適用于電力計量的制造業(yè)自動化控制系統(tǒng)研究

王 桐

（內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，呼和浩特 010020）

0 引言

抄表監(jiān)控系統(tǒng)中的電子式電能表已向多功能方向發(fā)展，就抄表技術(shù)而言，從最初的手工操作發(fā)展到現(xiàn)在廣泛采用的自動抄表，并從本地抄表發(fā)展到遠(yuǎn)程抄表，延伸自動抄表方向。七八十年代，歐美各國紛紛推出了手持式現(xiàn)場抄表、移動無線抄表、預(yù)付費用電監(jiān)控、遠(yuǎn)程自動抄表等技術(shù)[1]。電度表制造的自動化控制系統(tǒng)主要是利用低壓配電線、電話網(wǎng)、收音機、RS-485或現(xiàn)場總線等通訊媒體，結(jié)合計算機監(jiān)控系統(tǒng)，對用戶的能源數(shù)據(jù)進(jìn)行實時監(jiān)控，執(zhí)行相關(guān)智能處理。以往所使用的是一種基于IC卡的遠(yuǎn)程自動抄表監(jiān)控系統(tǒng)，它通過微電子芯片制成卡片。以通訊接口為基礎(chǔ)設(shè)計的電能計量系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)電能信息的快速采集，但易受諧波干擾，控制效果差。采用低電壓計量控制系統(tǒng)，充分發(fā)揮了低電壓線路覆蓋范圍廣、不需重新布線的優(yōu)點。為此，提出了適用于電力計量的制造業(yè)自動化控制系統(tǒng)研究。根據(jù)用戶的使用情況在電網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行測量，精確度高，功能齊全[2]。還可根據(jù)個人用途進(jìn)行收費，方便了以太網(wǎng)接口的輸出，形成了監(jiān)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體框架設(shè)計

整個系統(tǒng)分為兩層，由監(jiān)控機和儀表組成。Monitor用于監(jiān)視和存儲背景數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)以電表為核心，安裝一臺電表，負(fù)責(zé)電能計量及各種功能的實現(xiàn)，顯示器和功率表通過以太網(wǎng)相連，如圖1所示。

圖1 電力計量制造業(yè)自動化控制系統(tǒng)總體框圖

針對服務(wù)器登錄能力的問題，設(shè)置了3個監(jiān)控機，一個用于后臺數(shù)據(jù)的存儲，一個用于監(jiān)控，一個用于保留。電能表量度N個用戶的單獨用電。該項目主要進(jìn)行電能表的設(shè)計和以太網(wǎng)接口模塊的設(shè)計，電能表還有其他功能：例如，可以查詢用戶的用電量，剩余用電量，提前還款不足報警，非法（即電力設(shè)備、學(xué)校不允許使用）報警，非法關(guān)閉功能，比如延遲顯示電源故障、時間和日期。利用以太網(wǎng)，監(jiān)控機能實時記錄用戶用電情況，并對用戶用電信息進(jìn)行監(jiān)控、記錄等。

為解決多用戶共用照明問題，提出了一種基于N+1用戶充電的電力計量方案。而在長期不使用的情況下，支路電流檢測會自動關(guān)閉，節(jié)省電力。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

功耗測量電路主要包括單片機的基本電路，識別電路，斷電控制電路，功率參數(shù)采集電路，以太網(wǎng)接口電路及其他輔助電路。圖2中顯示了系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.1 MCS-51單片機

P87LPC76是一個新的單片機芯片，它具有20針封裝，與MCS-51系列80C51單片機指令系統(tǒng)相兼容，適合于要求高集成度和低成本的應(yīng)用[3]。圖3顯示了P87LPC76芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

圖3 P87LPC76芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)

加速處理器結(jié)構(gòu)為80C51，指令執(zhí)行速度兩倍于標(biāo)準(zhǔn)80C51單片機；4K字節(jié)OTP程序存儲器，128字節(jié)RAM，32字節(jié)用戶碼區(qū)，可用于存儲序列碼和設(shè)置參數(shù)；16位定時/計數(shù)由兩個精確的模擬比較器組成，可通過外部RC器件實現(xiàn)雙向A/D轉(zhuǎn)換；全雙工通用異步收發(fā)通信接口；可編程I/O端口輸出模式；各口均有20 mA的驅(qū)動能力；最少15個輸入輸出端口[13]。在選擇片上振蕩和片上復(fù)位時，I/O端口的數(shù)目可達(dá)18個[4]。

