基于電能表的多路數(shù)據(jù)采集技術(shù)的研究

盧嘉棟

【摘要】 近年來計算機基本已經(jīng)普及，計算機技術(shù)不斷發(fā)展，在諸如學(xué)生宿舍用電和居民用電中，使用微處理器對若干個電能表進行自動數(shù)據(jù)采集并傳輸?shù)脑O(shè)置逐漸增多。為了降低使用成本，一個裝置需要完成12路或者6路電能表的數(shù)據(jù)實時采集，而國際電能表標準要求不同的電能表要按照不同的功率值輸出不同的脈沖頻率信號，這就導(dǎo)致多路數(shù)據(jù)采集中每個通道的采樣頻率存在很大差異，對數(shù)據(jù)傳輸可能造成各種干擾，因此必須對每個通道進行數(shù)字濾波，才能確保傳輸數(shù)據(jù)的準確度和可靠性。

【關(guān)鍵詞】 電能表 采集技術(shù) 多路數(shù)據(jù)采集

引言：目前我國大部分多通道數(shù)據(jù)采集裝置使用的都是嵌入式高性能微處理器，需要復(fù)雜的安裝和使用技術(shù)，應(yīng)用成本居高不下，對于多路電能表數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場要求的操作方便、低成本等要求無法滿足。經(jīng)過研究和分析電能表的數(shù)據(jù)脈沖輸出特性，總結(jié)出一種簡單方便的能夠?qū)崿F(xiàn)多通道數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)過濾的軟件方法，不需要使用復(fù)雜的外圍電路，使用成本較低，安裝操作都很方便，能夠滿足學(xué)生宿舍、居民公寓等場所的集中抄表需求，目前這種軟件采集方法已經(jīng)投入使用。

一、電能表多路數(shù)據(jù)采集技術(shù)的原理

電能表是一種輸出電能量的裝置，在民用場合如居民公寓、學(xué)生宿舍等，使用的大部分是單項兩線制電能表，按照國際和國家電能表規(guī)定，單相電能表每千瓦時需要輸出的脈沖輸出信號為3200個，而在不同的負載功率下，電能表需要輸出不同的脈沖頻率，通過測量電能表發(fā)出的脈沖信號，可以精確地計算出當前電能表的有功功率值。目前我國單相兩線制電能表使用的計量芯片主要有三種：CS546X、AD775X和BS0932，計量芯片的主要作用是獲取當前電路負載的工作電壓和工作電流，通過芯片內(nèi)部的DSP運算得到分路負載累計平均有功功率值。這些計量芯片能夠提供兩種功率接口，一種是頻率較高的輸出接口，可以用光電耦合器和LED等將數(shù)字輸送到微處理器進行處理；另一種則是驅(qū)動能力強但是頻率不高的計度器接口，能夠直接驅(qū)動小型的計度器馬達實現(xiàn)計量功能。因為具備了高頻數(shù)字輸出接口，因此能夠?qū)﹄娔鼙矸奖愕倪M行現(xiàn)場校驗和功率計量。

一般的電能計量裝置和測試裝置都能通過計量芯片的高頻數(shù)字輸出接口計算和計量分路負載的功率，高頻數(shù)字輸出接口提供的計量參考一般是儀表常數(shù)也就是每千瓦時3200脈沖。按照這個標準計算，CS5466輸出接口的頻率輸出特性與ADE7755差異很小。大部分電能計量裝置設(shè)置的脈沖高電平寬度為90ms，這樣的設(shè)計實際上也為微處理器測量脈沖周期提供了一個確定的標準，并且這個脈沖高電平寬度也能夠滿足電能表計量精度和計量范圍的需求。如果電能表每千瓦時能夠輸出3200脈沖的高頻脈沖，那么可以通過下面的算式計算脈沖和負載工作電流之間的關(guān)系：

分析上述結(jié)果，可以看到，當負載工作電流最大時，數(shù)字接口脈沖頻率周期約為170ms寬度，低電平脈沖和高電平脈沖的占空比約等于1，因此負載工作電流達不到最大時，占空比小于1，一般情況下電能表計量芯片將脈沖恒定寬度設(shè)置為90ms是較為合適的。

