學(xué)生公寓電費管理系統設計

　　1 硬件電路設計

　　1.1 控制系統總體方案

　　每個(gè)用戶(hù)端由一個(gè)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)用電控制參數傳送到用戶(hù)終端，終端系統則根據管理中心設定的參數對用電情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監控，向管理中心計算機報送計量數據、惡性負載判別等功能，并執行管理中心發(fā)送的斷電、供電指令。從而構成整個(gè)供電場(chǎng)所的柔性智能管理系統。其總體方案如圖1所示。

　　1.2 多功能電表結構

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

　　(1)內嵌增強型8051兼容處理器，配置8/16位ALU、256+768 bytes SRAM以及8kbytes E2PROM、三個(gè)8/16位定時(shí)/計數器，一個(gè)看門(mén)狗定時(shí)器和三個(gè)外部中斷。

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

　　(3)內置高精度數字多功能電能計量單元，計量精度優(yōu)于0.1%;

　　(4)電流通道內置可編程增益放大器(PGA)

　　(5)內置雙通道電流采樣、正/負功指示數字邏輯電路，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驅動(dòng)、在系統編程、電源電壓監測電路、雙通道IS07816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，達到了整機低成本、高可靠的要求。電表設計框圖如圖2所示。

　　1.3 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)內部放大電路放大，通過(guò) A/D轉換器轉換成為數字信號;接下來(lái)經(jīng)過(guò)數字濾波、移相等處理;最終，得到有效的電能計量數據。從而完成對有功/無(wú)功功率、瞬時(shí)電流和電壓的有效值以及當前的交流頻率值的計量、計算。

　　計量電路可以由軟件來(lái)控制采樣兩路電流信號中的某一路。在計量模塊內部與電壓采樣結果進(jìn)行乘法處理，計算得到有功功率、無(wú)功功率。計量模塊與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、標識寄存器、校表寄存器和數據寄存器四類(lèi))地址直接訪(fǎng)問(wèn)計量模塊內部的寄存器。

　　1.4 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)：

　　其中U、I分別為交流電壓、電流信號的有效值，cosφ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(shí)候，若這個(gè)前提不滿(mǎn)足，則不能用式(2)作電網(wǎng)的功率計量。在實(shí)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。因此現代電能計量都仍然使用式(1)來(lái)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(gè)缺點(diǎn)是具有非線(xiàn)性相位的頻響特性，但由于PL30 00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(shí)，它們的相角差沒(méi)有改變，因而不會(huì )對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(lèi)功率計量芯片不同，高通濾波器將不會(huì )由于非線(xiàn)性相位效應對電能計量產(chǎn)生不利影響。

　　1.5 通信接口設計

　　串行數據通信只需要一對數據傳送線(xiàn)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以及遠距離通信之中，故本設計選擇串行數據通信。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據通信，通常傳送距離在50m以?xún)?，而RS-

　　485可以達到上千米。RS-485接口在總線(xiàn)上允許連接多達128個(gè)收發(fā)器，具有良好的抗噪聲干擾性、長(cháng)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(hù)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(xiàn)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(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，可以省掉許多信號線(xiàn)。應用RS-485可以聯(lián)網(wǎng)構成分布式系統，其允許最多并聯(lián)32臺驅動(dòng)器和32臺接收器。圖4為由SN75176構成的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(lái)實(shí)現電量數據的采集和處理，并通過(guò)RS485接口實(shí)現與宿舍管理中心系統軟件的數據交換，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，它以51為內核，所以可以很方便地用匯編或者C語(yǔ)言來(lái)完成程序設計。在系統的軟件設計中，采用模塊化設計方法，為使得程序結構清晰，便于今后進(jìn)一步擴展系統的功能，宿舍中心計算機的軟件由開(kāi)發(fā)工具Visual Basic語(yǔ)言和Access數據庫開(kāi)發(fā)，基本功能有設置電量、查詢(xún)、統計、打印、電表參數設置和報警等，如配置讀卡器，則可增加預繳費和余量退費功能。

　　2.2 用戶(hù)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約實(shí)現與宿舍管理中心計算機的可靠通信，由中心計算機系統讀取用戶(hù)電量數據和設置時(shí)段、費率、惡性負載和限電等電表參數。顯示模塊的功能是顯示用戶(hù)的峰、平、谷、總電量及時(shí)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(guò)特殊寄存器地址直接訪(fǎng)問(wèn)計量模塊內部的寄存器，以讀出計量結果。然后利用電路常數對相應的電表參數進(jìn)行修正，得到真實(shí)的測量值，結合當前時(shí)段和費率，累計用戶(hù)峰、平、谷各時(shí)段的實(shí)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。

　　2.3 惡性負載識別設計

　　在高校學(xué)生宿舍等集體用電場(chǎng)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(lái)極大的安全隱患。惡性負載的使用，讓線(xiàn)路在瞬間有功功率猛增，并持續相同的用電功率。而使用電腦等負載時(shí)，線(xiàn)路在瞬間增大功率，但隨著(zhù)主機和顯示器進(jìn)入工作狀態(tài)，線(xiàn)路的總功率會(huì )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可以根據采樣到負載線(xiàn)路電壓電流的變化模糊識別出是否存在惡性負載。軟件設計流程圖如圖6所示。當發(fā)現用戶(hù)使用惡性負載時(shí)，電表即對用戶(hù)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)了惡性負載，則恢復正常供電，如果還存在惡性負載，再進(jìn)行斷電處理，反復數次如果還存在惡性負載則報告計算中心，并進(jìn)行長(cháng)期斷電。另外本系統還可以根據時(shí)段特別供電，比如夜晚以很小的負荷量送電，這個(gè)可以根據作息時(shí)間表來(lái)劃分，每個(gè)時(shí)段都可以設定不同的用電參數。

　　3 結束語(yǔ)

　　智能控電系統作為一個(gè)智能型用電管理系統，十分適用于例如高校宿舍的集中式用電管理，配合適當的通訊規約，可以方便地與管理中心計算機接口構成監控管理網(wǎng)絡(luò )。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(guò)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(jià)值和較好的市場(chǎng)前景。