摘  要：針對我國鐵路電力機(jī)車發(fā)展對電能計量的準(zhǔn)確性要求越來越高，設(shè)計了基于ADE7753電量測量芯片的電力機(jī)車能耗監(jiān)測終端，利用采樣法對電壓和電流交流參數(shù)進(jìn)行測量，計算消耗電量，并記錄機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)。該裝置對分析機(jī)車能耗、制定節(jié)能措施具有重要的現(xiàn)實意義。
    關(guān)鍵詞：電力機(jī)車；能耗監(jiān)測；ADE7753

    隨著我國鐵路的發(fā)展，電力機(jī)車數(shù)量不斷增加，電能消耗越來越大，對電能計量的準(zhǔn)確性要求越來越高。不僅如此，科學(xué)統(tǒng)計電能消耗、管理和指導(dǎo)司機(jī)的節(jié)能操作也變得十分重要。因此，研制能反映機(jī)車動態(tài)能耗、機(jī)車運(yùn)行操作、機(jī)車質(zhì)量、機(jī)車故障及牽引供電狀態(tài)等關(guān)系的機(jī)車能耗監(jiān)測裝置，在鐵路現(xiàn)場有很大的需求和發(fā)展空間^[1]。
    電力機(jī)車能耗監(jiān)測終端是針對電力機(jī)車使用特點，分析現(xiàn)有機(jī)械式、熱電式和時分割乘法器式電度表不足，研制而成的一種新型電量測量分析裝置，結(jié)合鐵路供電段和機(jī)務(wù)段需求，能對電力機(jī)車能耗進(jìn)行自動、實時、精確的計量，對機(jī)車能耗進(jìn)行分人、分時、分車、分區(qū)段的統(tǒng)計分析的實現(xiàn)提供數(shù)據(jù)保證。本設(shè)計包括電量測量模塊和數(shù)據(jù)處理模塊；采用ADE7753電量測量芯片，利用采樣法對電壓、電流交流參數(shù)進(jìn)行測量；利用大容量的IC卡將采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲至地面數(shù)據(jù)中心，由地面軟件形成各類分析報告。
1 系統(tǒng)設(shè)計
    電力機(jī)車能耗監(jiān)測終端的主要功能是監(jiān)測機(jī)車的能耗消耗、記錄機(jī)車運(yùn)行參數(shù)。其具體的功能如下：(1)電能采集，監(jiān)測機(jī)車的正向有功消耗、正向無功消耗、反向有功消耗和反向無功消耗；(2)采集機(jī)車運(yùn)行參數(shù)，包括年月日、時分秒、公里標(biāo)、實速、車次、機(jī)車號、車站號、區(qū)段號、司機(jī)號、副司機(jī)號、總重、計長和輛數(shù)等信息^[2]，這些參數(shù)為數(shù)據(jù)的記錄提供坐標(biāo)基準(zhǔn)，為地面數(shù)據(jù)軟件的分析提供數(shù)據(jù)來源；(3)數(shù)據(jù)的記錄，按照協(xié)議規(guī)定文件格式記錄存貯在監(jiān)測終端里，能夠連續(xù)記錄最近兩個月電力機(jī)車的數(shù)據(jù)；(4)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)儲和傳輸，利用IC卡存儲方式轉(zhuǎn)儲到地面數(shù)據(jù)中心，地面數(shù)據(jù)分析軟件根據(jù)記錄數(shù)據(jù)實現(xiàn)能耗統(tǒng)計和報表等功能。
    電力機(jī)車能耗監(jiān)測終端主要由機(jī)車電量測量模塊、數(shù)據(jù)記錄處理模塊及連接電纜組成。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

    機(jī)車電量測量模塊利用互感器對機(jī)車原邊電壓、電流進(jìn)行隔離，將強(qiáng)電信號轉(zhuǎn)換為可采集的信號，同時利用電量計量專用芯片ADE7753對信號進(jìn)行采樣，芯片內(nèi)置時分割乘法器通過對信號進(jìn)行積分，計算消耗電量。芯片內(nèi)的V/F變換電路將有功電量轉(zhuǎn)換成校表脈沖。CPU實時讀取計量芯片中電量信息并保存在非易失性存儲器中，同時通過RS485傳輸?shù)綌?shù)據(jù)記錄處理模塊。數(shù)據(jù)記錄處理模塊從電力機(jī)車的X2插座上實時偵聽機(jī)車的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，并將測量模塊傳送過來的電量信息合并到機(jī)車數(shù)據(jù)中，組成一條記錄，定時存儲到非易失性存儲器中。利用大容量的IC卡將這些記錄轉(zhuǎn)儲至地面數(shù)據(jù)中心，地面軟件根據(jù)這些記錄形成各種分析報告。數(shù)據(jù)記錄處理模塊在合并電量信息的同時，將用電信息送到數(shù)碼管顯示。
2 硬件設(shè)計
2.1電源電路設(shè)計
    圖2所示為電源模塊電路圖，其主要功能是為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源，其中DAS2.5-0.5-WES為開關(guān)電源，DCP020505P為隔離電源。電路設(shè)計中充分考慮過流、過壓、浪涌、共模干擾和差模干擾等問題。F1、VR1、VR2實現(xiàn)過流和過壓保護(hù)。L1、L2、C1、C5構(gòu)成差模噪聲濾波器，抑制直流公共電源噪聲耦合，可除去串入電源的外來干擾噪聲，也可以抑制電路自身因電流和電壓變化產(chǎn)生噪聲對鄰近電源的耦合干擾^[3]。L3、C2、C3構(gòu)成共模噪聲濾波器，濾除頻率很高的尖峰脈沖，R1為濾波電容C1、C5的放電電阻。

