沈 庆，瞿遂春，邱爱兵

（南通大学　电气工程学院，江苏 南通　226019）

一种具有故障监测及远程报错功能的电能表设计

沈 庆，瞿遂春，邱爱兵

（南通大学电气工程学院，江苏 南通226019）

文中针对目前市场上单相电子式电能表发生故障不易监测的问题，设计了一种具有自动故障监测及远程报错功能的电能表。本设计采用高精度单相电能计量芯片 ADE7755采集用户所使用的电量，采用高可靠性的RS485传输协议进行数据传输，使用高性能的单片机 STC89C52来作为整个电能采集、故障检测、数据传输电路的控制核心。构建了整个电能计量电路的组成框图、单相电能测量电路图以及软件流程图，最后对样机进行了试验，对试验结果进行了分析，实验结果表明该电能计量电路具有较高的监测精度。

电子式电能表；ADE7755；RS485；单片机；故障监测；远程报错

随着城乡电网建设的深入进行，传统的感应式电表已逐渐被电子式电表所替代。电子式电表以其防窃电能力强、计量精度高、负荷特性较好、误差曲线平直、功率因数补偿性能较强、自身功耗低等优势迅速占领着我国的电能表市场，基于单片机的智能电子式电能表更是使远程抄表成为可能。然而目前市场上的电子式电能表还存在寿命较短、易受外界干扰、工作可靠性差等问题。

目前，电子式电能表的故障监测方法正逐渐向故障自动检测发展。有学者提出利用组合分类思想建立BP-AdaBoost故障预测方法，将单一BP神经网络作为弱分类器，通过反复训练，得到的复合BP神经网络作为强分类器，实现对数据样本的预测［1］。亦有学者提出将电能表数据运用统计学原理进行分析判断故障的方法［2］。但以上方法仅针对数据的处理，无法做到实时故障监测。

文中设计了一种具有自动故障监测及远程报错功能的电能表，能实时监测电能表故障并远程传送报错，实现电力部门第一时间了解电表故障，减少损失。设计采用美国 ADI公司生产的一款高精度单相电能计量芯片 ADE7755来采集用户所使用的电量，采用高可靠性的RS485传输协议来进行数据传输，使用高性能的单片机 STC89C52来作为整个电能采集、故障监测、数据传输电路的控制核心。在采集电流、电压值时，文中采用了精度高、稳定性能好的铜锰采样电阻、电阻分压网络来取代常用的电流、电压互感器。在此基础上，构建单相电能计量电路的系统框图以及软件流程图。

1　系统硬件设计

1.1基本框图

系统框图如图1所示，系统主要由电压、电流采样电路，电能计量电路，单片机控制电路，显示模块，远程通讯模块组成。本设计的特点是将单片机STC89C52作为整个系统的核心，负责监测电流采样模块和电能计量芯片ADE7755，并控制RS485模块实时数据传送。

STC89C52控制整个电能计量电路的正常运行，监控ADE7755的工作状态，从 ADE7755寄存器中读取有功、无功、视在功率和电流、电压值，输出到LCD显示电路，保存数据到存储器中以防止停电时数据的丢失，以及处理与远程计算机的数据通讯等。

图1　系统的基本框图Fig．1　Basic block diagram of the system

1.2电能表计量电路设计

1.2.1电流采样电路

电流采样电路如图2所示。采用500 μΩ锰铜片作为电流采样器，L1和L2为磁珠。将火线电流信号经采样电阻转换成电压信号送电能计量芯片ADE7755的电流输入端［3］。

图2　电流采样电路Fig．2　Current sampling circuit

1.2.2电压采样电路

电压采样电路对输入电压采用电阻器分压采样，短接或松开短接点能很方便的完成增益调节。此电阻器分压网络相对于变压器采样来说，体积和重量大大减少［4］。为了提高分压网络分压系数的稳定性，保证电能表的测量精度，一般选用误差低于1%、温度系数小于100 PPM/℃的贴片电阻［5］。

1.2.3电能计量电路

电能计量电路主要是由电压检测电路、电流检测电路和电能计量芯片ADE7755及其外围电路组成。负载电流经过电流检测电路再通过滤波电路后转换成合适的电压信号送入到电能计量芯片ADE7755的电流通道，即 V1P和V1N端［6］；220 V相电压通过电压检测电路分压后，再通过滤波电路送入电能计量芯片ADE7755的电压通道，即V2P和V2N端［7］。二者经过 ADE7755转换成有功功率以高频脉冲形式从 CF端输出然后接入到单片机STC89C52的输入端。单片机控制电路从 ADE7755的CF端采集脉冲信号处理后得到的数据送到LCD显示电路进行显示，并通过远程通讯电路把数据传送到上位机。

1.3电能表自动故障监测的设计

本文提出一种新型电能表故障监测方法，即将ADE7755 的CF端输出的带电量信息的脉冲信号与从电流检测电路采集的电流信号相与，由单片机判别相与后的信号来实时监测电能表的运行状况，实现自动故障检测。如图3所示。

