黃相杰,葉茂先
(北京理工大學(xué) 珠海學(xué)院,廣東 珠海 519085)
在平時(shí)我們的生活中,原來廣泛存在的機(jī)械式電能表逐漸被電子式電能表取代。原因歸咎于前者的穩(wěn)定性,精確度,靈敏度,線性動(dòng)態(tài),功耗,防竊電等部分都遠(yuǎn)不如后者。而這些產(chǎn)品大都是單純針對單用戶電能的計(jì)量所設(shè)計(jì)的。為了制作出滿足智慧城市電網(wǎng)提出的“以服務(wù)為導(dǎo)向”的需求趨勢,隨著互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)硬件、軟件的迅猛發(fā)展,數(shù)據(jù)采集與控制設(shè)備在逐步地走向網(wǎng)絡(luò)化,物聯(lián)網(wǎng)中的以太網(wǎng)可以滿足數(shù)據(jù)可靠實(shí)時(shí)的傳輸,直接連接到家庭中的網(wǎng)線就可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳輸,整個(gè)系統(tǒng)分4大功能:
1)多用戶電能計(jì)量,分?jǐn)?shù)段電費(fèi)統(tǒng)計(jì);
2)跳閘、復(fù)電及扣費(fèi);
3)監(jiān)測偷電;
4)無線GPRS短信通知用戶。
設(shè)計(jì)指標(biāo):1)工作電壓:200~240 V;2)被測用戶最大工作電流:20 A;(防偷電部分為 80 A);3)用戶電表常數(shù):3 200 imp/kWh,阻值600μΩ(防偷電部分為 800 imp/kWh,阻值 150 μΩ);4)最小顯示電量精度:0.01(kWh);5)當(dāng)前功率精度:0.1(W);6)當(dāng)月電費(fèi)精度:0.1(元);7)內(nèi)部損耗:10(W)。
圖1為單片機(jī)STC12C5A60S2的多用戶智能電表系統(tǒng)主框架。從MCU部分采集多用戶電量信息,斷電跳閘保護(hù),RFID卡復(fù)電及扣費(fèi),把數(shù)據(jù)信息通過SPI接口實(shí)現(xiàn)上傳至主MCU,主MCU進(jìn)行對數(shù)據(jù)的處理,存貯,處理后的數(shù)據(jù)可以顯示于液晶上,通過按鍵可以在液晶上察看時(shí)間,當(dāng)前電量,當(dāng)前功率,當(dāng)月電費(fèi),分時(shí)段峰、平、谷電費(fèi)單價(jià),RFID卡恢復(fù)用電成功及扣費(fèi)提示信息。主MCU的電量、電費(fèi)通過ENC28J60外圍電路連接以太網(wǎng)上傳實(shí)時(shí)信息到上位機(jī)供電監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控偷電電路為多用戶電表外部連接,當(dāng)發(fā)現(xiàn)偷電情況時(shí)上位機(jī)供電監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)生數(shù)據(jù)異常變化,提示偷電情況信息,便于工作人員及時(shí)處理。無線GPRS短信平臺及時(shí)發(fā)送短信告知用戶停電信息,提前準(zhǔn)備,避免不必要的損失。
硬件如圖1中可知主要分成3部分。
圖1 多用戶智能電表系統(tǒng)總體框圖Fig.1 Multi-user intelligent electric meter system overall diagram
其中主控MCU12C5A60S2負(fù)責(zé)多用戶電量的數(shù)據(jù)采集處理,采集電路如圖2所示,MCU對采集到的每個(gè)用戶電量數(shù)據(jù)進(jìn)行脈沖統(tǒng)計(jì),電能計(jì)量表達(dá)式:
式中 u(t)、i(t)、p(t)分別是順勢電壓、瞬時(shí)電流、瞬時(shí)功率值,所以測量電能的基本方法是將電壓、電流相乘,然后在時(shí)間上再累加(即積分)起來。對于大多數(shù)電子式電能表,電能計(jì)量的原理基本相同,主要包括對電壓和電流的實(shí)時(shí)采樣,將采樣得到的電壓和電流值相乘,計(jì)算出有效值、有功功率。
在此用AD7755計(jì)量芯片,芯片內(nèi)部兩個(gè)ADC對來自電流和電壓傳感器的電壓信號進(jìn)行數(shù)字化。ADE7755的模擬輸入結(jié)構(gòu)具有寬動(dòng)態(tài)范圍,大大簡化了傳感器接口(可以與傳感器直接連接),也簡化了抗混疊濾波器的設(shè)計(jì)。電流通道中的PGA進(jìn)一步簡化了傳感器接口。電流通道中的HPF濾掉電流信號中的直流分量,從而消除了由于電壓或者電流失調(diào)所造成的有功功率計(jì)算上的誤差。
有功功率是從瞬時(shí)功率信號推導(dǎo)計(jì)算出來,瞬時(shí)功率信號是用電流和電壓信號直接相乘得到的。為了得到有功功率分量 (即直流分量),只要對瞬時(shí)功率信號進(jìn)行低通濾波就行了。
圖2 AD7755電量采集原理模塊線路圖Fig.2 AD7755 power acquisition principle module circuit diagram
當(dāng)今現(xiàn)有局域網(wǎng)采用的最通用的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。以太網(wǎng)絡(luò)使用CSMA/CD(載波監(jiān)聽多路訪問及沖突檢測)技術(shù),并以10 M/S的速率運(yùn)行在多種類型的電纜上。以太網(wǎng)與IEEE802·3系列標(biāo)準(zhǔn)相類似。MCU數(shù)據(jù)處理后通過以太網(wǎng)ENC28J60傳輸?shù)缴衔粰C(jī)管理系統(tǒng),如圖3所示。