2.2 電壓電流輸入回路
    電壓電流輸入回路電路將機(jī)車電壓和電流轉(zhuǎn)換成適當(dāng)?shù)碾妷盒盘枺ㄒ笮∮? V），便于電量測量芯片進(jìn)行采樣，如圖3、圖4所示。電路中還包括限流和濾波等輔助電路。電流和電壓信號通過電壓互感器和電流互感器(例如圖3、圖4中的T1和T2)采樣。在設(shè)計時考慮到為適應(yīng)100 V和230 V，將電 壓互感器模塊用電流互感器代替，同樣的互感器只需更換不同的限流電阻即可滿足2種不同的電壓。

2. 3 ADE7753采集電路設(shè)計
    ADE7753是一款帶串行接口和脈沖輸出的高精度電能計量IC。ADE7753包含2個二階∑-Δ ADC、一個數(shù)字積分器（在CH1通道）、參考電壓電路、溫度傳感器以及完成有功功率、無功功率、視在功率測量、數(shù)字校準(zhǔn)以及電流通道和電壓通道有效值（RMS）和峰峰值測量所需要的全部信號處理功能。ADE7753功能框圖如圖5所示。

    通過ADE7753的4～7腳采集電流、電壓互感器的輸出信號，利用內(nèi)置時分割乘法器對信號進(jìn)行計算，并將計算結(jié)果保存在內(nèi)部寄存器中，MCU通過SPI口（ADE7753的17～20腳）將電量讀出。電量計算完畢后，由內(nèi)部的V/F電路轉(zhuǎn)換成頻率輸出，作為計量時的校表脈沖。ADE7753內(nèi)部基準(zhǔn)源電路的溫度系數(shù)典型值為20 ppm/℃，但通常高達(dá)80 ppm/℃。在-20 ℃或+60 ℃情況下，由于80 ppm/℃的溫度系數(shù)使AD7753相對25 ℃標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生的誤差要高達(dá)0.65%^[4]，因此本設(shè)計采用外部精密參考電壓源AD780，該芯片溫度系數(shù)典型值為3 ppm/℃。
3 軟件設(shè)計
    本裝置中電量測量模塊和數(shù)據(jù)處理模塊采用C51單片機(jī)控制。分別控制著各部分功能模塊的串行數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收、數(shù)據(jù)處理和顯示控制等，因此按功能劃分為3個任務(wù)：主控模塊任務(wù)、顯示模塊任務(wù)和上位機(jī)監(jiān)控任務(wù)。如圖6所示。

    主控模塊的任務(wù)包括串行數(shù)據(jù)接收與發(fā)送和數(shù)據(jù)運(yùn)算。顯示模塊任務(wù)包括數(shù)據(jù)的動態(tài)掃描顯示和串行中斷服務(wù)（用來接收并刷新待顯示的電參量）2個子任務(wù)。上位機(jī)監(jiān)控任務(wù)包括串行數(shù)據(jù)的接收與處理，測量結(jié)果的存儲、顯示和打印，用戶任務(wù)設(shè)置等子任務(wù)。上述任務(wù)在劃分時，各子任務(wù)彼此獨(dú)立，具有良好的可讀性，易于維護(hù)和修改。如果用戶有特殊要求，則只需修改或替換某子任務(wù)所對應(yīng)的子程序即可。
    主程序流程圖如圖7所示，主程序流程圖采用的是“信息循環(huán)，事件驅(qū)動”的思想。當(dāng)完成初始化之后，程序開始進(jìn)入循環(huán)模式。當(dāng)單片機(jī)接收到中斷信號時，程序進(jìn)入中斷服務(wù)程序，然后再返回到主程序中。主程序包括自檢程序、中斷服務(wù)程序、掉電數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲程序、通信程序和LCD顯示驅(qū)動程序。

    自檢包括LCD顯示端口、SPI端口和串行端口檢查。該任務(wù)完成后根據(jù)模式選擇CAL信號進(jìn)入正常模式或校準(zhǔn)模式。若進(jìn)入校準(zhǔn)模式，單片機(jī)將校準(zhǔn)系數(shù)通過SPI端口寫入到ADE7753中。當(dāng)單片機(jī)沒有接收到CAL信號時，則進(jìn)入正常模式。這時單片機(jī)初始化I/O口，清除寄存器，向寄存器寫入控制字。然后單片機(jī)開中斷，程序進(jìn)入正常循環(huán)模式，單片機(jī)等待中斷發(fā)生。在本設(shè)計中采用2個中斷。一個中斷是掉電檢測，另一個是定時器中斷。當(dāng)?shù)綦姇r，將單片機(jī)中數(shù)據(jù)存儲在EEPROM中。定時器中斷用來觸發(fā)單片機(jī)讀取ADE7753 ENERGY寄存器的電量值，將結(jié)果乘以校準(zhǔn)系數(shù)，存儲并更新顯示數(shù)據(jù)。
4  測試與結(jié)論
    試驗設(shè)備： GDM-8145數(shù)字萬用表，TPR3002-2可調(diào)DC電源，TDS2012泰克示波器，BX8-22滑動變阻器，DZ601-3B單相電能表檢定裝置。連線圖如圖8所示。

    測試表明，該能耗監(jiān)測終端工作良好，實現(xiàn)了設(shè)計要求的所有功能，精度達(dá)到設(shè)計要求，終端結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定可靠，價格便宜，有良好的市場競爭力。
參考文獻(xiàn)
[1]  唐智慧.智能記錄儀及耗電量評價指導(dǎo)系統(tǒng)[J].交通運(yùn)輸工程與信息學(xué)報,2005,3(4):22-27.
[2]  李鴻劍,劉志坤.電力機(jī)車用電分段計量系統(tǒng)[J].機(jī)車電傳動,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.