CN102081118B - 实时计量双向通信智能电表 - Google Patents

实时计量双向通信智能电表 Download PDF

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Abstract

一种实时计量双向通信智能电表,它包括单片机、信号采集与处理电路、三相电能计量芯片、存储芯片、通信芯片、功能按键和显示器,所述三相电能计量芯片的输入端接信号采集与处理电路的输出信号,输出端接单片机的输入端口。本发明通过存储模块刷新电量数据可以全面地监控电能信息的实时性参数,用户可以近于实时地查看其用电信息。而双向交互式通信使智能电表作为电力公司与用户进行通信的网关,用户可以从电力公司接收电价信号,同时电力公司也可以准确快速地定位电网故障,评估设备运行状况及电能质量。此外,本发明还可以通过对功率因数的判断进行双向电量的计量,支持具有分布式发电的用户并入电网。

Description

实时计量双向通信智能电表
技术领域
[0001] 本发明涉及一种具有实时计量和双向交互式通信功能的智能电能表,属计量技术领域。
背景技术
[0002] 智能电网中的高级量测体系(AMI)要求智能电表可以对用电量进行实时计量并具有双向交互式通信功能,以实现用户负荷信息的详细记录和负荷响应。然而现有的智能电表显然还不能满足这种要求。例如,当需要分段计量时,现有的智能电表只能按固定的时间划分峰值段和谷值段,而不能根据实际用电情况来判断,因而并非真正意义上的实时分段计量。使用现有的IC卡智能电表进行计量时,用户电表和供电公司是相互独立的,用户不能实时查询用电信息和电价信息,供电公司也不能做到负荷响应,这样就不能满足智能电网的实时互动要求。因此,设计一种具有实时计量和双向交互式通信功能的智能电能表是有关技术人员目前所面临的课题。
发明内容
[0003] 本发明的目的在于克服现有技术的不足、提供一种实时计量双向通信智能电表,以满足智能电网的要求。
[0004] 本发明的问题是以下述技术方案实现的:
[0005] —种实时计量双向通信智能电表,构成中包括单片机、信号米集与处理电路、三相电能计量芯片、存储芯片、通信芯片、功能按键和显示器,所述三相电能计量芯片采用ADE7758,其输入端接信号采集与处理电路的输出信号,APCF, VARCF, IRQ、DOUT, SCLK,DIN、CS端分别接单片机的T0、Tl、INT1、PL 2、PL 3、PL 4、PL 5端口 ;所述存储芯片采用DS32C35,其SCL、SDA端分别接单片机的Pl.6,Pl.7端口 ;所述通信芯片采用MAX485,其R0、DI端分别接单片机的RXD、TXD端口,RE,DE端均接单片机的INTO端口,A、B端接上位机;所述功能按键接单片机的P2端口 ;所述显示器接单片机的PO端口。
[0006] 上述实时计量双向通信智能电表,所述信号采集与处理电路由三相电压互感器、三相电流互感器和双变比控制模拟开关组成,所述双变比控制模拟开关采用⑶4053,其ax、bx、cx端分别接三相电流互感器的高变比输出端,ay、by、cy端分别接三相电流互感器的低变比输出端,A、B、C端均接单片机的Pl.0端口,a、b、c端分别接三相电能计量芯片的IAP、IBP、ICP 端。
[0007] 本发明利用计量电路读取信号采集与处理电路中的电流、电压信号,由单片机、三相电能计量芯片和存储芯片组成计量电路,通过不断地刷新存储芯片中的电量数据,可以全面地监控电能信息的实时性参数。通信芯片用于实现双向交互式通信,使智能电表成为电力公司与用户户内网络进行通信的网关,用户可以从电力公司接收电价信号,同时电力公司也可以准确快速地定位电网故障,评估设备运行状况及电能质量。此外,本智能电表还可以通过对功率因数的判断进行双向电量的计量,支持具有分布式发电的用户并入电网。附图说明
[0008] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0009] 图1是本发明的电原理框图;
[0010] 图2是电原理图;
[0011] 图3是主程序流程图;
[0012] 图4是通信查询处理程序流程图。
