智能化技術在電氣工程自動化控制電表的運用分析

馬淵

[摘? ? 要 ]本論文主要設計研究智能化技術在電氣工程自動化控制電表中的運用，其主要特點是以STC89C52單片機為核心，實現(xiàn)電能的積算、數(shù)據(jù)的顯示、控制電源的定時開啟關閉，同時具有記憶電路，完成電表信號的讀、寫處理，監(jiān)控電表工作的功能。本文深入的對智能化技術、電氣工程自動化控制的運用深入的分析，剖析了智能電表的電路、時鐘模塊、工作原理等方面，為智能電表的設計與應用提供參考。

[關鍵詞]單片機;電能檢測;智能電表

[中圖分類號]TM76 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2020）08–000–03

Application Analysis of Intelligent Technology in Electric Engineering

Automation Control Ammeter

Ma Yuan

[Abstract]This paper mainly designs and studies the application of intelligent technology in electrical engineering automatic control ammeter. Its main feature is that it takes STC89C52 single chip microcomputer as the core to realize the energy accumulation， data display， control power timing on and off， at the same time， it has the memory circuit， completes the reading and writing processing of the meter signal， and monitors the work of the meter. This paper deeply analyzes the application of intelligent technology and electrical engineering automation control， analyzes the circuit， clock module， working principle and other aspects of intelligent meter， so as to provide reference for the design and application of intelligent meter.

[Keywords]single chip microcomputer; electric energy detection; intelligent meter

1 智能電表的概念

智能電表是科技時代的新產(chǎn)物，能夠進行測量、數(shù)據(jù)處理，測量單元、數(shù)據(jù)處理單元是其重要組成部分。在智能電表這一系統(tǒng)中，它能通過各類型的芯片來進行電能的測量、計算、存儲，并且具有實時監(jiān)控功能和自動控制等功能。與傳統(tǒng)的電能表相比。計量功能是智能電表的最基本的功能，而它本身就是一個電子電表，并且它能夠通過端口與外部時鐘進行通訊。電表誕生于1880年，最早的電表是以電磁感應為基本原理制造而成。為了滿足工業(yè)化和電源管理發(fā)展的需要，電子儀表已經(jīng)出現(xiàn)。基于感應原始電子儀表仍然具有測量的功能，但所述盤的旋轉(zhuǎn)成為一個電脈沖;其次是基于乘數(shù)原理的電子式電能表，數(shù)字倍增器電子儀表具有擴展功能，適用于自動化系統(tǒng)集成等特點，已成為當今電表的主要發(fā)展方向。

目前，智能電表主要分為電感式、電子式和智能型等幾種類型，我國生產(chǎn)的電能表不僅可以滿足地區(qū)和國家的市場需求，而且還有價格優(yōu)勢。因此，中國的電能表在世界各個市場都具有良好的競爭水平。隨著中國電網(wǎng)的不斷智能化，我們對電表等電能計量裝置的要求也在不斷提高。中國的電網(wǎng)技術與國外的相關科技差別不大。同時，它還是低碳經(jīng)濟，可持續(xù)發(fā)展道路的重要部分，因此其發(fā)展前景相當樂觀。與國外同類產(chǎn)品相比，中國智能電表具有完善、規(guī)范、分類單價和控制負荷的功能，均高于其他國家。它更能滿足中國現(xiàn)代智能電網(wǎng)建設的需要。

2 智能電表在智能電網(wǎng)中的應用

從總體上看，智能電表和AMI的建立是智能電網(wǎng)建設的基礎，從功能角度來看，智能電表的系統(tǒng)建設分為5個層次。隨著高級數(shù)據(jù)的收集和需求響應能力的提升，智能計量系統(tǒng)開始進入到高峰時間段。智能電網(wǎng)自動運行速度的提升、能源的節(jié)省、運行成本的把控都依賴AMR和AMI的建設，AMI通過智能電表終端和主站的建設能夠完成雙向計量和通信。在智能電網(wǎng)中智能電網(wǎng)的功能具體表現(xiàn)在以下幾個方面：①結(jié)算和賬務。通過智能電報能夠精準對電網(wǎng)數(shù)據(jù)信息進行處理，在賬務處理方面簡化操作流程。在電力市場環(huán)境下，調(diào)度人員能夠及時轉(zhuǎn)換和調(diào)節(jié)零售商，從而幫助用戶獲取更為精準的數(shù)據(jù)信息。②配網(wǎng)狀態(tài)的運行估計。配網(wǎng)潮流分布信息不夠準確，而出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是信息呈現(xiàn)出網(wǎng)絡分布格局，需要對用戶測試點的測量才能夠獲取數(shù)據(jù)信息，通過大量的數(shù)據(jù)測試和整合管理能夠預估出數(shù)據(jù)信息的精準度。③實現(xiàn)電能質(zhì)量與供電可靠性監(jiān)測。智能電表可以實時監(jiān)控電能質(zhì)量和供電狀態(tài)，及時、準確地應對客戶投訴，并提前采取措施，防止電能質(zhì)量問題的發(fā)生。

