适用于电力计量的制造业自动化控制系统研究

王 桐

（内蒙古电力科学研究院，呼和浩特 010020）

0 引言

抄表监控系统中的电子式电能表已向多功能方向发展，就抄表技术而言，从最初的手工操作发展到现在广泛采用的自动抄表，并从本地抄表发展到远程抄表，延伸自动抄表方向。七八十年代，欧美各国纷纷推出了手持式现场抄表、移动无线抄表、预付费用电监控、远程自动抄表等技术[1]。电度表制造的自动化控制系统主要是利用低压配电线、电话网、收音机、RS-485或现场总线等通讯媒体，结合计算机监控系统，对用户的能源数据进行实时监控，执行相关智能处理。以往所使用的是一种基于IC卡的远程自动抄表监控系统，它通过微电子芯片制成卡片。以通讯接口为基础设计的电能计量系统，能够实现电能信息的快速采集，但易受谐波干扰，控制效果差。采用低电压计量控制系统，充分发挥了低电压线路覆盖范围广、不需重新布线的优点。为此，提出了适用于电力计量的制造业自动化控制系统研究。根据用户的使用情况在电网内进行测量，精确度高，功能齐全[2]。还可根据个人用途进行收费，方便了以太网接口的输出，形成了监控系统。

1 系统总体框架设计

整个系统分为两层，由监控机和仪表组成。Monitor用于监视和存储背景数据，该系统以电表为核心，安装一台电表，负责电能计量及各种功能的实现，显示器和功率表通过以太网相连，如图1所示。

图1 电力计量制造业自动化控制系统总体框图

针对服务器登录能力的问题，设置了3个监控机，一个用于后台数据的存储，一个用于监控，一个用于保留。电能表量度N个用户的单独用电。该项目主要进行电能表的设计和以太网接口模块的设计，电能表还有其他功能：例如，可以查询用户的用电量，剩余用电量，提前还款不足报警，非法（即电力设备、学校不允许使用）报警，非法关闭功能，比如延迟显示电源故障、时间和日期。利用以太网，监控机能实时记录用户用电情况，并对用户用电信息进行监控、记录等。

为解决多用户共用照明问题，提出了一种基于N+1用户充电的电力计量方案。而在长期不使用的情况下，支路电流检测会自动关闭，节省电力。

2 系统硬件结构设计

功耗测量电路主要包括单片机的基本电路，识别电路，断电控制电路，功率参数采集电路，以太网接口电路及其他辅助电路。图2中显示了系统硬件结构框图。

图2 系统硬件结构框图

2.1 MCS-51单片机

P87LPC76是一个新的单片机芯片，它具有20针封装，与MCS-51系列80C51单片机指令系统相兼容，适合于要求高集成度和低成本的应用[3]。图3显示了P87LPC76芯片的内部结构。

图3 P87LPC76芯片内部结构

加速处理器结构为80C51，指令执行速度两倍于标准80C51单片机；4K字节OTP程序存储器，128字节RAM，32字节用户码区，可用于存储序列码和设置参数；16位定时/计数由两个精确的模拟比较器组成，可通过外部RC器件实现双向A/D转换；全双工通用异步收发通信接口；可编程I/O端口输出模式；各口均有20 mA的驱动能力；最少15个输入输出端口[13]。在选择片上振荡和片上复位时，I/O端口的数目可达18个[4]。

2.2 微控制器设计

从电能计量的实际情况看，微控制误差：1）变压器误差；2）A/D转换误差；3）算法误差；4）单片机计算的舍入误差；5）未知误差[5]。为留出更大的误差空间，应综合考虑设备成本、设备功耗等因素。80C51单片机采用ARM966E-S系列主控制器，这种芯片处理速度极快，资源丰富。80C51具有用户调试界面，包括6个串口的JTAG接口。通过JTAG，ICE（输入验证装置——可以插入实验板，并通过调试软件在80C51上调试。该JTAG允许中心在连接调试软件的控制下开始和停止，使用者可以显示和修改注册表，储存内容，设置断点和查看点。

2.3 电力计量与控制模块

作为电能测量的先决条件之一，功率参数的测量非常重要，它直接影响到器件的测量水平。在采样时使用了高精度的电压互感器和电流互感器，使器件的测量电平达到0.5。因为室内电流较小，A/D转换器的基准电压设计为5V，所以所选择的变压器参数如下：

1）采用电压型输出变压器。

2）变压器输入有效电压为220V，输出峰值不超过5V。

3）该变流器输入有效值为5A，输出峰值不超过5V。

由可自由伸缩的采集控制模块构成多路功率测控系统，每一个模块包括1～16个自由扩展的采集控制电路，MCU主控电路通过检测各通道的功率信号，计算出开关控制指令，发送到继电器控制电路。通过RS485总线，单片机主控单元将相关数据和控制信息传送给上位机，同时接收上位机发出的相关数据和指令，实现了网络的远程控制。

