基于ADE7753的电力机车能耗监测终端设计

    摘  要：针对我国铁路电力机车发展对电能计量的准确性要求越来越高，设计了基于ADE7753电量测量芯片的电力机车能耗监测终端，利用采样法对电压和电流交流参数进行测量，计算消耗电量，并记录机车运行状态。该装置对分析机车能耗、制定节能措施具有重要的现实意义。
    关键词：电力机车；能耗监测；ADE7753

    随着我国铁路的发展，电力机车数量不断增加，电能消耗越来越大，对电能计量的准确性要求越来越高。不仅如此，科学统计电能消耗、管理和指导司机的节能操作也变得十分重要。因此，研制能反映机车动态能耗、机车运行操作、机车质量、机车故障及牵引供电状态等关系的机车能耗监测装置，在铁路现场有很大的需求和发展空间^[1]。
    电力机车能耗监测终端是针对电力机车使用特点，分析现有机械式、热电式和时分割乘法器式电度表不足，研制而成的一种新型电量测量分析装置，结合铁路供电段和机务段需求，能对电力机车能耗进行自动、实时、精确的计量，对机车能耗进行分人、分时、分车、分区段的统计分析的实现提供数据保证。本设计包括电量测量模块和数据处理模块；采用ADE7753电量测量芯片，利用采样法对电压、电流交流参数进行测量；利用大容量的IC卡将采集数据转储至地面数据中心，由地面软件形成各类分析报告。
1 系统设计
    电力机车能耗监测终端的主要功能是监测机车的能耗消耗、记录机车运行参数。其具体的功能如下：(1)电能采集，监测机车的正向有功消耗、正向无功消耗、反向有功消耗和反向无功消耗；(2)采集机车运行参数，包括年月日、时分秒、公里标、实速、车次、机车号、车站号、区段号、司机号、副司机号、总重、计长和辆数等信息^[2]，这些参数为数据的记录提供坐标基准，为地面数据软件的分析提供数据来源；(3)数据的记录，按照协议规定文件格式记录存贮在监测终端里，能够连续记录最近两个月电力机车的数据；(4)数据的转储和传输，利用IC卡存储方式转储到地面数据中心，地面数据分析软件根据记录数据实现能耗统计和报表等功能。
    电力机车能耗监测终端主要由机车电量测量模块、数据记录处理模块及连接电缆组成。系统原理框图如图1所示。

    机车电量测量模块利用互感器对机车原边电压、电流进行隔离，将强电信号转换为可采集的信号，同时利用电量计量专用芯片ADE7753对信号进行采样，芯片内置时分割乘法器通过对信号进行积分，计算消耗电量。芯片内的V/F变换电路将有功电量转换成校表脉冲。CPU实时读取计量芯片中电量信息并保存在非易失性存储器中，同时通过RS485传输到数据记录处理模块。数据记录处理模块从电力机车的X2插座上实时侦听机车的运行状态参数，并将测量模块传送过来的电量信息合并到机车数据中，组成一条记录，定时存储到非易失性存储器中。利用大容量的IC卡将这些记录转储至地面数据中心，地面软件根据这些记录形成各种分析报告。数据记录处理模块在合并电量信息的同时，将用电信息送到数码管显示。
2 硬件设计
2.1电源电路设计
    图2所示为电源模块电路图，其主要功能是为系统提供稳定的电源，其中DAS2.5-0.5-WES为开关电源，DCP020505P为隔离电源。电路设计中充分考虑过流、过压、浪涌、共模干扰和差模干扰等问题。F1、VR1、VR2实现过流和过压保护。L1、L2、C1、C5构成差模噪声滤波器，抑制直流公共电源噪声耦合，可除去串入电源的外来干扰噪声，也可以抑制电路自身因电流和电压变化产生噪声对邻近电源的耦合干扰^[3]。L3、C2、C3构成共模噪声滤波器，滤除频率很高的尖峰脉冲，R1为滤波电容C1、C5的放电电阻。

2.2 电压电流输入回路
    电压电流输入回路电路将机车电压和电流转换成适当的电压信号（要求小于1 V），便于电量测量芯片进行采样，如图3、图4所示。电路中还包括限流和滤波等辅助电路。电流和电压信号通过电压互感器和电流互感器(例如图3、图4中的T1和T2)采样。在设计时考虑到为适应100 V和230 V，将电 压互感器模块用电流互感器代替，同样的互感器只需更换不同的限流电阻即可满足2种不同的电压。