[0013] 图中各标号为:U1、单片机,U2、三相电能计量芯片,U3、双变比控制模拟开关,U4、显示器,U5、存储芯片,U6、通信电路,KEY、功能按键,CTA、CTB、CTC、电流互感器,PTA、PTB、PTC、电压互感器。
[0014] 图中各集成块的型号是:U1为AT89S52,U2为ADE7758,U3为CD4053,U4为JHD204A, U5 为 DS32C35, U6 为 MAX485。
具体实施方式
[0015] 以下结合实施例对本发明作进一步详述:
[0016] 一、硬件方面:
[0017] 参看图1、图2,实时计量双向通信智能电表的硬件电路由系统电源电路(图中未画出)、信号采集与处理电路(包括电流互感器、电压互感器、双变比控制模拟开关U3)、高精度三相电能计量芯片U2、单片机U1、存储芯片U5、通信芯片U6、IXD显示器U4和功能按键KEY组成。
[0018] 1、实时计量的实现:采用高精度电能计量芯片ADE7758和微控制器AT89S52相结合,利用存储芯片DS32C35进行刷新。存储芯片DS32C35的SCL引脚与AT89S55的Pl.6相连,SDA引脚与AT89C55的Pl.7相连,并且接有3.0V后备电池。
[0019] 三相电压、电流首先经过ADE7758的高速ADC采样,单片机AT89S52的Pl.2、P1.3、Pl.4和Pl.5管脚对ADE7758的DOUT、DIN、SCLK、CS端子进行SPI通信,实现片内寄存器的写入及电量参数和中断数据的读出。单片机AT89S52的T0、T1端口对ADE7758的APCF、VARCF计算出累积周期内的有功、无功电能。然后,通过单片机AT89S52控制由IIC通信接口分门别类地写到DS32C35的各个FRAM区段中,以便与上位机通讯和用户按键查询。这期间通过存储芯片U5做必要的数据存储刷新,通过和软件程序相结合,实现实时分段电能计量,从而电能信息的实时性参数就会得到全面监控。
[0020] 2、双向通信的实现:双向通信电路采用低功耗收发器MAX485搭建,控制单片机内置的通用异步串行接口 UART实现数据的发送和接收。由于RS-485是半双工通信,将控制端RE和DE短接后接至单片机Ul的INTO引脚即可实现对MAX485通信方式的选择。INTO=I为发送状态,电能数据可以通过TXD线发送出去;INTO = O为接收数据,可以通过RXD线接收电价数据。
[0021] 发送实时电能信号流向:
[0022] 三相电压、电流首先经过计量芯片ADE7758高速ADC采样。
[0023]单片机 AT89S52 的 Pl.2、Pl.3、Pl.4 和 Pl.5 管脚对 ADE7758 的 DOUT、DIN、SCLK、CS端子进行SPI通信,读出电量参数。单片机AT89S52的T0、Tl端口对ADE7758的APCF、VARCF计算出累积的有功、无功电能。
[0024] 单片机AT89S52的PLl.6、PLl.7管脚对存储芯片DS32C35的SCL、SDA端子进行IIC通信,将各项电能参数分门别类地写到DS32C35的各个FRAM区段中。
[0025] 单片机AT89S52的INTO管脚对通信芯片MAX485的RE和DE控制端进行状态控制,当INTO = I为发送状态,电能信号通过单片机AT89S52的TXD管脚发送至通信芯片MAX485的DI端子,进而将打包的电能数据通过通信芯片MAX485的A和B管脚发送出去。
[0026] 通信芯片MAX485的A和B管脚将电能信号通过RS-485总线传送至电力公司的上位机。
[0027] 利用功能按键KEY给单片机AT89S52输入脉冲信号,控制显示屏显示用电信息。单片机AT89S52的PL2.5、PL2.6和PL2.7管脚控制显示屏JHD 204A的E、R/W和RS端子,当E=l,RS=I, R/ff=0时,单片机AT89S52的PO 口对显示屏JHD 204A的DB 口传送并行的电能数据。
[0028] 发送异常故障信号流向:
[0029] ADE7758检测到工作电源失电(或其它异常)时,ADE7758的IRQ端口向单片机的INTl端口发中断申请,单片机读取ADE7758状态复位寄存器内容,判断中断事件的类型。
[0030] 置单片机AT89S52的INTO = 1,为发送状态。将判断出的异常故障信号通过单片机AT89S52的TXD管脚发送至通信芯片MAX485的DI管脚,进而将异常故障信号通过通信芯片MAX485的A和B管脚发送出去。
