引言

近年來(lái)，我國(guó)高等教育規(guī)模迅速擴(kuò)大，在校生成倍增加，而后勤發(fā)展相對(duì)滯后，高校學(xué)生宿舍用電管理難等問(wèn)題格外突出。一是大量學(xué)生宿舍電量計(jì)費(fèi)仍然停留在老式的電度表計(jì)量階段，計(jì)量精度低，人工抄表效率低、易出錯(cuò)，且對(duì)欠費(fèi)用戶很難有效管理。二是對(duì)學(xué)生使用。電器無(wú)法自動(dòng)識(shí)別，產(chǎn)生很大的安全隱患。因此設(shè)計(jì)一種帶有精確計(jì)量、智能控制、惡性負(fù)載識(shí)別、分時(shí)段限功率送電等功能的智能控電系統(tǒng)有著十分重要的意義。本文給出了采用福星曉程PL3000單片機(jī)的具有上述功能的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，本產(chǎn)品已在本地進(jìn)入了推廣階段。

1 硬件電路設(shè)計(jì)

1.1 控制系統(tǒng)總體方案

每個(gè)用戶端由一個(gè)多功能電表完成用電計(jì)量計(jì)費(fèi)和管理，上位計(jì)算機(jī)將相關(guān)用電控制參數(shù)傳送到用戶終端，終端系統(tǒng)則根據(jù)管理中心設(shè)定的參數(shù)對(duì)用電情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，向管理中心計(jì)算機(jī)報(bào)送計(jì)量數(shù)據(jù)、惡性負(fù)載判別等功能，并執(zhí)行管理中心發(fā)送的斷電、供電指令。從而構(gòu)成整個(gè)供電場(chǎng)所的柔性智能管理系統(tǒng)。其總體方案如圖1所示。

圖1 總體方案

本方案采用北京福星曉程公司開(kāi)發(fā)的多功能電表專用處理器PL3000。該芯片具有以下特點(diǎn)和功能：

（1）內(nèi)嵌增強(qiáng)型8051兼容處理器，配置8/16位ALU、256＋768 bytes SRAM以及8kbytes E2PROM、三個(gè)8/16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)看門(mén)狗定時(shí)器和三個(gè)外部中斷。

（2）超級(jí)指令流水線結(jié)構(gòu)，同等主頻情況下8倍速于標(biāo)準(zhǔn)8051微處理器。

（3）內(nèi)置高精度數(shù)字多功能電能計(jì)量單元，計(jì)量精度優(yōu)于0.1％；

（4）電流通道內(nèi)置可編程增益放大器（PGA）

（5）內(nèi)置雙通道電流采樣、正/負(fù)功指示數(shù)字邏輯電路，具有防竊電功能。

（6）提供有功功率和無(wú)功功率瞬時(shí)值輸出。

（7）外圍模塊包括LCD驅(qū)動(dòng)、在系統(tǒng)編程、電源電壓監(jiān)測(cè)電路、雙通道ISO7816接口、實(shí)時(shí)鐘。

該芯片集成了豐富的功能模塊，外部只需少量的輔助元件即可完成所有功能，達(dá)到了整機(jī)低成本、高可靠的要求。電表設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖2 電表設(shè)計(jì)框圖

1.2 電流電壓互感器采樣電路

其工作原理是：首先，通過(guò)電流互感器CT、電壓互感器PT對(duì)電流、電壓采樣，采樣電路如圖3所示；采樣后直接送入IC引腳，經(jīng)過(guò)內(nèi)部放大電路放大，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號(hào)；接下來(lái)經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波、移相等處理；最終，得到有效的電能計(jì)量數(shù)據(jù)。從而完成對(duì)有功/無(wú)功功率、瞬時(shí)電流和電壓的有效值以及當(dāng)前的交流頻率值的計(jì)量、計(jì)算。

圖3計(jì)量電路可以由軟件來(lái)控制采樣兩路電流信號(hào)中的某一路。在計(jì)量模塊內(nèi)部與電壓采樣結(jié)果進(jìn)行乘法處理，計(jì)算得到有功功率、無(wú)功功率。計(jì)量模塊與8051之間是并行通訊，通過(guò)寄存器以及中斷進(jìn)行控制。PL3200內(nèi)部的嵌入式微處理器8051可以通過(guò)特殊功能寄存器（SFR，包括控制寄存器、標(biāo)識(shí)寄存器、校表寄存器和數(shù)據(jù)寄存器四類）地址直接訪問(wèn)計(jì)量模塊內(nèi)部的寄存器。