图3　故障分析的4种情况Fig．3　Four cases of fault analysis

第1种情况为电能表正常工作状态，如图3（a）所示，电能计量芯片有脉冲输出，电流采样端有电流，相与后有脉冲。

第2种情况为电能表故障状态，如图3（b）所示，电能计量芯片有脉冲输出，电流采样端无电流，相与后无脉冲，疑为计量芯片故障。

第3种情况为电能表故障状态，如图3（c）所示，电能计量芯片无脉冲输出，电流采样端有电流，相与后无脉冲，疑为计量芯片故障。

第4种情况为电能表不工作状态，如图3（d）所示，电能计量芯片无脉冲输出，电流采样端无电流，相与后无脉冲，为用户不用电状态。

1.4电能表远程报错的电路设计

设计采用的是RS-485串行通信方式。标准的RS-485是近距离传输数据信息的最为成熟的串行接口。采用RS-485接口可以多点连接，通过RS-485总线构成电能表数据采集系统，直接使用MAX485驱动芯片，多个电能表通过双绞线连接就可构成通信网络［8］。DL/T 645-2007规定：RS-485接口采用主从结构的半双工通信方式；共模输入电压范围-7 ～12 V，差模输入电压大于0．2 V采用三态方式输出；在负载阻抗5 4欧时，驱动输出电压最大5 V，最小1．5 V驱动能力不应少于32个同类接口在通信速率不大于1 0 0 Kb/s的条件下有效传输距离不小于1 200 m；总线是无源的，由电能表或数据终端设备提供隔离电源。

2　系统软件设计

本设计的软件流程图如图4所示。首先，进行电能计量电路的初始化，如单片机的初始化、电能计量芯片 ADE7755的初始化以及显示电路和远程通讯的初始化，再进行电能脉冲复位以及系统各参数的初始化，然后单片机 STC89C52开始读取各项电能数据和电流采样信号，将ADE7755芯片输出的电流脉冲信号和采样电流信号相与，如果还有脉冲，则计算出各项功率，然后把电能数据送出并进行 LCD显示处理，如果无脉冲，则通过RS485电路远程报送错误代码。执行完每个步骤，最后返回到开始重新执行命令。这是本单相电能计量电路的主流程图。

图4　系统软件流程图Fig．4　System software flow chart

3　样机试验

为验证该单相电能计量电路的性能，我们搭建了一个试验平台进行了试验，如图5所示。我们手动将ADE7755芯片的CF端断开，将与之相连的单片机引脚接地，一段时间后，通信接收端收到出错代码。

图5　样机测试系统Fig．5　Prototype testing system

系统响应及报错时间如表1所示。

表1　系统响应及报错时间Tab.1　System response and report wrong time

4　结束语

本文介绍了由ADE7755电能计量芯片，STC89C52单片机，RS485通信构成的一款单相电子式电能表的设计。此电能表精度高、稳定性好且安全可靠，具有自动故障检测和远程报错等功能，相信此款电能表定能大量减少电力部门的损失。

［1］陈忱，胡薇薇，孙宇锋，等．基于BP-AdaBoost的电子式电能表故障检测方法［J］．电光与控制，2013（4）:72-76．

［2］张鹏．故障电能表数据统计与分析［J］．华北电力技术，2011（4）:47-48，54．

［3］时志娜，董爱华，孙士栋，等．基于芯片ADE7755单相电能计量电路的设计［J］．微计算机信息，2009（26）:203-204，216．

［4］薛琳，王振林，张丽丽，等．ADE7755构成的电能表典型电路外围参数的计算［J］．电子质量，2012（9）:8-11．

［5］李淑娟，李民．ADE7755在电表计量中的应用［J］．科技风，2009（14）:223．

［6］郑子含，刘高平．基于ADE7755的单相电子式电能表设计［J］．微计算机信息，2012（4）:59-61．

［7］陈刚，余红梅．基于ADE7755的智能电子电能计量测控系统设计［J］．佛山科学技术学院学报：自然科学版，2013（1）: 62-65．

［8］周红静．基于RS-485的智能电表通信模块设计与实现［J］．企业技术开发，2009（11）:10-11，36．

Design of an electric energy meter with fault monitoring and remote reporting error function

SHEN Qing，QU Sui-chun，QIU Ai-bing
（College of Electrical Engineering，Nantong University，Nantong 226019，China）

In this paper，we design a power meter with automatic fault monitoring and remote report and error function in the current market．This design using high-precision single-phase electric power measurement chip ADE7755 collection of user and the high reliability of RS485 communication protocol for data transmission，using high performance microcontroller STC89C52 as the electric energy acquisition，fault detection and data transmission circuit control of the core．Construction of the whole electric energy metering circuit composition block diagram，single-phase electric can measuring circuit diagram and software flow chart．Finally，the prototype tests are carried out on the test results were analyzed．The experimental results show that the electric energy metering circuit has high monitoring precision．

electronic energy meter；ADE7755；RS485；single chip microcomputer；fault monitoring；remote reporting

TN-9

A

1674－6236（2016）02-0052-03

2015-07-19稿件编号：201507138

国家自然科学基金项目（61473159）；南通大学大学生创新创业训练计划项目（2014064）

沈 庆（1993—），男，江苏苏州人。研究方向：建筑电气与智能化。