以PL3000單片機為控制核心的集中式智能用電管理系統(tǒng)設計

引言

近年來，我國高等教育規(guī)模迅速擴大，在校生成倍增加，而后勤發(fā)展相對滯后，高校學生宿舍用電管理難等問題格外突出。一是大量學生宿舍電量計費仍然停留在老式的電度表計量階段，計量精度低，人工抄表效率低、易出錯，且對欠費用戶很難有效管理。二是對學生使用。電器無法自動識別，產(chǎn)生很大的安全隱患。因此設計一種帶有精確計量、智能控制、惡性負載識別、分時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單片機的具有上述功能的控制系統(tǒng)設計方案，本產(chǎn)品已在本地進入了推廣階段。

1 硬件電路設計

1.1 控制系統(tǒng)總體方案

每個用戶端由一個多功能電表完成用電計量計費和管理，上位計算機將相關(guān)用電控制參數(shù)傳送到用戶終端，終端系統(tǒng)則根據(jù)管理中心設定的參數(shù)對用電情況進行實時監(jiān)控，向管理中心計算機報送計量數(shù)據(jù)、惡性負載判別等功能，并執(zhí)行管理中心發(fā)送的斷電、供電指令。從而構(gòu)成整個供電場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發(fā)的多功能電表專用處理器PL3000。該芯片具有以下特點和功能：

（1）內(nèi)嵌增強型8051兼容處理器，配置8/16位ALU、256＋768 bytes SRAM以及8kbytes E2PROM、三個8/16位定時/計數(shù)器，一個看門狗定時器和三個外部中斷。

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

（3）內(nèi)置高精度數(shù)字多功能電能計量單元，計量精度優(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）提供有功功率和無功功率瞬時值輸出。

（7）外圍模塊包括LCD驅(qū)動、在系統(tǒng)編程、電源電壓監(jiān)測電路、雙通道ISO7816接口、實時鐘。

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，達到了整機低成本、高可靠的要求。電表設計框圖如圖2所示。

圖2 電表設計框圖

1.2 電流電壓互感器采樣電路

其工作原理是：首先，通過電流互感器CT、電壓互感器PT對電流、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)過內(nèi)部放大電路放大，通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號；接下來經(jīng)過數(shù)字濾波、移相等處理；最終，得到有效的電能計量數(shù)據(jù)。從而完成對有功/無功功率、瞬時電流和電壓的有效值以及當前的交流頻率值的計量、計算。

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

圖3 計量電路

1.3 有功測量

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

對于電壓電流均為正弦信號的交流電，式（1）等價成式（2）。

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

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

1.4 通信接口設計

串行數(shù)據(jù)通信只需要一對數(shù)據(jù)傳送線進行信息的傳送，傳送成本較低，特別適用分布式控制系統(tǒng)以及遠距離通信之中，故本設計選擇串行數(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可以達到上千米。RS-485接口在總線上允許連接多達128個收發(fā)器，具有良好的抗噪聲干擾性、長的傳輸距離和多站能力等優(yōu)點，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，能檢測低至200mV的電壓，故傳輸信號能在千米以外得到恢復。RS-485采用半雙工工作方式，任何時候只能有一點處于發(fā)送狀態(tài)，因此，發(fā)送電路須由使能信號加以控制。RS-485用于多點互連時非常方便，可以省掉許多信號線。應用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臺驅(qū)動器和32臺接收器。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 軟件程序設計

2.1 軟件設計思路

控電終端的軟件主要用來實現(xiàn)電量數(shù)據(jù)的采集和處理，并通過RS485接口實現(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)特點的單片機，它以51為內(nèi)核，所以可以很方便地用匯編或者C語言來完成程序設計。在系統(tǒng)的軟件設計中，采用模塊化設計方法，為使得程序結(jié)構(gòu)清晰，便于今后進一步擴展系統(tǒng)的功能，宿舍中心計算機的軟件由開發(fā)工具Visual Basic語言和Access數(shù)據(jù)庫開發(fā)，基本功能有設置電量、查詢、統(tǒng)計、打印、電表參數(shù)設置和報警等，如配置讀卡器，則可增加預繳費和余量退費功能。

2.2 用戶電量計量程序設計

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)約實現(xiàn)與宿舍管理中心計算機的可靠通信，由中心計算機系統(tǒng)讀取用戶電量數(shù)據(jù)和設置時段、費率、惡性負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、總電量及時間、上月電量等信息。計量模塊與8051之間是并行通訊，MCU可以通過特殊寄存器地址直接訪問計量模塊內(nèi)部的寄存器，以讀出計量結(jié)果。然后利用電路常數(shù)對相應的電表參數(shù)進行修正，得到真實的測量值，結(jié)合當前時段和費率，累計用戶峰、平、谷各時段的實際用電量，電量可直接存入Flash存儲器，也可以存入計算機中心。

圖5 多功能電表主程序框圖

2.3 惡性負載識別設計

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

圖6 軟件設計流程圖

另外本系統(tǒng)還可以根據(jù)時段特別供電，比如夜晚以很小的負荷量送電，這個可以根據(jù)作息時間表來劃分，每個時段都可以設定不同的用電參數(shù)。

3 結(jié)束語

智能控電系統(tǒng)作為一個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?shù)耐ㄓ嵰?guī)約，可以方便地與管理中心計算機接口構(gòu)成監(jiān)控管理網(wǎng)絡。本設計方案采用低功耗器件，成本較低，便于集成，可靠性高。經(jīng)過試驗，本文所設計的電能表的各項技術(shù)指標均達到國家電能表的技術(shù)標準，具有一定的推廣價值和較好的市場前景。