[0031] 通信芯片MAX485的A和B管脚将异常故障信号通过RS-485总线传送至电力公司的上位机。
[0032] 同时,单片机AT89S52的PLl.6和PLl.7端口对存储芯片DS32C35的SCL、SDA端子进行IIC通信,将异常故障信号写到DS32C35的异常故障FRAM区段中。进行异常故障的记录,便于以后的查询。
[0033] 通过单片机AT89S52的PO 口对显示屏JHD 204A的DB 口传送并行的异常报警数据,最终显示屏显示异常报警信息。
[0034] 接收调整电价信号流向:
[0035] (I)电力公司将预设时间段的电价信号通过RS-485总线传送至通信芯片MAX485的A和B管脚。
[0036] (2)单片机AT89S52的INTO管脚对通信芯片MAX485进行状态控制,置INTO = O为接收状态,单片机AT89S52的RXD管脚从通信芯片MAX485的RO管脚接收电价信号。
[0037] (3)单片机AT89S52的PLl.6和PLl.7端口对存储芯片DS32C35的SCL、SDA端子进行IIC通信,将电价信号写到DS32C35的固定电价FRAM区段中。
[0038] (4)单片机AT89S52对DS32C35的FRAM电价区段中的电价信号拆包处理,单片机AT89S52的PLl.6和PLl.7端口对存储芯片DS32C35的SCL、SDA端子进行IIC通信,将电价数据读出。
[0039] (5)通过单片机AT89S52的PO 口对显示屏JHD 204A的DB 口传送并行的电价数据,最终显示屏显示预设时间段的电价信息。
[0040] 3、故障点快速定位诊断:ADE7758检测到工作电源失电(或其它异常)时,ADE7758的IRQ端口向单片机INTl的端口发中断申请,单片机读取ADE7758状态复位寄存器内容,判断中断事件的类型。通过智能电表TXD线发送的故障信号,这样电力公司可以快速接收到故障点处发送的故障信号,实现快速诊断故障点,提高恢复供电的速度。
[0041] 4、双向电量计量:规定电能数据的二进制代码最高位为符号位,当最高位为0,表示向电网送电状态;当最高位为1,表示向电网取电状态。首先,根据计量芯片输出的功率因数进行正反向电量判断,当功率因数为正时,置电能数据的二进制代码最高位(符号位)为1,计入正向电量数据段;当功率因数为负时,置电能数据的二进制代码最高位(符号位)为0,计入反向电量数据段。然后,对电能数据二进制代码的最高位分别累加即可求得正向和反向总有功。从而,该发明可以支持分布式发电用户并网。
[0042] 5、双变比模拟控制开关U3:单片机AT89S52的PLl.0端口对模拟开关的A、B和C端口进行控制,选择双变比电流互感器的双变比通道,可以有效地减小在低电流负荷时电流互感器的误差。转换过程首先是单片机通过SPI通信口和ADE7758进行通信,实时检测电网的负荷功率,从而判断并通过单片机的引脚控制模拟开关CD4053选择相应的变比通道。当负载电流大于额定电流的20%时,单片机AT89S52的PLl.0端口输出高电平使⑶4053切换到电流互感器二次端高变比端;当负载电流小于额定电流的20%时,单片机PLl.0端口输出的低电平使CD4053切换到电流互感器二次端低变比端。
[0043] 6、单片机AT89S52是智能电表运行控制的核心,所要实现的功能:(I)进行软件校表;(2)控制模拟开关选择双变比电流互感器的通道;(3)从ADE7758读取电能数据和作故障异常中断处理;(4)和DS32C35通信,存储测量数据及异常记录并读取实时时钟;(5)将相应数据及报警显示在液晶屏上;(6)控制提供远程双向交互式通信。
[0044] 可见,控制信号流向为:
[0045] (I)控制模拟开关选择双变比电流互感器的通道。单片机AT89S52的PLl.0端口对模拟开关的A、B和C端口进行控制选择双变比电流互感器的双变比通道。转换过程首先是单片机通过SPI通信口和ADE7758进行通信,实时检测电网的负荷功率,从而判断并通过单片机的引脚控制模拟开关⑶4053选择相应的变比通道。