2.4 电力计量测量电路

在系统前端，采用了模拟器件P87LPC76，功率测量芯片作为功率采集控制器。电能计量芯片P87LPC76是一种适用于单次电能计量的芯片。图4显示了电能计量电路的示意图。

图4 电力计量测量电路原理

电流和电压由16位A/D转换器转换为数字信号，然后用数字倍增器计算功率。其工作结构由数字/频域转换器转换为高低标准脉冲CF，F1，F2。芯片引脚 CF以高频模式输出有功功率瞬时值，用于仪器检测或与单片机接口。F1、F2芯片以低频模式输出有功功率的均值，可直接驱动机电仪表，用两相步进电机显示有功功率。

3 软件功能设计

3.1 软件层次设计

系统的总体设计采用了3-layer设计模式，视图层面向图形交互处理，在服务器平台上部署了业务逻辑层和数据管理层，提供支持服务和管理系统的核心功能机制。图5显示了电力计量自动化控制系统软件层次。

图5 电力计量自动化控制系统软件层次

1）视图生成图层

视图生成图层依据各个业务处理模块，将计算结果生成一个面向业务的交互内容。

2）商业过程管理

此模块位于业务逻辑层的基层，实现了一种通用的服务机制来调用和协调各个业务处理模块。

3）商业逻辑层

（1）抄表部信息管理模块

以静态类型抄表业务信息为主，主要包括表段信息、维护信息和调度信息。

（2）抄表管理模块

在处理动态抄表信息过程中，应对业务管理子模块和抄表子模块展开分析。

（3）测控设备管理模块是针对测控设备运行监测、故障维修和运行状态统计等任务而设计的。

将软件复用和信息封装的原则划分为相对独立的对象分类，将相对独立的数据处理程序封装在系统内部。涉及外部接口的对象设计。在此基础上，得到了一种模块化程度高、可维护性好、功能可扩展性强的软件组合架构[6]。

3.2 谐波干扰剔除

在实际应用过程中，所有电压和电流波形都包含谐波，因此，谐波干扰剔除可用傅立叶变换方式，将瞬时电压和电流转换为谐波分量，由此计算谐波分量之和。

上述公式中：V(t)/i(t)分别表示系统瞬时产生的电压和电流；V0/I0分别表示电压平均值和电流分量；Vn/In分别表示电压、电流谐波值；θ1n/θ2n分别表示n次电压、电流谐波相位角。

瞬时电压和电流有功功率相乘后得到的有功功率可表示为：

式(3)中：P1/P2分别表示基波分量功率和谐波分量功率。

在式(4)中：V1/I1分别表示通过内差动输入电压值和电流值。

MCS-51单片机输出高频CF（输出频率可高达F1、F2），在负载稳定的情况下，CF仍能输出较高的频率，且输出频率能随时间变化，其原因在于在实现频率转换过程中，瞬时有功功率的累积时间较短。在使用CF验证时，需要进一步平均频率计数器的输出频率，以消除谐波。

4 仿真实验

为了验证适用于电力计量的制造业自动化控制系统研究合理性，进行仿真实验验证分析。

4.1 集成开发环境

在ADS1.2集成开发环境下进行系统的编程和调试，所谓的ARM开发Suite，是由ARM公司推出的新一代综合开发工具。目前ADS的成熟版为1.2，替代了ADS的早期1.1和ADS1，Windows95和windowsnt4操作系统都可以安装。

4.2 系统装置实验运行

针对实验室的实际情况，对仪器进行了实验测试，安培计采用0.2级仪器，安培计的测试接线如图6所示。

图6 测试连接图

通过大量的测量，获得了实验数据。实验采用纯阻抗负载法，在0-2A工况下，由于纯阻抗的功率因数为1，可得到10点电流值和有功功率。表1为现行数据，表2为有功功率数据。

表1 电流数据测量

表2 有功功率数据

4.3 实验结果与分析

以电能表运行状态为基准，分别采用基于IC卡远程自动抄表监控系统、低压电力计量控制系统和适用于电力计量控制系统分析流经电流表的电流和电压，结果如图7所示[7]。

图7 三种系统电能表分析结果

由图7可知：使用适用于电力计量控制系统计量电能表中电压和电流与实际值基本一致，但其余两种系统与实际值相差较大，说明使用所设计系统中剔除谐波干扰技术起到了重要作用。而其余两种系统无谐波剔除步骤，存在较大误差。

基于此，适用于电力计量的制造业自动化控制系统研究是具有合理性的。

5 结语

适用于电力计量的制造业自动化控制系统性能稳定，在部署于当前海量电力计量信息基础上，实现了电量采集集成化管理。通过实验对比结果可知，该系统电力计量结果与实际统计结果基本一致，保障了系统在未来面对不同计量装置扩展情况下比原始计量装置更灵活的扩展性能。