|
摘要：介紹了一種實時需量監控器的設計方法，采用STM32F103R8T6作為主控芯片，參照最大需量電能表的國家標準（JB/T 7657-1995），給出了關鍵的硬件和軟件的設計方法；監控器經過試用，結果表明能很好的跟蹤負荷需量的實時變化，為用戶的節能降耗起到指導作用。
0引言
國家電力公司針對變壓器容量在315 KVA以上的大工業用戶，規定其基本電費的計算方式可以按照變壓器容量或者最大需量兩種方式進行(兩部制電價)；這兩種計費方式會直接影響基本電費的大小，具體方法分別為：
1）按照固定的變壓器容量計算，
基本電費(月)＝變壓器容量（kVA）×容量電價(元/kVA)；
2）按照用戶每月實際的最大需量計算，
基本電費(月)＝當月需量計費值(kW)×基本電費需量電價(元/kW)；
目前國家新興產業繁多，對于一些當前投資前景較好的領域而言，民營企業在公司前期試運行期間，采用（2）的計價方式會比較有優勢，尤其是在選用變壓器容量較大的情況下這種效果會很突出．但是電力公司對用戶超過需量核準值的5%以上部分，會加倍收取基本電費，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超過和供電局約定值，因此每月都會被加倍收取基本電費；客戶求助于我司，希望尋求一種解決問題的方法。
本文闡述了一種基于Cortex-M3內核的電力負荷實時需量監控器，該產品在實時監測用戶負荷的前提下，可以利用其I/O（開關量輸入/輸出）模塊與接觸器配合實現負荷的監控／預警／控制功能，從而保證系統運行時不超需量運行，提高系統運行的穩定性。為陳述方便，先約定：本文中的實時需量為每分鐘計算所得的最大需量平均值，也稱為瞬時需量。
1產品硬件設計
該產品采用圖1的硬件框架，由單片ST的ARM芯片STM32F103R8T6來完成整體功能設計；
1.1芯片介紹
STM32F103R8T6（32位）采用先進的Cortex-M3內核和哈佛結構，擁有單周期乘法指令和硬件除法指令；外圍端口資源豐富，內部RAM可達48K，FLASH最大可達512K，內核運行速度可達60M，最多可帶９個定時器，多路PWM輸出資源，多個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，內部還帶有多種運行功耗模式，非常適合嵌入式產品的開發。按照上述圖1的硬件設計方案，實時需量監控器主要分為信號采集、顯示模塊、鍵盤處理、通訊接口以及開關量模塊5個部分，鍵盤處理和通訊接口的相關文章介紹的已經比較多了，這里就不再贅述了，簡要介紹一下信號采集、液晶驅動以及開關量輸出模塊的設計。
1.2電壓、電流信號的采集
國內低壓電力系統電壓等級一般為0.4kV，按照電壓等級設計電壓取樣信號，采用PT（2mA/2mA）電阻分壓的方式進行，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，確保采樣信號能毫無保留的進入AD。
1.3液晶驅動電路
監控器采用字段式液晶顯示，驅動芯片采用HT1622,該芯片性能穩定，EMC可靠性高，MCU數據可以成塊寫入驅動，數據交換速度快、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，通過該控制腳實現液晶延時關閉背光。
1.4開關量驅動電路
繼電器屬于功率器件，圖4中驅動電路由NPN三極管完成，三極管左邊的R204和C202是用來吸收DO1引腳上的抖動毛刺，當DO1為高電平時，三極管Q202開通，發射極和集電極壓差很小，繼電器RL202線圈中有電流流過，觸點閉合，DO1+、DO1-連通；當DO1為低電平時，三極管Q202關斷，發射極和集電極壓差接近5V，但此時繼電器RL202線圈中還存在瞬時電流，根據楞次定律，會產生反向電動勢，將通過D202續流耗盡；隨后觸點可靠斷開，DO1+、DO1-不通；
1.5過采樣技術
