基于ADE7880三相智能电表的设计

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摘 要 以智能三相电度表为研究对象，采用单片机STM32F103VCT6和电能计量芯片ADE7880设计了一款带谐波检测功能的三相电度表，系统介绍了信号调理模块、电能芯片模块及上位机。针对配电网正常负荷情况下的精确计量，提出了分时段计量的远程通信电度表设计方案。

关键词 ADE7880；STM32F103VCT6；精度；谐波

中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）22-0034-02

随着信息化的高速发展和智能电网研究的逐步展开，配电网的电能计量表计也在逐渐适应信息化的发展要求。当前，传统的感应式电表已不能满足电网建设的需求。电子式电度表由于其准确性、可靠性、性价比、功能扩展等方面的优势，已有逐步取代感应式电表的趋势。本文提出了一种基于ade7880的电子式三相智能电表的设计，此外该设计还带有谐波测量功能，可对电网质量进行监测。

1 系统硬件组成以及工作原理

1.1 系统设计及其功能

本系统属于单片机应用系统，配合VC上位机完成显示各种电能参数的功能。其硬件组成主要包括电流电压采样模块、ADE7880最小系统模块、单片机模块、通讯模块、WINCE显示屏模块。该电度表具有以下功能：①实时显示电压，电流，功率等电能参数；②可显示电压电流波形；③可显谐波柱状图；④定时记录电能、电压、电流、功率等参数；⑤日负荷数据趋势图及表格。

1.2 系统总框架

系统结构是系统设计的基础，它包含了系统的硬件设计及软件开发两个部门，是在对系统功能、技术指标以及性价比等各项因素进行可行性分析的基础上，对多个方案权衡比较后确定的。本设计的系统结构框图如图1所示。

系统结构框图由以下几个模块组成：采样模块、ADE7880最小系统模块、单片机模块、RS-232通信模块、RS-485通信模块、WINCE上位机模块等。

采用ADE7880作为电能计量芯片，单片机则为STM32F103VCT6，单片机通过I2C总线配置并读取ADE7880的相关电能参数寄存器通过RS-232总线与上位机进行数据传输，WINCE上位机实时显示计量数据图形并定时存储电能。

1.3 采样电路原理

本文系统设计的采样电路采用的是1：1的电压互感器，具有电路简单，精度高等优点，还能起到很好的隔离作用。Ra和Ca，R1和C25构成抗混叠滤波器，提高采样的精度。其原理如图2。

图2 采样电路原理图

1.4 ADE7880最小系统模块

ADE7880是由美国ADI公司推出的一款高精度电能表芯片，其内部有四个电流通道和三个电压通道。其中，电流通道有四对差分电压输入：IAP，IAN；IBP，IBN；ICP，ICN。其最大的差分信号电压范围为0.5 V。电压通道为单端输入：VAP，VBP以及VCP。此外，ADE880还提供系统校准功能以及三种串行通讯口（I2C 接口、SPI接口以及HSDC接口）。ADE7880的功耗模式如表1所示，其原理图如图3所示。

表1 ADE7880的功耗模式

电源

模式 PM1 PM0 电流消耗 备注

PSM0-

正常

模式 0 1 17mA max 复位RESET引脚只有在PSM0模式下有效

PSM1-

省电

模式 0 0 3mA max 测量三相电流绝对值的平均值

PSM2-

低功耗

模式 1 0 200uA max 提供三相电流采样值和设定门限值进行比较，可以在掉电模式下进行电流检测，实现防窃电

PSM3-

睡眠

模式 1 1 1uA max 电路休眠，配置寄存器保持不变。

2 系统软件设计

本系统软件部分的设计包括单片机软件设计和WINCE系统上位机软件设计，单片机部分完成对ADE7880的数据读取并发送给WINCE上位机；WINCE上位机部分完成界面的制作，数据处理，数据存储等。单片机程序主要由主程序和中断服务子程序两部分组成。主程序是软件结构的主体，主要包括上电自检，按键扫描，LED灯驱动，ADE7880驱动，数据读取及发送。上电时先进行上电自检，ADE7880驱动完成对电能IC的初始化配置，驱动完成后单片机根据上位机发送的命令读取相应的数据并发送，同时LED以灭，亮，闪烁表示运行的各种状态，按键由单片机驱动，检测到被按下时，通过串口发送对应的按键功能码给上位机，上位机接着发送给相应的命令给下位机，通知其该发送何种数据。

3 系统测试数据

该系统的数据在WINCE系统的上位机上显示，主要包括6个界面：菜单界面，计量界面，波形界面，谐波界面，分析，设置界面。

3.1 功能菜单界面

系统开机显示功能菜单界面，用户通过上下键及确定键选择要显示的界面。

图4 功能菜单界面

3.2 计量界面

计量界面实时显示电压，电流有效值及功率瞬时值和当前电能下方的按键功能如F1：返回到菜单界面；F2：三相切换；F3：切换到数据库表格界面；F5：屏幕更新的保持与运行之间切换。

图5 计量界面

3.3 波形界面

屏幕上方显示三相电压及电流的有效值。以不同的颜色标示不同的相，下方的按键功能如F1：返回到菜单界面；F2：三相切换；F3：电流电压界面切换；F5：屏幕更新的保持与运行之间切换。可通过按键对显示进行比例缩放。

图6 波形界面

3.4 谐波界面

屏幕上方显示三相电压及电流的有效值。以不同的颜色标示不同的相，下方的按键功能如F1：返回到菜单界面；F2：三相切换；F3：电流电压界面切换；F5：屏幕更新的保持与运行之间切换。可通过按键对显示进行比例缩放。

图7 谐波界面

4 结论

目前，虽然我国感应式电度表仍占据相当的市场。但随着电网的发展智能电网应用技术的研究，三相智能电表也将得到重点发展。该电度表目前集中应用在发电厂、变电站和各大用户，并将不断扩大到各个普通用户中，必将逐步成为电度表发展的主流，该设计继承了当前市场流行的智能电度表的优点，增加了谐波监测的功能，并在显示界面上做出了更为人性化的设计。

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作者简介

王贝（1988-），男，浙江杭州人，研究方向：电路与系统，工业智能电器。

通信联系人：邵李焕，男，讲师。