3 智能化技術在職能電表中的運用分析

3.1 單片機的方案選擇

方案一：51系列單片機。51單片機是一種基于繼電器控制并整合了其他一些先進的設備以及相關軟件系統(tǒng)所構(gòu)建的一種新型控制器。例如常用到的設備以及軟件有：微型電動機、傳輸電路、信號接收器以及相關控制軟件等。相比于傳統(tǒng)的控制器系統(tǒng)來說，新型控制器主要存在以下特點：反應靈敏、安全性能高、穩(wěn)定性較強、適用范圍廣以及維護性較容易等。

方案二：MSP430單片機。MSP430單片機主要是集成16位功耗、精簡指令，在單片機上具有各種驅(qū)動功能，但是缺點也較為明顯，主要是操作時較為麻煩，不適合較為復雜操作簡單的程序。

因此，從以上方案來看，由于智能電表系統(tǒng)操作較為簡單。所以，在電氣控制系統(tǒng)當中，應當選擇51單片機為系統(tǒng)的單片機方案。

3.2 數(shù)字時鐘方案

數(shù)字時鐘是本設計的最重要的部分，有2種方案可以選擇。

方案一：本方案時鐘芯片DS1302。該芯片的消耗功能較低，且性能較高。能與微控制器同步通信，并能夠以突發(fā)模式傳輸多個字節(jié)的時鐘和RAM數(shù)據(jù)一時間實時時鐘可以提供年、月、日、周、小時、秒，每月可自動調(diào)整不到31d，并具有閏年補償。工作電壓為2.5～5.5 V。它由雙電源供電（主電源和備用電源），或者可以使用備用電源進行設置，該備用電源能夠以精細電流為備用電源充電。

方案二：通過軟件來實現(xiàn)數(shù)字時鐘。該系統(tǒng)主要是通過單片機存儲當中的字節(jié)當中來連接單片機實現(xiàn)數(shù)據(jù)的現(xiàn)實，但是這種方案較為簡單，在每次進行計時都要清零才能進行使用，所以該定時器的精度較低。

基于本設計精度的考慮，這里采用方案一完成數(shù)字時鐘的功能。

3.3 基于單片機的智能電表的設計系統(tǒng)方案

本設計選用ADE7755制作電能檢測模塊。通過選擇兩個電源方案來進行供電，其中包括主電源和備用電源，通過設置相應的電源備用方式來反應該供電方式的充電能力，使其在斷電的情況下也能及時使用。同時采用LCD1602液晶顯示，通過軟件編程可以完成更多的附加功能，對單片的利用率更高，更加能滿足現(xiàn)代生活的需要。其中通過對電表的設計、開館時間的設置來進行對智能電表系統(tǒng)的調(diào)節(jié)。該智能電表主要包含7個方面的功能：電源、時鐘模塊、電能模塊、單片機、LCD顯示屏、鍵盤和繼電器電路即可滿足設計要求。如七部分電路組成：①將電源設為5 V直流電;②時鐘模塊采用DS1302;③電能檢測芯片采用ADE7755;④芯片采用單片機STC89C51;⑤顯示部分采用LCD1602顯示屏來顯示;⑥繼電器電路由三極管和繼電器組成;⑦按鍵用來調(diào)節(jié)時間和定時開關機。

4 系統(tǒng)硬件設計

4.1 單片機設計方案

目前在單片機系統(tǒng)中，主要選擇的是8XC5X的微型芯片控制器。在該芯片當中主要是采用MCS51為內(nèi)核，這個內(nèi)核功能較為齊全，而且性能較為穩(wěn)定，能夠通過單片機進行調(diào)試與編程。如常用的STC89C52單片機的工作原理是通過各種功能的輸入/輸出接口來控制設備執(zhí)行各種指令，作為一種全新的技術手段，其設計的主要目的就是將復雜的操作要求和操作環(huán)境簡單化，并進行合理處理。根據(jù)應用范圍而言，PLC控制器在工業(yè)生產(chǎn)及眾多領域都得到了廣泛的運用，功能強大且效率非常高。

4.2 時鐘日歷芯片設計

DALLAS公司DS1302是一款高性能，低功耗實時時鐘日歷芯片，具有31字節(jié)靜態(tài)RAM、三線接口、與CPU同步通信，以及突發(fā)模式下的多字節(jié)時鐘信號和數(shù)據(jù)RAM。實時時鐘提供秒、分、小時、天、周、月份和年份，每月不到31d可自動調(diào)整，并具有閏年補償。2.5～5.5 V寬工作電壓。雙電源（主電源和備用電源）提供備用電源充電模式，并提供備份充電電流的功能。有雙主用和備用電源引腳，由大電容備用電源（>1F）代替。需要強調(diào)的是DS1302需要使用32.768 KHz晶振。DS1302芯片引腳圖參照圖1。