2.2 微控制器設(shè)計

從電能計量的實際情況看，微控制誤差：1）變壓器誤差；2）A/D轉(zhuǎn)換誤差；3）算法誤差；4）單片機計算的舍入誤差；5）未知誤差[5]。為留出更大的誤差空間，應(yīng)綜合考慮設(shè)備成本、設(shè)備功耗等因素。80C51單片機采用ARM966E-S系列主控制器，這種芯片處理速度極快，資源豐富。80C51具有用戶調(diào)試界面，包括6個串口的JTAG接口。通過JTAG，ICE（輸入驗證裝置——可以插入實驗板，并通過調(diào)試軟件在80C51上調(diào)試。該JTAG允許中心在連接調(diào)試軟件的控制下開始和停止，使用者可以顯示和修改注冊表，儲存內(nèi)容，設(shè)置斷點和查看點。

2.3 電力計量與控制模塊

作為電能測量的先決條件之一，功率參數(shù)的測量非常重要，它直接影響到器件的測量水平。在采樣時使用了高精度的電壓互感器和電流互感器，使器件的測量電平達(dá)到0.5。因為室內(nèi)電流較小，A/D轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓設(shè)計為5V，所以所選擇的變壓器參數(shù)如下：

1）采用電壓型輸出變壓器。

2）變壓器輸入有效電壓為220V，輸出峰值不超過5V。

3）該變流器輸入有效值為5A，輸出峰值不超過5V。

由可自由伸縮的采集控制模塊構(gòu)成多路功率測控系統(tǒng)，每一個模塊包括1～16個自由擴展的采集控制電路，MCU主控電路通過檢測各通道的功率信號，計算出開關(guān)控制指令，發(fā)送到繼電器控制電路。通過RS485總線，單片機主控單元將相關(guān)數(shù)據(jù)和控制信息傳送給上位機，同時接收上位機發(fā)出的相關(guān)數(shù)據(jù)和指令，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程控制。

2.4 電力計量測量電路

在系統(tǒng)前端，采用了模擬器件P87LPC76，功率測量芯片作為功率采集控制器。電能計量芯片P87LPC76是一種適用于單次電能計量的芯片。圖4顯示了電能計量電路的示意圖。

圖4 電力計量測量電路原理

電流和電壓由16位A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后用數(shù)字倍增器計算功率。其工作結(jié)構(gòu)由數(shù)字/頻域轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為高低標(biāo)準(zhǔn)脈沖CF，F(xiàn)1，F(xiàn)2。芯片引腳 CF以高頻模式輸出有功功率瞬時值，用于儀器檢測或與單片機接口。F1、F2芯片以低頻模式輸出有功功率的均值，可直接驅(qū)動機電儀表，用兩相步進(jìn)電機顯示有功功率。

3 軟件功能設(shè)計

3.1 軟件層次設(shè)計

系統(tǒng)的總體設(shè)計采用了3-layer設(shè)計模式，視圖層面向圖形交互處理，在服務(wù)器平臺上部署了業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)管理層，提供支持服務(wù)和管理系統(tǒng)的核心功能機制。圖5顯示了電力計量自動化控制系統(tǒng)軟件層次。

圖5 電力計量自動化控制系統(tǒng)軟件層次

1）視圖生成圖層

視圖生成圖層依據(jù)各個業(yè)務(wù)處理模塊，將計算結(jié)果生成一個面向業(yè)務(wù)的交互內(nèi)容。

2）商業(yè)過程管理

此模塊位于業(yè)務(wù)邏輯層的基層，實現(xiàn)了一種通用的服務(wù)機制來調(diào)用和協(xié)調(diào)各個業(yè)務(wù)處理模塊。

3）商業(yè)邏輯層

（1）抄表部信息管理模塊

以靜態(tài)類型抄表業(yè)務(wù)信息為主，主要包括表段信息、維護信息和調(diào)度信息。

（2）抄表管理模塊

在處理動態(tài)抄表信息過程中，應(yīng)對業(yè)務(wù)管理子模塊和抄表子模塊展開分析。

（3）測控設(shè)備管理模塊是針對測控設(shè)備運行監(jiān)測、故障維修和運行狀態(tài)統(tǒng)計等任務(wù)而設(shè)計的。

將軟件復(fù)用和信息封裝的原則劃分為相對獨立的對象分類，將相對獨立的數(shù)據(jù)處理程序封裝在系統(tǒng)內(nèi)部。涉及外部接口的對象設(shè)計。在此基礎(chǔ)上，得到了一種模塊化程度高、可維護性好、功能可擴展性強的軟件組合架構(gòu)[6]。

