梁清华,刘春玲,王俊生 辽宁工学院,锦州121001
目前,对电能的计量正在由模拟表向数字表过渡,但结构上仍采用传统的一户一表的方式。这种方式占地面积大,成本高,人工抄表费工费时。特别是对于向大专院校的学生宿舍、部队营房等,最小用电单位多而集中的情况,这一问题显的更加突出。因此,需要一种集中计量、巡回显示装置以解决这一问题。 本文将介绍利用80c196kc来完成的多路电能集中计量装置,该装置采用了交流采样技术,与直流采样相比,没有直流转换环节,既降低了硬件成本又消除了直流转换环节的精度损失;同时,利用80c196kc的PTS功能控制采样,提高了每周期采样点数,因而又进一步提高了测量精度[1]。为了简化软件算法和回避电压、电流同样采样的困难,采用了分 别在不同周期单独采样电压、电流,然后计算出电压、电流的有效值和功率因数后,再求得功率的方法。这种方法使得程序流程清晰,软件制作容易。 1 测量方法 电能的计算表达式为: W=UIcosΦT 式中 U——电压有效值I——电流有效值cosΦ——功率因数 T——累计时间 电压有效值、电流有效值分别通过对电压互感器、电流互感器二次端瞬时值采样,得到离散值。根据文献[2]采用矩形法计算,其有效值为:
式中 N——一个周期内的采样点数;um、im——第m-1个电压、电流采样值;m——自然数 然后由过零装置测得电网周期和电压与电流的时间差,由下式得到相位差: X=360/TΔt 式中 T——电网的工频周期; Δt——电压与电流的时间差 这样得到的相位差可以克服电网频率波动带来的误差[3]。根据相位角计算功率因数可采用两种方法:(1)计算法,(2)查表法。该系统采用了查表法,考虑到ROM空间有剩余,分辨率为0.5度。 2 硬件构成 系统原理框图如图2-1所示。 系统主要由一台电压互感器和若干台(根据实际情况,每一用户一台)电流互感器,过零电路,单片机及外围电路组成。 2.1 电压、电流互感器 电压互感器完成220V到2V的转换,提供功率计算的电压值。电流互感器完成5A到2V的转换,提供功率计算的电流值。与单片机的连接方式为,电压信号单独连接到一个AD输入口,所有电流信号通过多路开关连接到另一个AD输入口。 2.2 过零电路 过零电路由运算放大器组成。输入为公共的电压信号和各路电流信号,输出共有电压信号正、负脉冲,电流信号正、负脉冲。这4个脉冲分别当输入的电压、电流信号由负变正和由正变负时产生。它们分别接入高速输入口HSI.0、HSI.1,HSI.2,HSI.3。此时HSI定义为中断方式,由IOC0控制。分别用于启动电压采样、计算程序、电流采样、计算程序和相位角测量。 2.3 单片机及外围电路 该系统采用了新型16位单片机80c196kc,它是Intel公司继8097BH、80c196kb后,开发的又一16位高性能CHMOS型单片机。它除了具有80c196的基本功能外,它的最重要的新特征则是具有了PTS(peripheraltransaciton server),被称为外部事物服务器。它对中断可提供一种类似于DMA(直接存储器访问)的响应,它不象一般中断响应使正常的指令流转向中断服务程序、中断调用、保护现场、最后返回,而是直接产生一个PTS周期,插入到正常指令流中,使得CPU在处理中断事物时其开销比一般中断响应要小得多[4]。 PTS的A/D模式利用内部A/D转换结束中断,自动再启动A/D转换,进行连续采样。因此不占用CPU资源,可使CPU有更多的时间处理其他事物。这种方式用于对电力参数进行采样,它可以提高采样频率,使单位时间内采到更多的数据,进而提高测量精度。 另外,扩展了可保持RAM、ROM,及8279等。 3 软件设计 3.1 程序结构 整个程序可分为3部分:主程序、HSI中断服务程序和可供主程序和中断服务程序调用的若干公共子程序。 主程序完成系统初始化,包括PTS、8279初始化,HSI口初始化,堆栈指针设置等,最后完成显示、打印功能。流程图如图3-1。
HSI中断服务程序由4个程序模块组成,即电压正过零服务程序,电压负过零服务程序;电流正过零服务程序,电流负过零服务程序。电压正过零服务 程序首先记录电压正过零时间,然后完成电压信号的采样。电压负过零服务程序首先记录电压信号负过零时间,然后计算电压有效值和电网周期;电流正过零服务程序完成记录正电流过零时间,采样电流信号的任务;电流负过零服务程序结束电流信号采样,然后进行电流有效值、相位角及功率因数和电能的计算。 在对电压、电流信号的采样过程中,均使用了PTS功能。中断服务程序流程图如图3-2。
公共子程序主要包括:(1)交流采样子程序;(2)有效值计算子程序;(3)功率因数计算子程序;(4)电能计算子程序;(5)显示子程序;(6)打印子程序。 3.2 时序流程 该系统每一工频周期完成一个回路的测量,正常时应为20ms。但考虑到电网频率的不稳定,利用过零触发器定时,防止计量时产生误差和系统时序出现混乱。 系统上电后首先初始化。然后,等待第一个电压正过零脉冲,该脉冲出现后,系统产生HSI中断,在电压信号的正半周执行电压正过零服务程序。电压的正半周结束,负半周开始时,过零电路发出负过零脉冲,在电压信号负半周电压负过零服务程序,10ms的时间足以完成这一任务。然后,等待下一个电压正过零脉冲。第二个电压正过零脉冲开始第一路电流测量,首先记录过零时间,然后接通多路开关,等待电流正过零脉冲,脉冲出现后执行电流正过零服务程序。最后等待电流负过零脉冲,该脉冲出现后执行电流负过零服务程序。负过零服务程序计算的电能的结果送可保持RAM区保存。然后,等待下一个电压脉冲,以此类推,直至第n路。 完成n路巡回检测后(设共n个房间),第(n+1)个电压正脉冲开始第二次电压的采样、计算,进行第二次n回路的巡回检测。 这种时序要求电压相位必须超前电流,因为民用负载均为感性或为纯电阻性,因此这一条件自然得到满足。为了保证程序运行的可靠性,尽管硬件设计和实际物理模型已能够保证HSI4个中断服务程序模块的先后执行次序,但程序中仍然设置了通过查询HSI状态寄存器的方法,来对哪一个HSI口出现中断再进行一次判断。 显示周期可根据实际情况设定。打印由按键控制实时进行。 4 结束语 该计量装置既可以应用于居民住宅几户或十几户的情况,更适合与短路和过流保护配电柜合为一体使用,用于对上百个学生宿舍的用电管理。且工作可靠,有较高的性能价格比,计量精度可达0.5级。对于工业负荷电能的计量,此装置可在采样区域上扩大到整个周期,以克服特殊负荷引起波形畸变给计量带来误差,同样会有广阔的应用前景。
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