2. 3 ADE7753采集电路设计
    ADE7753是一款带串行接口和脉冲输出的高精度电能计量IC。ADE7753包含2个二阶∑-Δ ADC、一个数字积分器（在CH1通道）、参考电压电路、温度传感器以及完成有功功率、无功功率、视在功率测量、数字校准以及电流通道和电压通道有效值（RMS）和峰峰值测量所需要的全部信号处理功能。ADE7753功能框图如图5所示。

    通过ADE7753的4～7脚采集电流、电压互感器的输出信号，利用内置时分割乘法器对信号进行计算，并将计算结果保存在内部寄存器中，MCU通过SPI口（ADE7753的17～20脚）将电量读出。电量计算完毕后，由内部的V/F电路转换成频率输出，作为计量时的校表脉冲。ADE7753内部基准源电路的温度系数典型值为20 ppm/℃，但通常高达80 ppm/℃。在-20 ℃或+60 ℃情况下，由于80 ppm/℃的温度系数使AD7753相对25 ℃标准值产生的误差要高达0.65%^[4]，因此本设计采用外部精密参考电压源AD780，该芯片温度系数典型值为3 ppm/℃。
3 软件设计
    本装置中电量测量模块和数据处理模块采用C51单片机控制。分别控制着各部分功能模块的串行数据的发送与接收、数据处理和显示控制等，因此按功能划分为3个任务：主控模块任务、显示模块任务和上位机监控任务。如图6所示。

    主控模块的任务包括串行数据接收与发送和数据运算。显示模块任务包括数据的动态扫描显示和串行中断服务（用来接收并刷新待显示的电参量）2个子任务。上位机监控任务包括串行数据的接收与处理，测量结果的存储、显示和打印，用户任务设置等子任务。上述任务在划分时，各子任务彼此独立，具有良好的可读性，易于维护和修改。如果用户有特殊要求，则只需修改或替换某子任务所对应的子程序即可。
    主程序流程图如图7所示，主程序流程图采用的是“信息循环，事件驱动”的思想。当完成初始化之后，程序开始进入循环模式。当单片机接收到中断信号时，程序进入中断服务程序，然后再返回到主程序中。主程序包括自检程序、中断服务程序、掉电数据转储程序、通信程序和LCD显示驱动程序。

    自检包括LCD显示端口、SPI端口和串行端口检查。该任务完成后根据模式选择CAL信号进入正常模式或校准模式。若进入校准模式，单片机将校准系数通过SPI端口写入到ADE7753中。当单片机没有接收到CAL信号时，则进入正常模式。这时单片机初始化I/O口，清除寄存器，向寄存器写入控制字。然后单片机开中断，程序进入正常循环模式，单片机等待中断发生。在本设计中采用2个中断。一个中断是掉电检测，另一个是定时器中断。当掉电时，将单片机中数据存储在EEPROM中。定时器中断用来触发单片机读取ADE7753 ENERGY寄存器的电量值，将结果乘以校准系数，存储并更新显示数据。
4  测试与结论
    试验设备： GDM-8145数字万用表，TPR3002-2可调DC电源，TDS2012泰克示波器，BX8-22滑动变阻器，DZ601-3B单相电能表检定装置。连线图如图8所示。

    测试表明，该能耗监测终端工作良好，实现了设计要求的所有功能，精度达到设计要求，终端结构简单，稳定可靠，价格便宜，有良好的市场竞争力。
参考文献
[1]  唐智慧.智能记录仪及耗电量评价指导系统[J].交通运输工程与信息学报,2005,3(4):22-27.
[2]  李鸿剑,刘志坤.电力机车用电分段计量系统[J].机车电传动,2005(2):73-74.
[3]  KEVIN G. Design of locomotive location indicator communication system[J].IEEE AFRICON Conference,2004(7):112-116.
[4]  Analog Devices. A low cost watt-hour energy meter based on the AD7753 [EB/OL]. ,http://www.analog.com/zh/index.html,2003.4.