AMC系列多回路監控單元在智能配電回路中的應用
姚波1 朱 芳1 李曉東2
（1 上海安科瑞電氣有限公司 上海嘉定 201801）
（2 哈爾濱工業大學建筑設計院 黑龍江 哈爾濱市 150090）
摘要： 介紹了AMC系列多回路智能監控單元在智能配電回路中的的應用，將眾多配出回路的測量、計量、開關狀態監測、控制和數字通訊等功能于一體，大大簡化了系統的設計，降低了設備成本，簡化了用戶投資，方便了用戶的使用和檢修。具有功能強大、性價比高、方便用戶使用、節約用戶投資等優點
關鍵字： AMC系列智能監控單元，簡化系統，降低投資，性價比高
0 引言
隨著配電系統的發展，智能配電回路中各種儀表向集成化和網絡化發展的方向是越來越清晰。目前單回路集成化的優勢已經出現，但是對多個回路的集成還未產生。
本文將要介紹的是最新開發的AMC系列多回路智能監控單元在智能配電出線回路中的應用。該系列監控單元主要應用于多個配電出線回路的電參量的監測，它將回路中的母線電壓、多個配出回路的電流、功率、電能和各個回路的開關狀態集中測量、顯示、并通訊輸出，實現了對監控要求較簡單的配電出線回路的集中測量和監視，一個AMC多回路監控單元就能實現上述多個回路的監測功能，大大方便了系統的接線、安裝、調試；節約了用戶的投資，降低了系統成本等優點，必將引領國內外智能配電領域的發展方向，成為智能配電中出線回路監控系統的發展主流。
1 技術背景
在傳統的智能配電出線回路中，要實現對回路中每個負載的各種電參量的全面監測，一般有以下2種組網方式（以三相為例）：
方案1：（圖1）
該方案在三相智能配電出線回路中是比較常見的一種方案。在對配電出線回路負載的監控中，用戶一般需要監控各路負載的各種電參量，包括每路負載的電流、電壓、功率、電能、開關狀態等。因此在設計方案時，針對每種電參量，用戶需要單獨配置可以測量各種電參量的儀表，由圖1可以看到，為了監控每路負載，用戶必須為每路負載配置1個電流表、1個電壓表、1個功率表、1個電能表、1個I/O模塊。而且為了實現網絡化管理，每個儀表還必須是能夠進行通訊的。由圖1 可以看出，用于監測每路三相負載的電測儀表達到5個。采用該方案的缺點是需要多個儀表才能監控每路負載的各種電參量，監控路數越多，使用儀表越多，用戶安裝、維修、管理很不方便。且投資較大。優點是單個儀表出故障不影響對配電回路的其他電參量的監控，測量的精度較高，實時性較強。
圖 1
方案2：（圖2）
該方案在三相智能配電出線回路中也是比較常見的一個方案。該方案較上面方案的先進之處在于，用于監控每個回路電參量的儀表由1個多功能的智能儀表代替了多個儀表，1個多功能儀表集測量電流、電壓、功率、電能和開關量輸入輸出于一體，并可進行組網通訊。該方案的優點是每路負載只需配置1個儀表即可實現對該路負載的所有電參量的測量和控制，組網方便，用戶投資較方案1少，安裝、維護、管理較為方便，測量的精度較高，實時性較強。缺點是一旦儀表出線故障則無法對該負載繼續監控。
圖 2
表 2 技術指標
以上2中方案在智能配電出線回路中是常用的，但是，以上2中方案的缺點是顯而易見的，投資成本太大是一個主要的缺點。且接線、安裝、調試等都不方便。
2 AMC系列智能監控單元技術指標
AMC系列智能監控單元是針對出線回路中一般回路的監控要求，經過充分調研并結合實際需求開發的多回路智能配電監控裝置。該監控單元分為單相和三相2大系列，其型號分類見表1。其技術指標見表2。外型及安裝尺寸見圖3，一般安裝在配電柜內。
表 1
圖 3
3 AMC系列智能監控單元的設計簡介
AMC系列多回路智能監控單元的原理設計上，采用多個電子切換開關+1個電能計量芯片+1個CPU來實現對多個回路的監測。其原理框圖見圖4。
圖 4
核心器件CPU選用飛思卡爾公司的MC9S08AW32型單片機，它是第一款基于高度節能型S08核的器件，片上資源豐富，抗干擾能力突出。內含32K字節用戶程序空間，片上集成2048字節RAM，支持BDM片上調試功能，片內集成看門狗電路。
電能計量芯片采用ADI公司的高精度
三相電能測量芯片ADE7758，適用于各種三相電路（不論三線制或者四線制）中測量有功功率、復功率、視在功率。該IC內嵌了高精度的模數轉換器和固定模式的數字處理信號處理器（DSP），具有數字積分、數字濾波和具有眾多實用電能監測、計量功能，是新一代高性能全數字電能表的理想芯片。