對于電能表數(shù)據(jù)采集和數(shù)字濾波，電能表采用的是捕捉電能計量芯片高頻數(shù)字輸出接口的脈沖來計量功率。微處理器檢測高頻脈沖數(shù)量并經(jīng)過計算轉(zhuǎn)化為分路負載的有功功率。雖然對我們而言170ms轉(zhuǎn)瞬即逝，但是對于微處理器來說是相當長的變化時間，因此微處理器能夠輕松識別，如果不需要測量分路負載電流，那么就不需要精確測量高頻接口的輸出脈沖周期。如果要計量脈沖信號，那么就需要識別脈沖電平的變化。常見的檢測方法有兩種，一種是檢測電平，另一種是脈沖上升沿檢測。兩種技術(shù)的差異在于電平檢測方法簡單，不需要復(fù)雜的外圍電路，而脈沖上升沿檢測則需要復(fù)雜的電路，因此電平檢測可以用軟件方法實現(xiàn)。本文中對于電平的檢測采用定時掃描的方式，每個周期掃描一次脈沖信號，當信號電平從1到0變化時，認為是一個下降沿；當信號電平從0到1變化時，認為是一個上升沿。通過對信號電平的檢測來計算脈沖數(shù)量，進而計算有功功率。數(shù)字信號在傳輸時必然會受到干擾，因此微處理器需要對信號進行濾波處理。一般按照過采樣的方式，要確保數(shù)據(jù)的準確度需要對信號進行三次連續(xù)采樣，其中兩次相同就可以認為是有效的信號，也可以每檢測五次信號，取其中相同的三次數(shù)值作為有效信號。信號的采樣周期至少是信號周期的兩倍，這樣才能確保采樣信號的可靠性。如果電能表檢測的是高頻輸出信號，那么高電平脈沖寬度應(yīng)該恒定為90ms，根據(jù)上述理論，要確保監(jiān)測信號的可靠性，那么采樣時間應(yīng)該不大于45ms，為了監(jiān)測方便，取采樣時間間隔為10ms，每個信號采樣三次，這樣識別一個信號需要30ms。

如果采集和識別的是單通道信號，運用上述方法能夠通過軟件方法方便的實現(xiàn)，如果需要采集多路信號，而微處理器的處理能力、存儲能力都是有限的，給數(shù)據(jù)的采集和識別帶來了一定困難。假設(shè)我們需要處理8通道信號，要采集每個通道的信號并濾波，軟件運行代碼需要一定的時間，并且每個通道都需要占用一定的內(nèi)存，處理8通道所使用的時間和資源最少為單通道的8倍，而微處理器還要同時處理鍵盤輸入、數(shù)據(jù)通信和顯示等任務(wù)，要確保信號的準確性，需要控制好信號采樣的間隔時間不能太短，目前設(shè)計需要研究的問題就是如何運用最簡潔的代碼和最少的資源實現(xiàn)多通道數(shù)據(jù)采集。

二、多路數(shù)據(jù)采集的技術(shù)實現(xiàn)方法

以目前最為常見的8通道數(shù)據(jù)采集為例，探討如何用軟件方法實現(xiàn)多通道數(shù)據(jù)采集和濾波技術(shù)。假定我們使用8051型微處理器，讀取數(shù)據(jù)的端口為P0，每次讀取8個通道的信號，每隔10ms就掃描一次端口P0，每隔通道都需要掃描三次，確定電平的狀態(tài)。8通道的每個通道信號頻率都不一樣，因此我們使用一個過濾窗口篩選信號，每次掃描信號后，微處理器需要根據(jù)通道在窗口的狀態(tài)判斷電平的狀態(tài)，只有三個狀態(tài)全部是0或者全部是1時，才能認為這是有效的低電平或者高電平，將此次檢測的通道狀態(tài)與上次檢測的通道狀態(tài)相比較，如果不同則可以認為是有效的脈沖，計數(shù)增加1即可。