圖3 計(jì)量電路

1.3 有功測(cè)量

電能在物理山可以看成是從電源流向負(fù)載的能量流，在數(shù)學(xué)上等于該時(shí)刻瞬時(shí)電壓值與瞬時(shí)電流值的乘積，將所有瞬時(shí)消耗的乘積在時(shí)間上做積分得到（見(jiàn)下式）：

對(duì)于電壓電流均為正弦信號(hào)的交流電，式（1）等價(jià)成式（2）。

其中U、I分別為交流電壓、電流信號(hào)的有效值，cos為功率因素，然而，式（2）僅適用于電壓電流都是標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)的時(shí)候，若這個(gè)前提不滿足，則不能用式（2）作電網(wǎng)的功率計(jì)量。在實(shí)際電網(wǎng)中，電壓電流信號(hào)基本上都不是只包含50Hz頻率分量的正弦信號(hào)，而是含有很多諸如100Hz、150Hz、200Hz…等的諧波信號(hào)。因此現(xiàn)代電能計(jì)量都仍然使用式（1）來(lái)計(jì)算功率和電能。

PL3000芯片采用了IIR高通濾波器去除電壓電流信號(hào)中的直流信號(hào)，IIR型濾波器的一個(gè)缺點(diǎn)是具有非線性相位的頻響特性，但由于PL3000芯片對(duì)電壓和電流信號(hào)使用同樣的IIR型濾波器，對(duì)電壓電流信號(hào)中的同頻率分量將產(chǎn)生同樣的相位延時(shí)，它們的相角差沒(méi)有改變，因而不會(huì)對(duì)同頻率的電壓電流乘積積分值產(chǎn)生影響，這一點(diǎn)PL3000芯片與其他同類功率計(jì)量芯片不同，高通濾波器將不會(huì)由于非線性相位效應(yīng)對(duì)電能計(jì)量產(chǎn)生不利影響。

1.4 通信接口設(shè)計(jì)

串行數(shù)據(jù)通信只需要一對(duì)數(shù)據(jù)傳送線進(jìn)行信息的傳送，傳送成本較低，特別適用分布式控制系統(tǒng)以及遠(yuǎn)距離通信之中，故本設(shè)計(jì)選擇串行數(shù)據(jù)通信。RS-232C和RS-485接口電路是最常用的接口，RS-232C的缺點(diǎn)是只能用于短距離的數(shù)據(jù)通信，通常傳送距離在50m以內(nèi)，而RS-485可以達(dá)到上千米。RS-485接口在總線上允許連接多達(dá)128個(gè)收發(fā)器，具有良好的抗噪聲干擾性、長(zhǎng)的傳輸距離和多站能力等優(yōu)點(diǎn)，在此我們選用RS-485接口作為用戶端和管理中心的通信接口。RS-485采用平衡發(fā)送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力。加上總線收發(fā)器具有高靈敏度，能檢測(cè)低至200mV的電壓，故傳輸信號(hào)能在千米以外得到恢復(fù)。RS-485采用半雙工工作方式，任何時(shí)候只能有一點(diǎn)處于發(fā)送狀態(tài)，因此，發(fā)送電路須由使能信號(hào)加以控制。RS-485用于多點(diǎn)互連時(shí)非常方便，可以省掉許多信號(hào)線。應(yīng)用RS-485可以聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成分布式系統(tǒng)，其允許最多并聯(lián)32臺(tái)驅(qū)動(dòng)器和32臺(tái)接收器。圖4為由SN75176構(gòu)成的RS-485通信接口電路。

圖4 由SN75176構(gòu)成的RS-485通信接口電路

2 軟件程序設(shè)計(jì)