圖3 數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)ENC28J60傳輸連接圖Fig.3 Datathrough Ethernet ENC28J60 transmission connectiondiagram
以太網(wǎng)通訊系統(tǒng)是基于51內(nèi)核單片機(jī)和ENC28J60網(wǎng)絡(luò)控制芯片的設(shè)計(jì),接口電路采用UTP(無屏蔽雙絞線)RJ-45封裝。51單片機(jī)作為整個(gè)通訊系統(tǒng)的控制處理器,通過SPI串行數(shù)據(jù)接口實(shí)現(xiàn)和ENC28J60網(wǎng)絡(luò)芯片的通訊,并控制ENC28J60芯片相關(guān)寄存器,將單片機(jī)傳送過來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成為基于IEEE802.3網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的數(shù)據(jù)包格式,再通過HR911105A接口最終實(shí)現(xiàn)和網(wǎng)絡(luò)終端的數(shù)據(jù)通信。
監(jiān)測偷電同樣依靠ENC28J60傳輸數(shù)據(jù)到上位機(jī)管理系統(tǒng),上位機(jī)的數(shù)據(jù)庫通過數(shù)據(jù)處理比較可以監(jiān)測到偷電情況。偷電時(shí)主要是在電表的外面支路上進(jìn)行偷電,為此只需要在這個(gè)支路上設(shè)計(jì)出一個(gè)用電接口即可。
在供電局系統(tǒng)進(jìn)行線路整改,維修,用電維護(hù)等特殊情況時(shí)系統(tǒng)可以通過無線GPRS短信平臺及時(shí)告知用戶停電信息,避免不必要的損失,此處我們用sim300三頻段的GSM/GPRS模塊作為發(fā)送平臺。
多用戶電表如圖4,P2,P4,P5為各個(gè)用戶,以此類推擴(kuò)展更多用戶。
主MCU部分包括主程序、按鍵檢測子程序、串口接收處理子程序、串口中斷服務(wù)程序。
圖4 多用戶擴(kuò)展電路Fig.4 Multi-user extended circuit
圖5 主MCU程序流程圖Fig.5 Main MCU program flow chart
二級主機(jī)部分:主程序、GSM短信發(fā)送子程序、定時(shí)器處理子程序。
圖6 從MCU程序流程圖Fig.6 From MCU program flow chart
設(shè)備:萬用表,各種不同功率的用電器,多用戶用電測試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1。
表1 不同用戶用電情況Tab.1 different user electricity supply
經(jīng)過設(shè)計(jì)和試驗(yàn),基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的多功能智慧電表系統(tǒng)不但具有對各多用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),用電管理等功能,而且抄數(shù)即快速又準(zhǔn)確,徹底解決了人工抄表的所有弊病,大大提高了工作效率,點(diǎn)智慧電網(wǎng)做出合理的設(shè)計(jì),具有廣泛應(yīng)用前景。其中的數(shù)字電度表測量精度高,性能穩(wěn)定可靠,不但可以取代老式的齒輪式電度表,還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表及高效數(shù)據(jù)管理,是現(xiàn)代供配電管理不可缺少的用戶電功率計(jì),相信不久將來成為老式電度表的替代產(chǎn)品。更是在電子式電表的基礎(chǔ)上進(jìn)一步設(shè)計(jì)的多用戶電表系統(tǒng)。
在完成作品的過程中,遇到問題還是比較多的,例如方案確定上,初期經(jīng)過了多番的理論分析;電路設(shè)計(jì)上不夠細(xì)心,經(jīng)過多次修正后才成功;面對計(jì)量電能強(qiáng)電部分時(shí),出現(xiàn)燒壞元件的情況;對以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸上花的時(shí)間比較多,通過了大量的查閱資料;在上位機(jī)界面編輯上,專業(yè)知識的不夠顯得比較吃力等。幸好最后在經(jīng)過努力,把問題都一一解決,完成了本次設(shè)計(jì)。
[1]褚大華.電子式電能表[M].北京:中國電力出版社,2009.
[2]史慶武,王艷春.單片機(jī)原理及接口技術(shù)[M].北京:水利水電出版社,2008.
[3]慈新新.無線射頻識別(RFID)系統(tǒng)技術(shù)與應(yīng)用[M].北京:人民郵電出版社,2007.
[4]盛珣華,李潤梅.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)[M].北京:清華大學(xué)出版社,北京交通大學(xué)出版社,2007.
[5]王路群.Java高級程序設(shè)計(jì)[M].北京:中國水利水電出版社,2006.
[6]童詩白,華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:高等教育出版社,2006.
[7]匡松,卓學(xué)鋒.Java程序設(shè)計(jì)[M].北京:中國鐵道出版社,2010.