對于數(shù)據(jù)的判斷需要如下步驟：第一步，初始化窗口，將過濾窗口的每個通道值初始化為000；第二步，到達掃描時間后，過濾窗口的每個通道值都向左移動一位，采集到8個通道的數(shù)值后，將當前通道的瞬間狀態(tài)轉(zhuǎn)移到通道最低位；第三步，判斷過濾窗口的每個通道數(shù)值，如果通道值為111，則認為是一個有效的高電平；如果通道值為000，則認為是一個有效的低電平；否則不予處理；第四步，微處理器將此次識別到的有效電平與上次的電平狀態(tài)比較，如果相同，則轉(zhuǎn)向第六步，如果不同，則轉(zhuǎn)向第五步；第五步，保存當前通道的電平狀態(tài)，計數(shù)值加1；第六步，到達下一次掃描時間重復(fù)第二步。

相對于使用循環(huán)計數(shù)器計算脈沖，使用過濾窗口計算能夠快速篩選各個通道的比特流，書籍識別的速度大大提高了。使用過濾窗口在采集和過濾8路、12路、16路電能表數(shù)據(jù)時能夠取得良好的效果，并且能夠保證數(shù)據(jù)的準確度和識別速度。本文中使用的微處理器型號為AT89S52，端口P0來接收每個接口的瞬間信號，定時器T0每10ms掃描一次通道狀態(tài)，過濾窗口的緩沖區(qū)中，每個通道占據(jù)一個字節(jié)。使用軟件實現(xiàn)需要使用大量的移位操作，因此軟件必須使用匯編語言來編寫，才能盡量縮短代碼以縮短執(zhí)行時間。

三、三相電能表的高精度數(shù)據(jù)采集

除了目前使用較為普及的二相電能表，隨著我國供電技術(shù)的不斷發(fā)展，三相電能表的應(yīng)用也非常普遍。平穩(wěn)負荷在大范圍變化時，要提高計量的準確度，如果采用傳統(tǒng)的多端口接入來提高精確度，出現(xiàn)負荷波動將會導(dǎo)致準確度很低的問題。對于三相電能表，實現(xiàn)高精度數(shù)據(jù)采集可以采用FPGA+A/D構(gòu)成采集系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)中，信號調(diào)理器主要作用是將傳感器的輸出信號調(diào)整到A/D可用的信號范圍內(nèi)，而后A/D將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。本系統(tǒng)使用EP3C80F484C7芯片轉(zhuǎn)化和存儲數(shù)據(jù)以及計算電能參數(shù)等，轉(zhuǎn)化后將信號傳輸?shù)狡渌O(shè)備上顯示出來。

由于輸入信號會受到較大的干擾，因此本系統(tǒng)使用差分信號的信號輸入方式，信號調(diào)理電路使用THS4521差分放大器，通過改變電阻比值來改變電路增益。電流傳感器和電壓傳感器傳輸?shù)男盘柗秶煌?，因此需要根?jù)實際情況選擇合適的電阻。使用分壓電阻將三相電壓進行分壓，使用調(diào)理電路來調(diào)理電壓值，能夠有效降低信號干擾，提高調(diào)理電路的運行可靠性。對于AD采樣電路的設(shè)計，一般要求計量準確度能夠達到0.05級，而電流和電壓的采集精度需要達到0.02級，按照這個標準，對于三相電壓，AD轉(zhuǎn)換位數(shù)應(yīng)該達到18，而三相電流的AD轉(zhuǎn)換位數(shù)應(yīng)該達到20。為了確保測量精度，我們采用24位的AD進行數(shù)據(jù)采集，選用德州儀器公司的ADS1278轉(zhuǎn)換芯片，這款芯片集成了8通道和24位AD轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部還集成了多個調(diào)制器和數(shù)字濾波器，8條分路同時采集采樣速率能夠達到128ksps，能夠滿足電能表計量需要的多分路、高精度的采集需求。使用的此款轉(zhuǎn)換芯片能夠?qū)崿F(xiàn)8個AD轉(zhuǎn)換器同時采樣，每個轉(zhuǎn)換器具有6階斬波，數(shù)據(jù)輸出能夠連接到DSP、FPGA和微控制器等。轉(zhuǎn)換芯片的數(shù)據(jù)是以二進制補碼的方式輸出的，其中最高位是符號，輸出電壓為正時，符號位為0，輸出電壓為負時，符號位為1，而轉(zhuǎn)換芯片的參考源一般選擇的是2.5V，采用5V的直流電壓供電，電壓噪聲較小，一般能夠控制在1μV以下，能夠滿足數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)高精度的需求。對于FPGA芯片和轉(zhuǎn)換芯片之間的通信，一般采用幀同步接口的方式，幀同步接口有SCLK、CLK、DOUT時鐘或者數(shù)據(jù)線接口等。ADS1278的通道控制接口為PWND，當PWND為高電平時，轉(zhuǎn)換芯片進入到工作模式，當PWND為低電平時，轉(zhuǎn)換芯片進入到低功耗模式。

