以PL3000單片機為控制核心的集中式智能用電管理系統設計

引言

近年來，我國高等教育規模迅速擴大，在校生成倍增加，而后勤發展相對滯后，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設計方案，本產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，上位計算機將相關用電控制參數傳送到用戶終端，終端系統則根據管理中心設定的參數對用電情況進行實時監控，向管理中心計算機報送計量數據、惡性負載判別等功能，并執行管理中心發送的斷電、供電指令。從而構成整個供電場所的柔性智能管理系統。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）提供有功功率和無功功率瞬時值輸出。

（7）外圍模塊包括LCD驅動、在系統編程、電源電壓監測電路、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，經過內部放大電路放大，通過A/D轉換器轉換成為數字信號；接下來經過數字濾波、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。在計量模塊內部與電壓采樣結果進行乘法處理，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、校表寄存器和數據寄存器四類）地址直接訪問計量模塊內部的寄存器。

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）作電網的功率計量。在實際電網中，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生不利影響。

1.4 通信接口設計

串行數據通信只需要一對數據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的缺點是只能用于短距離的數據通信，通常傳送距離在50m以內，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送狀態，因此，發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可以聯網構成分布式系統，其允許最多并聯32臺驅動器和32臺接收器。圖4為由SN75176構成的RS-485通信接口電路。

圖4 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實現電量數據的采集和處理，并通過RS485接口實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、功耗低等技術特點的單片機，它以51為內核，所以可以很方便地用匯編或者C語言來完成程序設計。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，便于今后進一步擴展系統的功能，宿舍中心計算機的軟件由開發工具Visual Basic語言和Access數據庫開發，基本功能有設置電量、查詢、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電量數據和設置時段、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行修正，得到真實的測量值，結合當前時段和費率，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，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。當發現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

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

3 結束語

智能控電系統作為一個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。經過試驗，本文所設計的電能表的各項技術指標均達到國家電能表的技術標準，具有一定的推廣價值和較好的市場前景。