[0046] (2)从计量芯片ADE7758读取电能数据和作故障异常中断处理。单片机AT89S52的 Pl.2、Pl.3、Pl.4 和 Pl.5 管脚对 ADE7758 的 DOUT、DIN、SCLK、CS 端子进行 SPI 通信,实现片内寄存器的写入及电量参数和中断数据的读出。而单片机的INTl端口接收ADE7758的IRQ端口的中断申请,读取ADE7758状态复位寄存器内容,判断中断事件的类型。
[0047] (3)与DS32C35通信,存储测量电价数据及异常记录并读取实时时钟。单片机AT89S52的PLl.6和PLl.7端口对存储芯片DS32C35的SCL、SDA端子进行IIC通信,将电能参数、异常故障参数和电价参数分门别类地写到DS32C35的各个FRAM区段中。
[0048] (4)将相应数据及报警显示在液晶屏上。单片机AT89S52的PL2.5、PL2.6和PL2.7管脚控制显示屏JHD 204A的E、R/W和RS端口,其中RS=O表示要操作的是命令,RS=I表示要操作的是数据;R/W=0表示向LCD写,R/ff=l表示从LCD读;E=0表示禁止读写,E=I表示允许读写。当E=I,RS=I,R/ff=0时单片机AT89S52的PO 口,对显示屏JHD 204A的DB 口传送并行的相应数据。
[0049] (5 )控制提供远程双向交互式通信。将通信芯片MAX485的控制端RE和DE短接后接至单片机AT89S52的INTO管脚,即可实现对MAX485通信方式的选择。当单片机AT89S52的INTO = I为发送状态,电能或异常故障数据可以通过TXD线发送出去;INTO = O为接收数据,可以通过RXD线接收电价数据。
[0050] 8、存储芯片DS32C35:采用的FRAM具有真非易失,无需工作电源即可实现数据保存,同时没有EEPROM或Flash存储器的写次数或模块擦写次数限制。本电表的数据存储单元采用DS32C35的FRAM区域,其数据存储单元包括有功电能、无功电能、功率因数、负功率和电价信息以及谐波、相序错、断相及电网失电等的报警起止时间记录。为了保证电量参数存储的可靠性,在软件设计上保证了充分的冗余和纠错。
[0051] 二软件方面:
[0052] 软件设计包括主程序以及通信查询处理程序。
[0053] 1、主程序设计:先给出电表主程序流程图如附图3所示,然后把这个总流程图分解成模块分别分析。主程序包括高速ADC数据采集子程序、双向电量计量子程序、储存刷新子程序、双向通信查询处理程序、动态电价显示子程序五大部分。除了初始化程序和上电电量数据清零程序外,其他部分是一个无限循环圈,电表的所有功能都在这个大循环里执行。
[0054] 相关子程序是:
[0055] (I)高速ADC数据采集子程序:进行双变比切换判断,切换的依据是当前视在功率是否彡20%额定视在功率,若是就进入低变比信号通道,否则就进入高变比信号通道。单片机与计量芯片间的通讯以SPI串行通讯子程序为基础。
[0056] (2)双向电量计量子程序:对计量芯片测得的功率因数进行判断,当功率因数为正时,置电能数据的二进制代码最高位(符号位)为1,计入正向电量数据段;当功率因数为负时,置电能数据的二进制代码最高位(符号位)为0,计入反向电量数据段。然后,对电能数据二进制代码的最高位分别累加即可求得正向和反向总有功。
[0057] (3)储存刷新子程序:通过控制芯片DS32C35刷新储存的电能数据,存储刷新以IIC串行通讯程序为基础。
[0058] (4)浮动电价显示子程序:显示模块包括写地址子程序和写数据子程序,通过结合通信查询处理,接受到上位机的电价数据经数据总线驱动LCD显示电价。
[0059] 2、通信查询处理程序:实现采用2ms周期定时触发查询事件处理的方法。设定时器Tl时间为2 ms,则每隔2 ms产生一次中断,在2 ms内由主程序查询并处理需处理的事件。当中断时进入中断程序检测事件是否发生,对于发生的事件就在相应的标志位上置1,中断程序返回后,进入主程序根据标志位来判断是否需要对该事件进行处理,处理完后对相应的标志位清零。
[0060] 通信查询处理程序流程图如附图4所示。双向通信采用国家标准的《DL /T645 -2007多功能表通信规约》。通信查询处理程序中只需按照DL /T645帧格式的进行电能数据的打包发送和电价数据的拆包接收。RS-485的字节数据发送与接受由单片机的UART模块完成,通过控制单片机中INTO端口对发送和接收双向通信进行区分,INTO = I为发送状态, INTO = O为接收数据。

