適用于電力計量的制造業自動化控制系統研究

　　摘 要：面對傳統基于IC卡遠程自動抄表監控系統、低壓電力計量控制系統受到諧波干擾而出現的控制效果差的問題，提出了適用于電力計量的制造業自動化控制系統研究。根據系統總體框架， 設計硬件結構。使用帶有20針封裝的P87LPC76芯片MCS-51系列單片機，具有高集成度和低 成本性能。選擇ARM966E-S系列主控制器，通過JTAG, ICE (輸入驗證裝置)可以插入實驗 板，調制單片機。設計電力計量測量電路，顯示兩相步進電機工作結果。根據電力計量自動化控制系統軟件層次，計算諧波分量之和，剔除諧波干擾。由實驗結果可知，該系統電壓、 電流計量結果與實際值基本一致，具有良好控制效果。

　　關鍵詞：電力計量;制造業;自動化;控制

　　0 引言

　　抄表監控系統中的電子式電能表已向多功能方向發 展，就抄表技術而言，從最初的手工操作發展到現在廣 泛采用的自動抄表，并從本地抄表發展到遠程抄表，延 伸自動抄表方向。七八十年代，歐美各國紛紛推出了手 持式現場抄表、移動無線抄表、預付費用電監控、遠程自動抄表等技術[1]。

　　電度表制造的自動化控制系統主要 是利用低壓配電線、電話網、收音機、RS-485或現場 總線等通訊媒體，結合計算機監控系統，對用戶的能源 數據進行實時監控，執行相關智能處理。以往所使用的 是一種基于IC卡的遠程自動抄表監控系統，它通過微電 子芯片制成卡片。

　　以通訊接口為基礎設計的電能計量系 統，能夠實現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，充分發揮了低 電壓線路覆蓋范圍廣、不需重新布線的優點。為此，提 出了適用于電力計量的制造業自動化控制系統研究。根 據用戶的使用情況在電網內進行測量，精確度高，功能 齊全[2]。還可根據個人用途進行收費，方便了以太網接 口的輸出，形成了監控系統。

　　1 系統總體框架設計

　　整個系統分為兩層，由監控機和儀表組成。 Monitor用于監視和存儲背景數據，該系統以電表為核心，安裝一臺電表，負責電能計量及各種功能的實現， 顯示器和功率表通過以太網相連。

　　針對服務器登錄能力的問題，設置了3個監控機， 一個用于后臺數據的存儲，一個用于監控，一個用于保 留。電能表量度N個用戶的單獨用電。該項目主要進行 電能表的設計和以太網接口模塊的設計，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(即電力設備、學校不允許使 用)報警，非法關閉功能，比如延遲顯示電源故障、時 間和日期。利用以太網，監控機能實時記錄用戶用電情 況，并對用戶用電信息進行監控、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閉，節省電力。

　　2 系統硬件結構設計

　　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，功率參數采集電路，以太網接口電路及其他輔助電路。

　　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單片機指令系統相兼容， 適合于要求高集成度和低成本的應用[3]。加速處理器結構為80C51，指令執行速度兩倍于 標準80C51單片機;4K字節OTP程序存儲器，128字節 RAM，32字節用戶碼區，可用于存儲序列碼和設置參 數;16位定時/計數由兩個精確的模擬比較器組成，可 通過外部RC器件實現雙向A/D轉換;全雙工通用異步收 發通信接口;可編程I/O端口輸出模式;各口均有20 mA 的驅動能力;最少15個輸入輸出端口[13]。在選擇片上振 蕩和片上復位時，I/O端口的數目可達18個[4]。

　　2.2 微控制器設計

　　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，應綜合考慮設備成本、設備功耗等因素。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，并通過調試軟件在80C51上調 試。該JTAG允許中心在連接調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，儲存內容，設置 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 平達到0.5。因為室內電流較小，A/D轉換器的基準電壓 設計為5V，所以所選擇的變壓器參數如下： 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成多路功率測控 系統，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 出開關控制指令，發送到繼電器控制電路。通過RS485 總線，單片機主控單元將相關數據和控制信息傳送給上 位機，同時接收上位機發出的相關數據和指令，實現了 網絡的遠程控制。

　　2.4 電力計量測量電路

　　在系統前端，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。電流和電壓由16位A/D轉換器轉換為數字信號，然 后用數字倍增器計算功率。其工作結構由數字/頻域轉 換器轉換為高低標準脈沖CF，F1，F2。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， 可直接驅動機電儀表，用兩相步進電機顯示有功功率。

　　3 軟件功能設計

　　3.1 軟件層次設計

　　系統的總體設計采用了3-layer設計模式，視圖層面向圖形交互處理，在服務器平臺上部署了業務邏輯層 和數據管理層，提供支持服務和管理系統的核心功能機 制。1)視圖生成圖層 視圖生成圖層依據各個業務處理模塊，將計算結果 生成一個面向業務的交互內容。 2)商業過程管理 此模塊位于業務邏輯層的基層，實現了一種通用的 服務機制來調用和協調各個業務處理模塊。 3)商業邏輯層 (1)抄表部信息管理模塊 以靜態類型抄表業務信息為主，主要包括表段信 息、維護信息和調度信息。 (2)抄表管理模塊 在處理動態抄表信息過程中，應對業務管理子模塊 和抄表子模塊展開分析。 (3)測控設備管理模塊是針對測控設備運行監 測、故障維修和運行狀態統計等任務而設計的。 將軟件復用和信息封裝的原則劃分為相對獨立的對 象分類，將相對獨立的數據處理程序封裝在系統內部。 涉及外部接口的對象設計。在此基礎上，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[6]。

　　3.2 諧波干擾剔除

　　在實際應用過程中，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換為諧波分量，由此計算諧波分量之和。

　　4 仿真實驗

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

　　4.1 集成開發環境

　　在ADS1.2集成開發環境下進行系統的編程和調 試，所謂的ARM開發Suite，是由ARM公司推出的新 一代綜合開發工具。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 系統都可以安裝。

　　4.2 系統裝置實驗運行 針對實驗室的實際情況，對儀器進行了實驗測試， 安培計采用0.2級儀器。

　　電子測量論文投稿刊物：《電測與儀表》(月刊)創刊于1964年，由中國儀器儀表學會電磁測量信息處理儀器分會主辦。是我國唯一的電工儀器儀表專業核心科技期刊，主要報道電磁參數的測量方法，測量儀器、儀表、測試系統以及非電量測量的電測技術。

　　5 結語

　　適用于電力計量的制造業自動化控制系統性能穩定，在部署于當前海量電力計量信息基礎上，實現了電 量采集集成化管理。通過實驗對比結果可知，該系統電 力計量結果與實際統計結果基本一致，保障了系統在未 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。

　　參考文獻：

　　[1] 房國志,李昂,張曉冰.基于Wiener級數的交流充電樁電能計量方法研究[J].電力系統保護與控制,2018,046(009):155-162.

　　[2] 李學永.考慮風光儲一體化的電能計量模式研究與驗證[J].電測與儀表,2018,55(16):94-99.

　　[3] 劉金碩,劉必為,張密,等.基于GBDT的電力計量設備故障預測 [J].計算機科學,2019,46(z1):392-396.

　　[4] 郭以賀,霍然,劉欣,等.適用于低壓電力線通信的集總參數線纜 模型[J].電力系統自動化,2019,43(02):229-237.

　　作者：王 桐

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