四、基于互聯(lián)網(wǎng)和PLC的電能表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

基于Internet和PLC的電能表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要構(gòu)成有四層，分別為電能表、終端采集器、數(shù)據(jù)集中器和系統(tǒng)管理中心。系統(tǒng)管理中心是由主機、客戶端服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫組成的，能夠為系統(tǒng)提供操作界面和數(shù)據(jù)存儲等功能；數(shù)據(jù)采集器主要負責采集終端數(shù)據(jù)和電能表數(shù)據(jù)；第三層為終端采集器，將集中器發(fā)出的命令轉(zhuǎn)發(fā)給測量點，并向集中器發(fā)送測量點的數(shù)據(jù)；第四層為測量點，一般是單相電能表。整個系統(tǒng)中，第一二層之間使用Internet通信，第二三層之間采用PLC通信，第三四層采用RS-485總線通信。整個系統(tǒng)的工作過程為：主機通過互聯(lián)網(wǎng)向數(shù)據(jù)集中器發(fā)出命令，控制數(shù)據(jù)集中器設(shè)置電能表參數(shù)或者讀取電能表數(shù)據(jù)等，數(shù)據(jù)集中器將數(shù)據(jù)幀分拆開，根據(jù)上層的數(shù)據(jù)要求對電能表進行參數(shù)設(shè)置或者采集數(shù)據(jù)等操作，下層裝置響應(yīng)后將數(shù)據(jù)幀傳送給數(shù)據(jù)收集器，數(shù)據(jù)收集器將數(shù)據(jù)幀再上傳給主控計算機，這樣管理中心工作人員能夠及時準確的了解關(guān)于電能表的各項信息，針對出現(xiàn)的情況和問題進行恰當?shù)奶幚?，確保電網(wǎng)的穩(wěn)定性和安全性。除此之外，數(shù)據(jù)集中器還能夠進行每日數(shù)據(jù)抄收、每月數(shù)據(jù)抄收、反饋異常信息等工作。

系統(tǒng)硬件設(shè)計主要包括終端采集器、網(wǎng)絡(luò)接口等。對于終端采集器，一般使用單片機，單片機芯片內(nèi)集成了系統(tǒng)需要的數(shù)字和模擬外設(shè)等其他功能部件，經(jīng)過改進的51系列單片機數(shù)據(jù)處理速度和可靠性都有了明顯提升，能夠?qū)ψ罡?4路電能表進行數(shù)據(jù)收集和存儲加工等操作。選用網(wǎng)絡(luò)接口具備16位數(shù)據(jù)接口和24位地址接口等，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)的連接，系統(tǒng)加裝一塊網(wǎng)卡濾波器，網(wǎng)卡濾波器通過雙絞線連入到互聯(lián)網(wǎng)中。

軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計的思想，主要模塊有初始化模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、通信模塊和數(shù)據(jù)讀取模塊等，主程序則對系統(tǒng)進行初始化處理，上電后處理上次停電后的遺留信息，控制數(shù)據(jù)收集站發(fā)出的指令并進行處理，控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)热蝿?wù)的執(zhí)行，層次性的實現(xiàn)數(shù)據(jù)收集和處理任務(wù)。

五、結(jié)束語

綜上，本文針對目前廣泛采用的多路電能表進行了數(shù)據(jù)采集技術(shù)的研究，如通過過濾窗口實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和過濾，將Internet和PLC相結(jié)合實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能等，通過軟硬件結(jié)合的方式提高數(shù)據(jù)傳輸和處理的效率和準確度。

參 考 文 獻

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[3]李娟.基于Internet和PLC的電能表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計[J].低壓電器.2012，（15）：32.