ST芯片內部自帶12位AD，實際測試下來可以達到9位的精度。對當前的測量儀表而言，顯然是無法滿足要求的。為了在現有條件下實現更好的精度，在本方案中采用了采樣頻率高于Nyquist頻率的過采樣技術。采用過采樣可以降低對抗混疊濾波器性能的設計要求，還可以提高信噪比。
交流采樣信號進入AD采樣之前要進行硬件抗混疊濾波器的設計，其截止頻率為fs/2，添加抗混疊濾波器后高于fs/2的頻率信號都被濾除。進行過采樣時，采樣信號頻域分析中各個頻譜的有效信號相距較遠，由于抗混疊濾波器在截止頻率附近阻帶衰減不夠所產生的混疊效應會減輕，信號恢復之后的失真也會減少。此外量化噪聲均勻分布于直流信號到fs/2的頻譜內。進行過采樣時，量化噪聲分布在直流到Kfs/2的頻譜內，這樣一來分布于直流到fs/2頻譜范圍內的有功噪聲功率也會減小，但對帶寬內有用信號不會有影響，相當于增加了信噪比。
根據ADI公司“數據轉換手冊”中推薦的過采樣理論，每增加一位分辨率，信號必須被以4倍的速率過采樣：其中，w是希望增加的分辨率位數，是初始采樣頻率要求，是過采樣頻率。為了把數值計算精度提高，采用16倍的初始采樣頻率來過采樣，之后按照每16個點計算得到一個初始采樣頻率點的方法得到在初始采樣頻率下的單周期采樣點（一個周波采集64點），經過這樣處理之后理論上可以達到12位的精度，可以較好的滿足0.5級功率精度的要求。按照上述數字過采樣的方法實現，最終得到了在1000：1的動態范圍之內可以實現0.2級的測量精度。
2瞬時需量的算法
參照國家標準“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累加，需量其實就是有功電能在一段時間內的平均功率，這一段時間就是上述標準中所說的滑差窗口(國內最大需量滑差窗口一般取15分鐘)。實時需量的計算方法是：
在MCU內存中開辟一個平均功率數組Dmd[15]，在滑差窗口15分鐘的時間內，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就計算前1分鐘內電能的增值ΔE，再根據ΔE計算出前1分鐘內的平均功率，把這個平均功率放入Dmd[0]，計算數組Dmd[15]中15個數據的平均值，就得到前1分鐘的實時需量。因為開頭數組Dmd[15]中很多數據是0,因此表計帶載后開頭的15分鐘內計算的實時需量不是很準確，但只要15分鐘之后就可以得到每分鐘準確的實時需量了。在得到每分鐘實時需量的基礎上做判據，假如此時用戶負荷飽滿，實時需量已經接近用戶和電力公司約定的最大需量值，監控器就會通過DO1進行相應的報警輸出，用戶可以使用諸如報警指示燈／上位機軟件監控等方式來進行監測預警；瞬時需量算法的流程見圖5，圖6為瞬時需量決定DO動作的流程圖。
3典型應用
產品設計完畢之后在用戶處進行試用（具體接線見圖7），用戶可以根據各自和電力公司簽訂的供用電協議中約定的最大需量限值在表上設置，投入負荷運行之后，儀表實時監測負荷側實際功率輸出值，上電15分鐘之后就會得到第一個準確的瞬時需量（計量單位同功率），之后每隔１分鐘這個瞬時需量就會刷新，表內MCU會根據每次得到的瞬時需量值和用戶設置的報警需量之間進行比較，一旦發現瞬時需量超標，就會通過輸出繼電器進行相應的負荷切除和報警輸出，用戶使用外接報警指示燈的方式來進行監測預警，一旦發現報警事件發生，他們會采取人為或者聯動的方式對某些次要負荷進行切除或者限功率運行，從而避開負荷的峰值功率點；一旦監控功率降下來之后，又可以自動或者手動把負荷投入，從而有效的規避了負荷的峰值功率點，對電力系統的錯峰填谷和節能降耗起到了一定的作用．
參考文獻:
（1）任致程，周中.電力電測數字儀表原理與應用指南[M].北京：中國電力出版社，2007；
（2）周立功，張華《深入淺出ARM7-LPC213x/214x》.
北京：北京航空航天大學出版社，2005；
（3）中華人民共和國機械行業標準 JB/T 7657-1995最大需量電度表 機械工業部哈爾濱電工儀表研究所
|
