摘 要：針對我國鐵路電力機車發展對電能計量的準確性要求越來越高，設計了基于ADE7753電量測量芯片的電力機車能耗監測終端，利用采樣法對電壓和電流交流參數進行測量，計算消耗電量，并記錄機車運行狀態。該裝置對分析機車能耗、制定節能措施具有重要的現實意義。
關鍵詞：電力機車；能耗監測；ADE7753
隨著我國鐵路的發展，電力機車數量不斷增加，電能消耗越來越大，對電能計量的準確性要求越來越高。不僅如此，科學統計電能消耗、管理和指導司機的節能操作也變得十分重要。因此，研制能反映機車動態能耗、機車運行操作、機車質量、機車故障及牽引供電狀態等關系的機車能耗監測裝置，在鐵路現場有很大的需求和發展空間[1]。
電力機車能耗監測終端是針對電力機車使用特點，分析現有機械式、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，結合鐵路供電段和機務段需求，能對電力機車能耗進行自動、實時、精確的計量，對機車能耗進行分人、分時、分車、分區段的統計分析的實現提供數據保證。本設計包括電量測量模塊和數據處理模塊；采用ADE7753電量測量芯片，利用采樣法對電壓、電流交流參數進行測量；利用大容量的IC卡將采集數據轉儲至地面數據中心，由地面軟件形成各類分析報告。
1 系統設計
電力機車能耗監測終端的主要功能是監測機車的能耗消耗、記錄機車運行參數。其具體的功能如下：(1)電能采集，監測機車的正向有功消耗、正向無功消耗、反向有功消耗和反向無功消耗；(2)采集機車運行參數，包括年月日、時分秒、公里標、實速、車次、機車號、車站號、區段號、司機號、副司機號、總重、計長和輛數等信息[2]，這些參數為數據的記錄提供坐標基準，為地面數據軟件的分析提供數據來源；(3)數據的記錄，按照協議規定文件格式記錄存貯在監測終端里，能夠連續記錄最近兩個月電力機車的數據；(4)數據的轉儲和傳輸，利用IC卡存儲方式轉儲到地面數據中心，地面數據分析軟件根據記錄數據實現能耗統計和報表等功能。
電力機車能耗監測終端主要由機車電量測量模塊、數據記錄處理模塊及連接電纜組成。系統原理框圖如圖1所示。
機車電量測量模塊利用互感器對機車原邊電壓、電流進行隔離，將強電信號轉換為可采集的信號，同時利用電量計量專用芯片ADE7753對信號進行采樣，芯片內置時分割乘法器通過對信號進行積分，計算消耗電量。芯片內的V/F變換電路將有功電量轉換成校表脈沖。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傳輸到數據記錄處理模塊。數據記錄處理模塊從電力機車的X2插座上實時偵聽機車的運行狀態參數，并將測量模塊傳送過來的電量信息合并到機車數據中，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卡將這些記錄轉儲至地面數據中心，地面軟件根據這些記錄形成各種分析報告。數據記錄處理模塊在合并電量信息的同時，將用電信息送到數碼管顯示。
2 硬件設計
2.1電源電路設計
圖2所示為電源模塊電路圖，其主要功能是為系統提供穩定的電源，其中DAS2.5-0.5-WES為開關電源，DCP020505P為隔離電源。電路設計中充分考慮過流、過壓、浪涌、共模干擾和差模干擾等問題。F1、VR1、VR2實現過流和過壓保護。L1、L2、C1、C5構成差模噪聲濾波器，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生噪聲對鄰近電源的耦合干擾[3]。L3、C2、C3構成共模噪聲濾波器，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車電壓和電流轉換成適當的電壓信號（要求小于1 V），便于電量測量芯片進行采樣，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。在設計時考慮到為適應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、數字校準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，利用內置時分割乘法器對信號進行計算，并將計算結果保存在內部寄存器中，MCU通過SPI口（ADE7753的17～20腳）將電量讀出。電量計算完畢后，由內部的V/F電路轉換成頻率輸出，作為計量時的校表脈沖。ADE7753內部基準源電路的溫度系數典型值為20 ppm/℃，但通常高達80 ppm/℃。在-20 ℃或+60 ℃情況下，由于80 ppm/℃的溫度系數使AD7753相對25 ℃標準值產生的誤差要高達0.65%[4]，因此本設計采用外部精密參考電壓源AD780，該芯片溫度系數典型值為3 ppm/℃。
3 軟件設計
本裝置中電量測量模塊和數據處理模塊采用C51單片機控制。分別控制著各部分功能模塊的串行數據的發送與接收、數據處理和顯示控制等，因此按功能劃分為3個任務：主控模塊任務、顯示模塊任務和上位機監控任務。如圖6所示。
主控模塊的任務包括串行數據接收與發送和數據運算。顯示模塊任務包括數據的動態掃描顯示和串行中斷服務（用來接收并刷新待顯示的電參量）2個子任務。上位機監控任務包括串行數據的接收與處理，測量結果的存儲、顯示和打印，用戶任務設置等子任務。上述任務在劃分時，各子任務彼此獨立，具有良好的可讀性，易于維護和修改。如果用戶有特殊要求，則只需修改或替換某子任務所對應的子程序即可。
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，事件驅動”的思想。當完成初始化之后，程序開始進入循環模式。當單片機接收到中斷信號時，程序進入中斷服務程序，然后再返回到主程序中。主程序包括自檢程序、中斷服務程序、掉電數據轉儲程序、通信程序和LCD顯示驅動程序。
自檢包括LCD顯示端口、SPI端口和串行端口檢查。該任務完成后根據模式選擇CAL信號進入正常模式或校準模式。若進入校準模式，單片機將校準系數通過SPI端口寫入到ADE7753中。當單片機沒有接收到CAL信號時，則進入正常模式。這時單片機初始化I/O口，清除寄存器，向寄存器寫入控制字。然后單片機開中斷，程序進入正常循環模式，單片機等待中斷發生。在本設計中采用2個中斷。一個中斷是掉電檢測，另一個是定時器中斷。當掉電時，將單片機中數據存儲在EEPROM中。定時器中斷用來觸發單片機讀取ADE7753 ENERGY寄存器的電量值，將結果乘以校準系數，存儲并更新顯示數據。
4 測試與結論
試驗設備： GDM-8145數字萬用表，TPR3002-2可調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，該能耗監測終端工作良好，實現了設計要求的所有功能，精度達到設計要求，終端結構簡單，穩定可靠，價格便宜，有良好的市場競爭力。
參考文獻
[1] 唐智慧.智能記錄儀及耗電量評價指導系統[J].交通運輸工程與信息學報,2005,3(4):22-27.
[2] 李鴻劍,劉志坤.電力機車用電分段計量系統[J].機車電傳動,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.