電子開關采用雙四選一的CD4052高速電子開關。在單片機的控制下，實現在不同電流信號之間的高速切換。
多路電流信號經電子開關進入電能芯片，結合母線電壓即可由電能芯片測得多個回路的各種電參量。
4 AMC系列智能監控單元的應用
4.1 典型應用
圖5為AMC系列三相多回路智能監控單元的典型應用圖。在應用中，出線回路中的3個三相負載的所有電參量測量都由1個AMC三相多回路監控單元來實現。并帶有Modbus通訊輸出，供用戶遠程監測和控制。
圖 5
圖6為AMC系列單相多回路智能監控單元的典型應用圖。在應用中，出線回路中的9個單相負載的所有電參量測量都由1個
AMC單相多回路監控單元來實現。并帶有Modbus通訊輸出，供用戶遠程監測和控制。
圖 6
4.2 應用案例
圖7是江蘇某廣電大廈0.4kV低壓配電出線圖。在該設計圖中，每個單相負載的電流測量采用CL72-AI（測量單相電流）表來實現，每個三相負載的電流測量由CL72-AI3
來實現（測量三相電流）。由圖可以看出，
該出線回路總共要使用12個儀表。
圖 7
圖 6
圖8是采用AMC多回路監控單元后，針對圖7系統所做的修改。由圖8可以看出，1個AMC16-1E9代替了9個CL72-AI，1個AMC16-3E3代替了3個CL72-AI3，大大簡化
了系統，并可同時檢測母線電壓、每個出線
圖 8
回路的電能，并可利用通訊接口，實現廣電大廈的內部電能計量、考核、管理。
5結語
AMC系列產品的功能強大，單個儀表能夠測量多個回路負載的多種電參量。對比圖7和圖8兩種設計方案，采用AMC系列多回路智能監控單元，能夠大大簡化系統的設計方案，與傳統方案相比，降低用戶的投資成本，方便了系統的接線、安裝、調試、維護等優點。
參考文獻
[1]上海安科瑞電氣有限公司，AMC系列多回路監控單元選型手冊，2006。
聯系人：董�；�
電話：13451929801 021-69158316
助理：李培培
電話：13636534284
基于ADE7758+MC9S08AW32方案的多回路監控單元的設計
姚波1 涂時亮2
（1 上海安科瑞電氣有限公司 上海嘉定 201801）
（2 復旦大學計算機系單片機實驗室 上海楊浦區 200433）
摘要： 介紹一個基于ADE7758和MC9S08AW32方案的智能監控單元的設計方法，詳細說明了設計原理、硬件構成以及軟件設計的方法，該裝置能夠實現最多3個三相回路（或9個單相回路）、18路開關量信號的監控；結合RS485總線技術及上位機軟件，可實現數據及狀態信息遠傳，滿足低壓配電智能化、網絡化及集成化發展的需求。
關鍵字： 多回路，智能監控單元，RS485
Multi l oop monitoring device based on ADE7758+MC9S08AW32
Yao Bo1 Tu Shi-liang2
（1 SHANG HAI ACREL CO.,LTD JIADING SHANGHAI 201801）
（2 Fudan Universisty YANGPU SHANGHAI 200433）
Abstract : A design of hardware and software platform for multiloop monitoring device based on ADE7758+MC9S08AW32, the design principle , hardware configuration and flow of softwave were described in detail . This device can implement monitor at most 3 loop of 3-phase 4-wire (or 9 single loop) , 18 on-off signal ; with RS485 and PC ,can achieve data and status messages send , meet the evolutive requirment of intelligentize , network and integration in low voltage power distribution.
