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摘要：介紹了一種實(shí)時(shí)需量監(jiān)控器的設(shè)計(jì)方法，采用STM32F103R8T6作為主控芯片，參照最大需量電能表的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（JB/T 7657-1995），給出了關(guān)鍵的硬件和軟件的設(shè)計(jì)方法；監(jiān)控器經(jīng)過(guò)試用，結(jié)果表明能很好的跟蹤負(fù)荷需量的實(shí)時(shí)變化，為用戶的節(jié)能降耗起到指導(dǎo)作用。
0引言
國(guó)家電力公司針對(duì)變壓器容量在315 KVA以上的大工業(yè)用戶，規(guī)定其基本電費(fèi)的計(jì)算方式可以按照變壓器容量或者最大需量?jī)煞N方式進(jìn)行(兩部制電價(jià))；這兩種計(jì)費(fèi)方式會(huì)直接影響基本電費(fèi)的大小，具體方法分別為：
1）按照固定的變壓器容量計(jì)算，
基本電費(fèi)(月)＝變壓器容量（kVA）×容量電價(jià)(元/kVA)；
2）按照用戶每月實(shí)際的最大需量計(jì)算，
基本電費(fèi)(月)＝當(dāng)月需量計(jì)費(fèi)值(kW)×基本電費(fèi)需量電價(jià)(元/kW)；
目前國(guó)家新興產(chǎn)業(yè)繁多，對(duì)于一些當(dāng)前投資前景較好的領(lǐng)域而言，民營(yíng)企業(yè)在公司前期試運(yùn)行期間，采用（2）的計(jì)價(jià)方式會(huì)比較有優(yōu)勢(shì)，尤其是在選用變壓器容量較大的情況下這種效果會(huì)很突出．但是電力公司對(duì)用戶超過(guò)需量核準(zhǔn)值的5%以上部分，會(huì)加倍收取基本電費(fèi)，客戶苦不堪言，公司目前就有客戶碰到了這樣的情況，每月最大需量總是會(huì)超過(guò)和供電局約定值，因此每月都會(huì)被加倍收取基本電費(fèi)；客戶求助于我司，希望尋求一種解決問(wèn)題的方法。
本文闡述了一種基于Cortex-M3內(nèi)核的電力負(fù)荷實(shí)時(shí)需量監(jiān)控器，該產(chǎn)品在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)用戶負(fù)荷的前提下，可以利用其I/O（開關(guān)量輸入/輸出）模塊與接觸器配合實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的監(jiān)控／預(yù)警／控制功能，從而保證系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)不超需量運(yùn)行，提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。為陳述方便，先約定：本文中的實(shí)時(shí)需量為每分鐘計(jì)算所得的最大需量平均值，也稱為瞬時(shí)需量。
1產(chǎn)品硬件設(shè)計(jì)
該產(chǎn)品采用圖1的硬件框架，由單片ST的ARM芯片STM32F103R8T6來(lái)完成整體功能設(shè)計(jì)；
1.1芯片介紹
STM32F103R8T6（32位）采用先進(jìn)的Cortex-M3內(nèi)核和哈佛結(jié)構(gòu)，擁有單周期乘法指令和硬件除法指令；外圍端口資源豐富，內(nèi)部RAM可達(dá)48K，F(xiàn)LASH最大可達(dá)512K，內(nèi)核運(yùn)行速度可達(dá)60M，最多可帶９個(gè)定時(shí)器，多路PWM輸出資源，多個(gè)SCI、SPI、IIC接口，擁有12通道DMA控制器；IO口可以承受5V電壓輸入，內(nèi)部還帶有多種運(yùn)行功耗模式，非常適合嵌入式產(chǎn)品的開發(fā)。按照上述圖1的硬件設(shè)計(jì)方案，實(shí)時(shí)需量監(jiān)控器主要分為信號(hào)采集、顯示模塊、鍵盤處理、通訊接口以及開關(guān)量模塊5個(gè)部分，鍵盤處理和通訊接口的相關(guān)文章介紹的已經(jīng)比較多了，這里就不再贅述了，簡(jiǎn)要介紹一下信號(hào)采集、液晶驅(qū)動(dòng)以及開關(guān)量輸出模塊的設(shè)計(jì)。