3.2 諧波干擾剔除

在實際應(yīng)用過程中，所有電壓和電流波形都包含諧波，因此，諧波干擾剔除可用傅立葉變換方式，將瞬時電壓和電流轉(zhuǎn)換為諧波分量，由此計算諧波分量之和。

上述公式中：V(t)/i(t)分別表示系統(tǒng)瞬時產(chǎn)生的電壓和電流；V0/I0分別表示電壓平均值和電流分量；Vn/In分別表示電壓、電流諧波值；θ1n/θ2n分別表示n次電壓、電流諧波相位角。

瞬時電壓和電流有功功率相乘后得到的有功功率可表示為：

式(3)中：P1/P2分別表示基波分量功率和諧波分量功率。

在式(4)中：V1/I1分別表示通過內(nèi)差動輸入電壓值和電流值。

MCS-51單片機輸出高頻CF（輸出頻率可高達(dá)F1、F2），在負(fù)載穩(wěn)定的情況下，CF仍能輸出較高的頻率，且輸出頻率能隨時間變化，其原因在于在實現(xiàn)頻率轉(zhuǎn)換過程中，瞬時有功功率的累積時間較短。在使用CF驗證時，需要進(jìn)一步平均頻率計數(shù)器的輸出頻率，以消除諧波。

4 仿真實驗

為了驗證適用于電力計量的制造業(yè)自動化控制系統(tǒng)研究合理性，進(jìn)行仿真實驗驗證分析。

4.1 集成開發(fā)環(huán)境

在ADS1.2集成開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行系統(tǒng)的編程和調(diào)試，所謂的ARM開發(fā)Suite，是由ARM公司推出的新一代綜合開發(fā)工具。目前ADS的成熟版為1.2，替代了ADS的早期1.1和ADS1，Windows95和windowsnt4操作系統(tǒng)都可以安裝。

4.2 系統(tǒng)裝置實驗運行

針對實驗室的實際情況，對儀器進(jìn)行了實驗測試，安培計采用0.2級儀器，安培計的測試接線如圖6所示。

圖6 測試連接圖

通過大量的測量，獲得了實驗數(shù)據(jù)。實驗采用純阻抗負(fù)載法，在0-2A工況下，由于純阻抗的功率因數(shù)為1，可得到10點電流值和有功功率。表1為現(xiàn)行數(shù)據(jù)，表2為有功功率數(shù)據(jù)。

表1 電流數(shù)據(jù)測量

表2 有功功率數(shù)據(jù)

4.3 實驗結(jié)果與分析

以電能表運行狀態(tài)為基準(zhǔn)，分別采用基于IC卡遠(yuǎn)程自動抄表監(jiān)控系統(tǒng)、低壓電力計量控制系統(tǒng)和適用于電力計量控制系統(tǒng)分析流經(jīng)電流表的電流和電壓，結(jié)果如圖7所示[7]。

圖7 三種系統(tǒng)電能表分析結(jié)果

由圖7可知：使用適用于電力計量控制系統(tǒng)計量電能表中電壓和電流與實際值基本一致，但其余兩種系統(tǒng)與實際值相差較大，說明使用所設(shè)計系統(tǒng)中剔除諧波干擾技術(shù)起到了重要作用。而其余兩種系統(tǒng)無諧波剔除步驟，存在較大誤差。

基于此，適用于電力計量的制造業(yè)自動化控制系統(tǒng)研究是具有合理性的。

5 結(jié)語

適用于電力計量的制造業(yè)自動化控制系統(tǒng)性能穩(wěn)定，在部署于當(dāng)前海量電力計量信息基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了電量采集集成化管理。通過實驗對比結(jié)果可知，該系統(tǒng)電力計量結(jié)果與實際統(tǒng)計結(jié)果基本一致，保障了系統(tǒng)在未來面對不同計量裝置擴展情況下比原始計量裝置更靈活的擴展性能。