS485、WIFI、以太網(wǎng)等接口。切換控制電路主要由撥碼開關(guān)和繼電器組成，通過撥碼開關(guān)選擇不同的接口。以擴(kuò)展RS485接口為例，其切換控制電路如圖3(b)所示，其中TXD0、RXD0為主控單元串口引腳標(biāo)號(hào)，TXD、RXD為RS485接口模塊串口引腳。模塊電路原理如圖3(c)所示，采用ADI性能穩(wěn)定單芯片磁隔離485芯片ADM2587E，不僅傳輸距離遠(yuǎn)同時(shí)還集成了isopower技術(shù)的DC-DC隔離電源，可單獨(dú)實(shí)現(xiàn)485的隔離通信。

(a)接口電路原理框圖

(b)單接口切換控制電路

(c)RS485模塊電路原理圖圖3 接口單元電路原理

1.3 存儲(chǔ)單元設(shè)計(jì)

存儲(chǔ)單元主要用于完成對(duì)配置參數(shù)如采集周期、電壓電流變比、校正參數(shù)以及電壓、電流、功率、諧波等數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。為了節(jié)省主控I/O，降低成本，采用I2C總線存儲(chǔ)器AT24C1024，其容量為128 K字節(jié)，其中1 K字節(jié)用于保存配置參數(shù)以及擴(kuò)展，其余127 K字節(jié)用于電能數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。為了實(shí)時(shí)記錄當(dāng)前電能參數(shù)，采用I2C總線時(shí)鐘芯片DS1307記錄時(shí)鐘且一同寫入存儲(chǔ)器。以1 min為存儲(chǔ)更新周期，每次存儲(chǔ)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)(時(shí)、分、秒、電壓、電流、頻率、諧波等)為60個(gè)字節(jié)，則可存儲(chǔ)大約36 h的數(shù)據(jù)，且采用循環(huán)覆蓋存儲(chǔ)。電路原理框圖如圖4所示。

圖4 存儲(chǔ)單元電路原理框圖

2 終端軟件設(shè)計(jì)

軟件采用模塊化編程思想，針對(duì)每個(gè)硬件單元編寫相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序。對(duì)終端使用時(shí)Modbus通信協(xié)議[8]和CRC校驗(yàn)也單獨(dú)編寫了相應(yīng)的模塊程序，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰，維護(hù)方便。軟件程序結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 終端軟件程序結(jié)構(gòu)

主控程序模塊：上電后根據(jù)中斷向量表提供的地址引導(dǎo)程序跳到相應(yīng)的復(fù)位處理程序處，完成變量及堆棧的內(nèi)存空間初始化操作，然后對(duì)CPU的各內(nèi)部寄存器如時(shí)鐘、串口、中斷等片內(nèi)外設(shè)進(jìn)行初始化，最后完成對(duì)芯片外部端口及片外設(shè)備如ADE7880、AT24C1024的初始化工作。然后啟動(dòng)電能采集主進(jìn)程，電能參數(shù)采集周期可設(shè)定(以1 s為例)，即每隔1 s啟動(dòng)一次電能參數(shù)采集程序，將獲取的電能參數(shù)存入數(shù)據(jù)堆棧、計(jì)算并調(diào)用存儲(chǔ)模塊，并判斷是否有數(shù)據(jù)發(fā)送請(qǐng)求。如果有，則調(diào)用modbus協(xié)議程序?qū)⒍褩?nèi)的電能參數(shù)通過相應(yīng)的接口如RS485、WIFI、以太網(wǎng)等發(fā)出，如沒有數(shù)據(jù)請(qǐng)求則繼續(xù)執(zhí)行數(shù)據(jù)更新。主程序流程如圖6所示。

圖6 主程序流程圖

主程序中需要根據(jù)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)的計(jì)算任務(wù)如頻率偏差、諧波以及三相不平衡等，具體計(jì)算方法參照電能計(jì)量(如DL/T614—2007、JJG 596—1999等)和電能質(zhì)量(如GB/T 12325—2008、GB/T 15543—2008和GB/T 15945—2008等)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

采集模塊程序主要分為2部分：一部分是SPI通信方式設(shè)置，另一部分是ADE7880芯片控制。ADE7880內(nèi)部具有一個(gè)固定功能的數(shù)字信號(hào)處理器負(fù)責(zé)電能參數(shù)的采集和計(jì)算功能，測量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在片內(nèi)寄存器中，通過SPI通信方式進(jìn)行讀取。采集模塊程序結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 采集驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu)

通過對(duì)通信模式(SPI、I2C)和工作模式(4種，通過引腳PM0、PM1進(jìn)行選擇)以及電流、電壓、有功等校正參數(shù)進(jìn)行配置。然后開啟中斷啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完畢后將數(shù)據(jù)傳輸給主控存入暫存。

接口模塊主要通過串口進(jìn)行通信，采用中斷方式。正常處于接收狀態(tài)，只有在有發(fā)送需求時(shí)才轉(zhuǎn)換為發(fā)送狀態(tài)。程序流程如圖8所示。

圖8 接口驅(qū)動(dòng)程序流程圖

串口初始化主要是根據(jù)接口形式(如RS485、WIFI或GPRS等)進(jìn)行相關(guān)波特率和中斷寄存器以及通信等進(jìn)行設(shè)置。當(dāng)接收數(shù)據(jù)時(shí)，根據(jù)Modbus協(xié)議解析數(shù)據(jù)，并存入堆棧。同樣，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，根據(jù)Modbus協(xié)議封裝數(shù)據(jù)并發(fā)送。