4.3 電能檢測系統(tǒng)的設計

電量計量電路，作用是檢測IC卡智能電表的用電量。這里測量用電量的傳感器選用ADE7755單相電能計量模塊，它可以將用電量用模塊輸出多少個脈沖數(shù)來表示，如2.5～10 A脈沖數(shù)是6400，也就是指示燈閃6400下就一度電。當電流是2.5 A，電壓是220 V，用電1h的脈沖數(shù)計量如下：電量是220×2.5A×1h=0.55kW·h電，脈沖數(shù)為：0.55×6400=3520個脈沖數(shù)。

5 智能電表使用帶來的收益

①能源用戶的收益。智能電表能夠為用戶提供更為精準的賬務處理信息，并借助精準的用電信息來使得用戶能夠更好地參與到電力市場中，通過調(diào)節(jié)彈性需求來獲取更多收益。②電力公司的收益。打造在智能電表上的智能化計量系統(tǒng)能夠為電力計量、結(jié)算、用戶服務、故障管理、電能質(zhì)量評估提供精準的方案支持。在智能電表的作用下能夠更好地監(jiān)督電力系統(tǒng)運行發(fā)展，及時發(fā)現(xiàn)電力系統(tǒng)的運行問題，提高電力系統(tǒng)停電管理和用戶服務管理效率，減少因為臨時性負債或者停電造成的低壓配電變化。③電力市場效益。通過使用可操作、可調(diào)控的分布式電源能夠提升電網(wǎng)運行的信息響應速度超，從而強化電力市場競爭的可靠性。由于提高了對價格峰值的反應能力和反應價格，也會減少電力供應商運行過程中可能面臨的市場風險?；谥悄苡嬃繑?shù)據(jù)和用戶挖掘數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫技術還能夠幫助電力零售商更好的了解客戶用電需求，根據(jù)用戶的用電需求來生產(chǎn)出有針對的產(chǎn)品。④社會效益和環(huán)境效益。智能計量系統(tǒng)在提升資源、能源利用率方面也起到了十分重要的作用，能夠及時地反映出電力系統(tǒng)的能源消耗情況，促使用戶網(wǎng)絡、家庭自動化系統(tǒng)、供應商系統(tǒng)及時做出反應，在這個過程中不僅能夠節(jié)省資源、能源的消耗。⑤水、汽、熱等方面的收益。在智能電表的作用下還能夠為水、汽、熱等計量表的計算提供更為完善的電力供應支持，實現(xiàn)對各類資源和能源的高效率匯總應用，最終有效提升資源和能源的利用率。

6 總結(jié)

由于設計的LCD智能電表的重點在于軟件程序的設計，本文通過利用電路設計原理圖來對程序進行設計與實現(xiàn)，在研究中通過選擇51單片機、時鐘芯片、顯示器來對該系統(tǒng)進行了設計，在經(jīng)過對系統(tǒng)的仔細分析、軟件調(diào)試、檢查核對后發(fā)現(xiàn)，在智能表系統(tǒng)當中有部分數(shù)值設計不太合理，為了解決這些問題，必須要改善設計過程，通過改善后，只能電表系統(tǒng)通過測控制系統(tǒng)，并為控制系統(tǒng)設定了顯示功能，各項性能穩(wěn)定，基本達到了預期的要求。相信在以后的研究中，隨著專業(yè)知識的拓展和相關研究的加深，這些問題都會得到解決，基于單片機控制的理論研究會越來越完善，單片機控制的智能電梯系統(tǒng)一定會造福人類。

參考文獻

[1] 康華光.電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社，2008.

[2] 王晉凱.簡簡單單學通51單片機開發(fā)[M].北京：清華大學出版社，2014.

[3] 宋雪松.手把手教你學51單片機[M].北京：清華大學出版社，2014.

[4] 吳險峰.51單片機項目教程（C語言版）[M].北京：人民郵電出版社，2016.

[5] 張毅剛.單片機原理及接口技術[M].北京：人民郵電出版社，2016.

[6] 王建.88例學會51單片機[M].北京：中國電力出版社，2014.

[7] 湯嘉立.51單片機C語言輕松入門[M].北京：電子工業(yè)出版社，2016.

[8] 張鑫.單片機原理及應用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2014.

[9] 耿英會.智能化技術在電氣工程自動化控制中的應用[J].科技創(chuàng)新導報，2012（2）：72.

[10] 王悅.淺析智能化技術在電氣工程自動化控制中的應用[J].綠色環(huán)保建材，2017（9）：220.