Claims (2)

1.一种实时计量双向通信智能电表,其特征是,它包括单片机(U1)、信号采集与处理电路、三相电能计量芯片(U2)、存储芯片(U5)、通信芯片(U6)、功能按键(KEY)和显示器(U4);所述三相电能计量芯片(U2)采用ADE7758,其输入端接信号采集与处理电路的输出信号,APCF、VARCF、IRQ、DOUT、SCLK, DIN、CS 端分别接单片机(Ul)的 T0、Tl、INT1、PL 2、Pl.3、P1.4、P1.5端口 ;所述存储芯片(U5)采用DS32C35,其SCL、SDA端分别接单片机(Ul)的Pl.6,Pl.7端口 ;所述通信芯片(U6)采用MAX485,其R0、DI端分别接单片机(Ul)的RXD、TXD端口,RE、DE端均接单片机(Ul)的INTO端口,A、B端接上位机;所述功能按键(KEY)接单片机(Ul)的P2端口 ;所述显示器(U4)接单片机(Ul)的PO端口 ; 所述单片机采用AT89S52 ; 将控制端RE和DE短接后接至单片机Ul的INTO引脚即实现对MAX485通信方式的选择;设置INTO = I为发送状态,电能数据可以通过TXD线发送出去;ΙΝΤ0 = O为接收数据,可以通过RXD线接收电价数据; 发送实时电能信号流向按如下步骤操作: a.三相电压、电流首先经过计量芯片ADE7758高速ADC采样; b.单片机 AT89S52 的 Pl.2、Pl.3、Pl.4 和 Pl.5 管脚对 ADE7758 的 DOUT、DIN、SCLK,CS端子进行SPI通信,读出电量参数;单片机AT89S52的T0、Tl端口对ADE7758的APCF、VARCF计算出累积的有功、无功电能; c.单片机AT89S52的PLl.6,PLl.7管脚对存储芯片DS32C35的SCL、SDA端子进行IIC通信,将各项电能参数分门别类地写到DS32C35的各个FRAM区段中; d.单片机AT89S52的INTO管脚对通信芯片MAX485的RE和DE控制端进行状态控制,当INTO = I为发送状态 ,电能信号通过单片机AT89S52的TXD管脚发送至通信芯片MAX485的DI端子,进而将打包的电能数据通过通信芯片MAX485的A和B管脚发送出去; 通信芯片MAX485的A和B管脚将电能信号通过RS-485总线传送至电力公司的上位机; 双向电量计量:规定电能数据的二进制代码最高位为符号位,当最高位为0,表示向电网送电状态;当最高位为1,表示向电网取电状态;首先,根据三相电能计量芯片输出的功率因数进行正反向电量判断,当功率因数为正时,置电能数据的二进制代码最高位(符号位)为1,计入正向电量数据段;当功率因数为负时,置电能数据的二进制代码最高位(符号位)为0,计入反向电量数据段;然后,对电能数据二进制代码的最高位分别累加即可求得正向和反向总有功。
2.根据权利要求1所述实时计量双向通信智能电表,其特征是,所述信号采集与处理电路由三相电压互感器、三相电流互感器和双变比控制模拟开关(U3)组成,所述双变比控制模拟开关(U3)采用⑶4053,其ax、bx、cx端分别接三相电流互感器的高变比输出端,ay、by、cy端分别接三相电流互感器的低变比输出端,A、B、C端均接单片机(Ul)的Pl.0端口,a、b、c端分别接三相电能计量芯片(U2)的IAP、IBP、ICP端。
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张晓东.基于AT89S52单片机的三相电度表研究.《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅱ辑》.2009,(第03期),7-17.
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张瑞占.三相精确计量智能电能表研制.《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅱ辑》.2010,(第05期),18-21.
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