2.1 軟件設(shè)計(jì)思路

控電終端的軟件主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)電量數(shù)據(jù)的采集和處理，并通過(guò)RS485接口實(shí)現(xiàn)與宿舍管理中心系統(tǒng)軟件的數(shù)據(jù)交換，PL3000是一種具有集成度高、功能豐富、功耗低等技術(shù)特點(diǎn)的單片機(jī)，它以51為內(nèi)核，所以可以很方便地用匯編或者C語(yǔ)言來(lái)完成程序設(shè)計(jì)。在系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中，采用模塊化設(shè)計(jì)方法，為使得程序結(jié)構(gòu)清晰，便于今后進(jìn)一步擴(kuò)展系統(tǒng)的功能，宿舍中心計(jì)算機(jī)的軟件由開(kāi)發(fā)工具Visual Basic語(yǔ)言和Access數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)，基本功能有設(shè)置電量、查詢、統(tǒng)計(jì)、打印、電表參數(shù)設(shè)置和報(bào)警等，如配置讀卡器，則可增加預(yù)繳費(fèi)和余量退費(fèi)功能。

2.2 用戶電量計(jì)量程序設(shè)計(jì)

多功能電表主程序框圖如圖5所示，通信模塊的功能是按照通訊規(guī)約實(shí)現(xiàn)與宿舍管理中心計(jì)算機(jī)的可靠通信，由中心計(jì)算機(jī)系統(tǒng)讀取用戶電量數(shù)據(jù)和設(shè)置時(shí)段、費(fèi)率、惡性負(fù)載和限電等電表參數(shù)。顯示模塊的功能是顯示用戶的峰、平、谷、總電量及時(shí)間、上月電量等信息。計(jì)量模塊與8051之間是并行通訊，MCU可以通過(guò)特殊寄存器地址直接訪問(wèn)計(jì)量模塊內(nèi)部的寄存器，以讀出計(jì)量結(jié)果。然后利用電路常數(shù)對(duì)相應(yīng)的電表參數(shù)進(jìn)行修正，得到真實(shí)的測(cè)量值，結(jié)合當(dāng)前時(shí)段和費(fèi)率，累計(jì)用戶峰、平、谷各時(shí)段的實(shí)際用電量，電量可直接存入Flash存儲(chǔ)器，也可以存入計(jì)算機(jī)中心。

圖5 多功能電表主程序框圖

2.3 惡性負(fù)載識(shí)別設(shè)計(jì)

在高校學(xué)生宿舍等集體用電場(chǎng)所里，惡性負(fù)載通常指熱得快、電飯煲等大功率純阻性用電器，這些電器的使用對(duì)宿舍帶來(lái)極大的安全隱患。惡性負(fù)載的使用，讓線路在瞬間有功功率猛增，并持續(xù)相同的用電功率。而使用電腦等負(fù)載時(shí)，線路在瞬間增大功率，但隨著主機(jī)和顯示器進(jìn)入工作狀態(tài)，線路的總功率會(huì)馬上回落，而且，目前電腦等負(fù)載功率因素通常在0.9左右。因此PL3000可以根據(jù)采樣到負(fù)載線路電壓電流的變化模糊識(shí)別出是否存在惡性負(fù)載。如圖6所示。當(dāng)發(fā)現(xiàn)用戶使用惡性負(fù)載時(shí)，電表即對(duì)用戶進(jìn)行短時(shí)斷電處理，間隔一定時(shí)間后再進(jìn)行試送電，如果已經(jīng)撤銷(xiāo)了惡性負(fù)載，則恢復(fù)正常供電，如果還存在惡性負(fù)載，再進(jìn)行斷電處理，反復(fù)數(shù)次如果還存在惡性負(fù)載則報(bào)告計(jì)算中心，并進(jìn)行長(zhǎng)期斷電。

圖6 軟件設(shè)計(jì)流程圖

另外本系統(tǒng)還可以根據(jù)時(shí)段特別供電，比如夜晚以很小的負(fù)荷量送電，這個(gè)可以根據(jù)作息時(shí)間表來(lái)劃分，每個(gè)時(shí)段都可以設(shè)定不同的用電參數(shù)。

3 結(jié)束語(yǔ)

智能控電系統(tǒng)作為一個(gè)智能型用電管理系統(tǒng)，十分適用于例如高校宿舍的集中式用電管理，配合適當(dāng)?shù)耐ㄓ嵰?guī)約，可以方便地與管理中心計(jì)算機(jī)接口構(gòu)成監(jiān)控管理網(wǎng)絡(luò)。本設(shè)計(jì)方案采用低功耗器件，成本較低，便于集成，可靠性高。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，本文所設(shè)計(jì)的電能表的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到國(guó)家電能表的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，具有一定的推廣價(jià)值和較好的市場(chǎng)前景。