1.2電壓、電流信號(hào)的采集
國(guó)內(nèi)低壓電力系統(tǒng)電壓等級(jí)一般為0.4kV，按照電壓等級(jí)設(shè)計(jì)電壓取樣信號(hào)，采用PT（2mA/2mA）電阻分壓的方式進(jìn)行，分壓電阻RA1/RA2/RA3取100K歐，取樣電阻為690歐，按照400V電壓考慮，圖2中取樣電阻R9兩端峰值電壓為1.414*400*690/300 = 1.3V；ST的AD是單端輸入，因此Vref取1.3V左右，確保采樣信號(hào)能毫無(wú)保留的進(jìn)入AD。
1.3液晶驅(qū)動(dòng)電路
監(jiān)控器采用字段式液晶顯示，驅(qū)動(dòng)芯片采用HT1622,該芯片性能穩(wěn)定，EMC可靠性高，MCU數(shù)據(jù)可以成塊寫入驅(qū)動(dòng)，數(shù)據(jù)交換速度快、效率高。液晶背光是有一定使用壽命的，圖3中BG_CS是MCU液晶背光的控制腳，通過(guò)該控制腳實(shí)現(xiàn)液晶延時(shí)關(guān)閉背光。
1.4開關(guān)量驅(qū)動(dòng)電路
繼電器屬于功率器件，圖4中驅(qū)動(dòng)電路由NPN三極管完成，三極管左邊的R204和C202是用來(lái)吸收DO1引腳上的抖動(dòng)毛刺，當(dāng)DO1為高電平時(shí)，三極管Q202開通，發(fā)射極和集電極壓差很小，繼電器RL202線圈中有電流流過(guò)，觸點(diǎn)閉合，DO1+、DO1-連通；當(dāng)DO1為低電平時(shí)，三極管Q202關(guān)斷，發(fā)射極和集電極壓差接近5V，但此時(shí)繼電器RL202線圈中還存在瞬時(shí)電流，根據(jù)楞次定律，會(huì)產(chǎn)生反向電動(dòng)勢(shì)，將通過(guò)D202續(xù)流耗盡；隨后觸點(diǎn)可靠斷開，DO1+、DO1-不通；
1.5過(guò)采樣技術(shù)
ST芯片內(nèi)部自帶12位AD，實(shí)際測(cè)試下來(lái)可以達(dá)到9位的精度。對(duì)當(dāng)前的測(cè)量?jī)x表而言，顯然是無(wú)法滿足要求的。為了在現(xiàn)有條件下實(shí)現(xiàn)更好的精度，在本方案中采用了采樣頻率高于Nyquist頻率的過(guò)采樣技術(shù)。采用過(guò)采樣可以降低對(duì)抗混疊濾波器性能的設(shè)計(jì)要求，還可以提高信噪比。
交流采樣信號(hào)進(jìn)入AD采樣之前要進(jìn)行硬件抗混疊濾波器的設(shè)計(jì)，其截止頻率為fs/2，添加抗混疊濾波器后高于fs/2的頻率信號(hào)都被濾除。進(jìn)行過(guò)采樣時(shí)，采樣信號(hào)頻域分析中各個(gè)頻譜的有效信號(hào)相距較遠(yuǎn)，由于抗混疊濾波器在截止頻率附近阻帶衰減不夠所產(chǎn)生的混疊效應(yīng)會(huì)減輕，信號(hào)恢復(fù)之后的失真也會(huì)減少。此外量化噪聲均勻分布于直流信號(hào)到fs/2的頻譜內(nèi)。進(jìn)行過(guò)采樣時(shí)，量化噪聲分布在直流到Kfs/2的頻譜內(nèi)，這樣一來(lái)分布于直流到fs/2頻譜范圍內(nèi)的有功噪聲功率也會(huì)減小，但對(duì)帶寬內(nèi)有用信號(hào)不會(huì)有影響，相當(dāng)于增加了信噪比。
根據(jù)ADI公司“數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換手冊(cè)”中推薦的過(guò)采樣理論，每增加一位分辨率，信號(hào)必須被以4倍的速率過(guò)采樣：其中，w是希望增加的分辨率位數(shù)，是初始采樣頻率要求，是過(guò)采樣頻率。為了把數(shù)值計(jì)算精度提高，采用16倍的初始采樣頻率來(lái)過(guò)采樣，之后按照每16個(gè)點(diǎn)計(jì)算得到一個(gè)初始采樣頻率點(diǎn)的方法得到在初始采樣頻率下的單周期采樣點(diǎn)（一個(gè)周波采集64點(diǎn)），經(jīng)過(guò)這樣處理之后理論上可以達(dá)到12位的精度，可以較好的滿足0.5級(jí)功率精度的要求。按照上述數(shù)字過(guò)采樣的方法實(shí)現(xiàn)，最終得到了在1000：1的動(dòng)態(tài)范圍之內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)0.2級(jí)的測(cè)量精度。