Key words : multiloop , aptitude monitoring device ,RS485
0 引言
在配電系統領域，智能化和網絡化是一個主流的發展方向，但是在實際使用中，若每一個配電回路都安裝智能化的網絡監測儀表，用戶的硬件投資成本是非常大的，鑒于此，集成化又將是一個發展的方向，即將多個配電回路的電參量測量由一個智能儀表來實現。因此，一種設計先進、可靠性高、測量精度高的多回路智能監控單元的出現，能夠在保證實現用戶測量要求的同時，大大降低用戶的硬件投資成本和使用成本。
本文介紹一種AMC系列多回路智能監控單元（見圖1）的設計方法，最多實現3個三相回路（或9個單相回路）的電參量測量；結合RS485總線技術及上位機軟件，可實現數據及狀態信息遠傳，滿足低壓配電智能化、網絡化及集成化的發展需求。
圖 1 裝置簡圖
1 AMC多回路監控單元技術特點
AMC多回路監控單元主要應用于多個配出回路的電參數的監測，它將回路中的母線電壓、多個配出回路的電流、功率、電能和各個回路的開關狀態集中測量、顯示、并具有通訊輸出，實現了對監控要求較簡單的配電出線回路的集中測量和監視。一個AMC多回路監控單元就能完成實現上述多個回路的監測功能，大大方便了系統的接線、安裝、調試；節約了用戶的投資，降低了系統成本。具體型號及產品功能見表1。
表1 產品型號及功能
型號
功能
應用
單相
AMC16-1I9
9路單相I、ULN、RS485/Modbus
9個單相回路的電參數監測、開關監測、并可實現通訊
AMC16-1E9
9路單相I、ULN、kW、kWh 、RS485/Modbus
AMC16-1E9/K
9路單相I、ULN、kW、kWh、RS485/Modbus、18路DI、1路DO
三相
AMC16-3I3
3路三相I、U、RS485/Modbus
3個三相回路的電參數監測、開關監測、并可實現通訊
AMC16-3E3
3路三相I、U、kW、kWh、RS485/Modbus
AMC16-3E3/K
3路三相I、U、kW、kWh、RS485/Modbus、18路DI、1路DO
2系統結構
整體系統由中央處理單元、電源、交流采樣運算、人機界面、開關量控制、通訊接口模塊等構成，裝置硬件結構如圖2所示。
2.1 中央處理單元 專用電能芯片
中央處理器采用Freescale公司的高性能處理器MC9S08AW32。MC9S08AW32是Freescale公司一款基于S08內核的高度節能性處理器。是第一款認可用于汽車市場的微控制器�？蓱迷诩译姟⑵�、工業控制等高度集成的高性能器件。具有業內最佳的EMC性能。
CPU總線頻率最高可達20MHz，最高運行速率可達40MHz。豐富的片內資源： 32K Flash存儲器，內部時鐘發生器，帶有8個可編程通道的定時器，10位、16通道ADC，雙SCI口、豐富的I/O口、SPI、I2 C等接口，極大地方便了硬件的擴展。并且支持BDM片上調試方式。
2.2 電源
采用的電源模塊為通用+5V開關電源模塊。電路原理見圖3。該電源模塊輸入電壓為AC85V～265V或DC100V～350V，輸入頻率45Hz～60Hz，輸出電壓穩定、故障率小，輸出紋波 <1％，轉換效率≥75％。具有過壓、過流保護。該模塊經實際現場使用，具有很高的穩定性、可靠性和抗干擾能力。
圖 3 電源電路原理
2.3 交流采樣及運算
交流采樣運算單元包括交流采樣和專用電能芯片。
系統的母線電壓經電壓互感器、采樣電路、濾波電路后，電壓信號進入專用電能芯片的電壓通道。
多路負載的各路電流經電流互感器、采樣電路、濾波電路后，電流信號進入高速信號切
換開關的輸入通道。由高速信號切換開關的通斷來控制各路負載的電流信號進入電能芯片的電流通道。
專用電能芯片采用美國ADI公司的高精確度三相電能測量芯片ADE7758。該芯片的測量精度高，功能強大。帶有一個串行口，兩路脈沖輸出，集成了數字積分、參考基準電壓源、溫度敏感元件等，有可用于有功功率、復功率、視在功率、有效值的測量以及以數字方式校正系統誤差(增益、相位和失調等)所必須的信號處理電路。該芯片適用于各種三相電路（不論三線制或者四線制）中測量有功功率、復功率、視在功率。