存儲(chǔ)驅(qū)動(dòng)程序考慮到存儲(chǔ)器只有讀、寫兩種操作，所以將24c1024芯片抽象為IC_read_data()數(shù)據(jù)讀函數(shù)和I2C_write_data()數(shù)據(jù)寫函數(shù)，整個(gè)程序完全屏蔽了芯片的結(jié)構(gòu)和I2C總線的協(xié)議操作過程，做到了結(jié)構(gòu)清晰，用法簡單等特點(diǎn)，符合模塊化設(shè)計(jì)思想。

存儲(chǔ)程序結(jié)構(gòu)如圖9所示。讀寫地址都通過全局指針變量定義，寫指針每次遞增Modbus協(xié)議消息幀數(shù)據(jù)段大小，一旦遞增到存儲(chǔ)器最大地址則循環(huán)覆蓋，即寫指針重新指向初始存儲(chǔ)單元。讀時(shí)直接將讀指針指向的存儲(chǔ)單元配置數(shù)據(jù)依次讀出。

圖9 存儲(chǔ)模塊函數(shù)結(jié)構(gòu)圖

3 終端測試

電能消耗與質(zhì)量監(jiān)測終端實(shí)物如圖10所示，安裝在某現(xiàn)場實(shí)現(xiàn)對(duì)某制冷設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測，上位機(jī)軟件與終端通信方式為RS485，采用Modbus協(xié)議與終端進(jìn)行通信，數(shù)據(jù)請(qǐng)求發(fā)送周期為4s。監(jiān)測結(jié)果如圖11所示。

圖10 監(jiān)測終端實(shí)物圖

圖11 終端監(jiān)測測試結(jié)果

4 結(jié)束語

設(shè)計(jì)了一個(gè)支持本地存儲(chǔ)的電能消耗和質(zhì)量監(jiān)測終端，通過模塊接插提供靈活的接口方式，克服了傳統(tǒng)終端接口形式單一而限制其應(yīng)用的缺陷。終端采用工業(yè)級(jí)低功耗硬件電路以及模塊化軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，價(jià)格低廉。實(shí)際測試結(jié)果表明其性能穩(wěn)定，可廣泛應(yīng)用于煤炭、鋼鐵、冶金等工業(yè)環(huán)境實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)設(shè)備電能消耗和質(zhì)量的監(jiān)測。

[1] ALBERTO G E,ANA C M,JOSE J M,et al.A new system to estimate and reduce electrical energy consumption of domestic hot water in Spain.Energies,2014,7(11):6873-6855.

[2] ARDAKANI F J,ARDEHALI M M.Novel effects of demand side management data on accuracy of electrical energy consumption modeling and long-term forecasting.Energy Conversion and Management,2014,78:745-752.

[3] 楊愛人.基于能耗預(yù)測模型的能源管理系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn):[學(xué)位論文].廣州:華南理工大學(xué),2013.

[4] 管春.電能質(zhì)量綜合檢測與分析系統(tǒng)研究:[學(xué)位論文].重慶:重慶大學(xué),2011.

[5] 萬海龍,趙春宇.多通道實(shí)時(shí)電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng).儀表技術(shù)與傳感器,2014(10):87-89.

[6] 李鵬程.電能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì):[學(xué)位論文].秦皇島:燕山大學(xué),2013.

[7] 任順航,呂鵬鵬,王立鵬,等.基于STM32 的電能手抄系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).電子技術(shù)應(yīng)用,2014,40(1): 75-78.

[8] 王貝.基于ADE7880三相電智能電表設(shè)計(jì):[學(xué)位論文].杭州:杭州電子科技大學(xué),2013.

Design of Electrical Energy Consumption and Quality Monitoring Module Based on ADE7880

WANG Chu-hang1,HU Huang-shui2,LIU Feng2,ZHAO Dong1

(1.College of Computer Science and Technology, Changchun Normal University, Changchun 130032, China; 2.College of Computer Science and Engineering, Changchun University of Technology, Changchun 130012,China)

An embedded industrial energy consumption and quality monitoring module was designed in this paper to solve the problems existing in traditional measurement systems using power meters. The module collects parameters of electrical energy based on ADE7880 and processes the sampled data by the microcontroller MSP430F149 as well as provides flexible interfaces to transmit and store the data. The module hardware and software were presented in detail, and the practical tests were performed. The results show that the module can accurately monitor the electrical energy consumption and quality so as to be used in the electrical energy consumption monitoring and analysis and management systems.

electrical energy consumption; ADE7880; electrical energy quality; monitoring module; flexible interfaces

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61374138)；吉林省教育廳“十二五”科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(吉教科合字[2014]第264號(hào))；長春市科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(2012091)；吉林省發(fā)改委高技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展專項(xiàng)項(xiàng)目(吉發(fā)改高技[2014]817號(hào))

2015-01-31 收修改稿日期：2015-06-03

TP392

A

1002-1841(2015)11-0026-04

王出航(1976—)，副教授，碩士，主要研究領(lǐng)域?yàn)榍度胧较到y(tǒng)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。E-mail：wangchuhang@cncnc.edu.cn 胡黃水(1974—)，副教授，博士，主要研究領(lǐng)域?yàn)闊o線傳感器網(wǎng)絡(luò)、列車通信網(wǎng)絡(luò)。E-mail：huhs08@163.com