2瞬時(shí)需量的算法
參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)“最大需量電能表”（JB/T 7657-1995）得知，有功電能是有功功率的瞬時(shí)累加，需量其實(shí)就是有功電能在一段時(shí)間內(nèi)的平均功率，這一段時(shí)間就是上述標(biāo)準(zhǔn)中所說(shuō)的滑差窗口(國(guó)內(nèi)最大需量滑差窗口一般取15分鐘)。實(shí)時(shí)需量的計(jì)算方法是：
在MCU內(nèi)存中開辟一個(gè)平均功率數(shù)組Dmd[15]，在滑差窗口15分鐘的時(shí)間內(nèi)，每隔1分鐘，把Dmd[13]搬到Dmd[14], Dmd[12]搬到Dmd[13]，以此類推，最后Dmd[0]搬到Dmd[1]，接著MCU就計(jì)算前1分鐘內(nèi)電能的增值ΔE，再根據(jù)ΔE計(jì)算出前1分鐘內(nèi)的平均功率，把這個(gè)平均功率放入Dmd[0]，計(jì)算數(shù)組Dmd[15]中15個(gè)數(shù)據(jù)的平均值，就得到前1分鐘的實(shí)時(shí)需量。因?yàn)殚_頭數(shù)組Dmd[15]中很多數(shù)據(jù)是0,因此表計(jì)帶載后開頭的15分鐘內(nèi)計(jì)算的實(shí)時(shí)需量不是很準(zhǔn)確，但只要15分鐘之后就可以得到每分鐘準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)需量了。在得到每分鐘實(shí)時(shí)需量的基礎(chǔ)上做判據(jù)，假如此時(shí)用戶負(fù)荷飽滿，實(shí)時(shí)需量已經(jīng)接近用戶和電力公司約定的最大需量值，監(jiān)控器就會(huì)通過(guò)DO1進(jìn)行相應(yīng)的報(bào)警輸出，用戶可以使用諸如報(bào)警指示燈／上位機(jī)軟件監(jiān)控等方式來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警；瞬時(shí)需量算法的流程見(jiàn)圖5，圖6為瞬時(shí)需量決定DO動(dòng)作的流程圖。
3典型應(yīng)用
產(chǎn)品設(shè)計(jì)完畢之后在用戶處進(jìn)行試用（具體接線見(jiàn)圖7），用戶可以根據(jù)各自和電力公司簽訂的供用電協(xié)議中約定的最大需量限值在表上設(shè)置，投入負(fù)荷運(yùn)行之后，儀表實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)負(fù)荷側(cè)實(shí)際功率輸出值，上電15分鐘之后就會(huì)得到第一個(gè)準(zhǔn)確的瞬時(shí)需量（計(jì)量單位同功率），之后每隔１分鐘這個(gè)瞬時(shí)需量就會(huì)刷新，表內(nèi)MCU會(huì)根據(jù)每次得到的瞬時(shí)需量值和用戶設(shè)置的報(bào)警需量之間進(jìn)行比較，一旦發(fā)現(xiàn)瞬時(shí)需量超標(biāo)，就會(huì)通過(guò)輸出繼電器進(jìn)行相應(yīng)的負(fù)荷切除和報(bào)警輸出，用戶使用外接報(bào)警指示燈的方式來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警，一旦發(fā)現(xiàn)報(bào)警事件發(fā)生，他們會(huì)采取人為或者聯(lián)動(dòng)的方式對(duì)某些次要負(fù)荷進(jìn)行切除或者限功率運(yùn)行，從而避開負(fù)荷的峰值功率點(diǎn)；一旦監(jiān)控功率降下來(lái)之后，又可以自動(dòng)或者手動(dòng)把負(fù)荷投入，從而有效的規(guī)避了負(fù)荷的峰值功率點(diǎn)，對(duì)電力系統(tǒng)的錯(cuò)峰填谷和節(jié)能降耗起到了一定的作用．
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