2.4 人機界面
人機界面采用LED數碼顯示。系統采用2排四位LED數碼管加1排6位數碼管顯示各個回路的電參量，其顯示的數據含義由紅色LED發光二極管指示。其默認顯示方式為循環顯示各個回路的電參量，用戶也可根據實際需要進行設置。電參量的顯示范圍0～9999，并在編程狀態下顯示菜單及參數，見圖4儀表界面。數碼管顯示采用動態掃描方式，其驅動電路使用一片74HC595加三極管構成。
2.5 開關量控制模塊
開關量控制模塊由開關量輸入和告警輸出組成，電路原理見圖5。開關量輸入經光電耦合器連接到CPU。告警輸出由GPIO口經光電耦合器連接到輸出繼電器。開關量輸入共設有18路，分別監測3個三相回路的分閘、合閘狀態。設有1路告警輸出，其告警條件可任意設置，只要滿足一個設定的條件就會輸出告警信號。
2.6 通訊接口模塊
通訊接口模塊采用通用的RS-485、Modbus RTU通訊規約，電路原理見圖6，能實現遙測、遙控、遙信等功能。
圖 6 通訊模塊電路原理
（a）單相儀表界面 （b）三相儀表界面
圖 4 儀表界面
圖 5 開關量模塊電路原理
3 實現功能及原理
本設計的主要目的就是采用單個電能芯片來實現對多個回路負載的電流、電壓、功率、電能等參數的測量�？紤]到成本和性能的要求，本設計采用的方案是1個電能芯片加多個電子開關，來實現對3個三相回路的各種電參量的測量和監測。
該方案的實現方式為，將回路的母線電壓接入電能芯片ADE7758的電壓通道，多路負載的電流通過由電子開關在CPU的控制下進行順序分時切換，使ADE7758能夠分時按順序對各路負載進行電參量的測量及運算，并將所測得的數據由CPU進行各種處理。
監控單元主機結構分為電源、主板和顯示板3大板塊。其中電源板主要是開關電源、通訊和開關量的元器件布置，主板主要是采樣運算電路、CPU及外圍電路等元器件的布置，顯示板主要是顯示電路元器件的布置�？傮w結構采用模塊化設計，可以根據客戶要求增加或減去各種附加功能。
4 軟件設計方法
系統軟件設計包括以下四個部分：主程序、測量控制模塊、顯示模塊及通訊模塊。
主程序完成上電或復位初始化，復位看門狗，任務調度等功能，程序設計流程如圖7所示。
程序初始化包括CPU的 I/O口初始狀態，SPI、I2 C、各種定時器、時鐘的配置，RAM的初始化、各種配置信息的引導。
任務調度主要分為7個任務。1～3---回路1～3的數據采集， 4---電量信息顯示，5---通訊任務，6---故障判斷及輸出，7---電能累積處理。
任務由外部中斷來觸發。
事件標志主要有：編程設置、裝置校準、故障復位及其他信息配置。
中斷主要有：外部中斷1---數據采集，定時器中斷1---LED動態顯示，定時器中斷2---開關監視、故障判斷，軟時鐘RTI---顯示事件標志，通訊中斷---數據接收和發送。
通訊收發處理、顯示和電參量的測量控制均以中斷方式實現，優先級順序為：串口通訊中斷（最高）→顯示中斷→測量控制中斷（最低）。
系統通訊采用標準MODBUS-RTU規約，便于上位機管理軟件設計，與其他網絡儀表組網使用，實現對供配電系統的完整監測。
參考文獻
[1] Freescale，MC9S08AW系列單片機數據手冊[EB/OL]，2006。
[2] Analog Devices，ADE7758數據手冊[EB/OL]，2006。
[3] 劉慧銀、龔光華、王云飛等。Motorola（Freescale）微控制器MC68HC08原理機器嵌入式應用[M]。清華大學出版社，2005年。
[4] 上海安科瑞電氣有限公司，AMC系列多回路監控單元選型手冊[Z]，2006。
[5] 江陰長江斯菲爾電力儀表公司，基于ADE7758+MC68HC908LK24網絡電能儀表的研制[Z]，2004。
作者簡介:
姚波(1981-)，男，大學本科，學士。研究領域為智能配電監控單元及系統。
涂時亮（1947-），男，教授/博士生導師，中國微計算機單片機學會常務理事兼秘書長。研究領域為計算機領域單片機科學技術。
聯系人：董�；�
電話：13451929801 021-69158316
助理：李培培
電話：13636534284
