基于Cortex-M3 的电力负荷实时需量监控器的设计及应用
时间：2014-11-05 阅读：186
0引言
国家电力公司针对变压器容量在315KVA以上的大工业用户，规定其基本电费的计算方式可以按照变压器容量或者zui大需量两种方式进行(两部制电价);这两种计费方式会直接影响基本电费的大小，具体方法分别为：
1)按照固定的变压器容量计算，
基本电费(月)=变压器容量(kVA)×容量电价(元/kVA);
2)按照用户每月实际的zui大需量计算，
基本电费(月)=当月需量计费值(kW)×基本电费需量电价(元/kW);
目前国家新兴产业繁多，对于一些当前投资前景较好的领域而言，民营企业在公司前期试运行期间，采用(2)的计价方式会比较有优势，尤其是在选用变压器容量较大的情况下这种效果会很突出.但是电力公司对用户超过需量核准值的5%以上部分，会加倍收取基本电费，客户苦不堪言，公司目前就有客户碰到了这样的情况，每月zui大需量总是会超过和*约定值，因此每月都会被加倍收取基本电费;客户求助于我司，希望寻求一种解决问题的方法。--基于Cortex-M3的电力负荷实时需量监控器的设计及应用
本文阐述了一种基于Cortex-M3内核的电力负荷实时需量监控器，该产品在实时监测用户负荷的前提下，可以利用其I/O(开关量输入/输出)模块与接触器配合实现负荷的监控/预警/控制功能，从而保证系统运行时不超需量运行，提高系统运行的稳定性。为陈述方便，先约定：本文中的实时需量为每分钟计算所得的zui大需量平均值，也称为瞬时需量。--基于Cortex-M3的电力负荷实时需量监控器的设计及应用
1产品硬件设计
该产品采用图1的硬件框架，由单片ST的ARM芯片STM32F103R8T6来完成整体功能设计;
1.1芯片介绍
STM32F103R8T6(32位)采用*的Cortex-M3内核和哈佛结构，拥有单周期乘法指令和硬件除法指令;外围端口资源丰富，内部RAM可达48K，FLASHzui大可达512K，内核运行速度可达60M，zui多可带9个定时器，多路PWM输出资源，多个SCI、SPI、IIC接口，拥有12通道DMA控制器;IO口可以承受5V电压输入，内部还带有多种运行功耗模式，非常适合嵌入式产品的开发。按照上述图1的硬件设计方案，实时需量监控器主要分为信号采集、显示模块、键盘处理、通讯接口以及开关量模块5个部分，键盘处理和通讯接口的相关文章介绍的已经比较多了，这里就不再赘述了，简要介绍一下信号采集、液晶驱动以及开关量输出模块的设计。
1.2电压、电流信号的采集
国内低压电力系统电压等级一般为0.4kV，按照电压等级设计电压取样信号，采用PT(2mA/2mA)电阻分压的方式进行，分压电阻RA1/RA2/RA3取100K欧，取样电阻为690欧，按照400V电压考虑，图2中取样电阻R9两端峰值电压为1.414*400*690/300=1.3V;ST的AD是单端输入，因此Vref取1.3V左右，确保采样信号能毫无保留的进入AD。--基于Cortex-M3的电力负荷实时需量监控器的设计及应用
1.3液晶驱动电路
监控器采用字段式液晶显示，驱动芯片采用HT1622,该芯片性能稳定，EMC可靠性高，MCU数据可以成块写入驱动，数据交换速度快、效率高。液晶背光是有一定使用寿命的，图3中BG_CS是MCU液晶背光的控制脚，通过该控制脚实现液晶延时关闭背光。
1.4开关量驱动电路
继电器属于功率器件，图4中驱动电路由NPN三极管完成，三极管左边的R204和C202是用来吸收DO1引脚上的抖动毛刺，当DO1为高电平时，三极管Q202开通，发射极和集电极压差很小，继电器RL202线圈中有电流流过，触点闭合，DO1+、DO1-连通;当DO1为低电平时，三极管Q202关断，发射极和集电极压差接近5V，但此时继电器RL202线圈中还存在瞬时电流，根据楞次定律，会产生反向电动势，将通过D202续流耗尽;随后触点可靠断开，DO1+、DO1-不通;
1.5过采样技术
ST芯片内部自带12位AD，实际测试下来可以达到9位的精度。对当前的测量仪表而言，显然是无法满足要求的。为了在现有条件下实现更好的精度，在本方案中采用了采样频率高于Nyquist频率的过采样技术。采用过采样可以降低对抗混叠滤波器性能的设计要求，还可以提高信噪比。
交流采样信号进入AD采样之前要进行硬件抗混叠滤波器的设计，其截止频率为fs/2，添加抗混叠滤波器后高于fs/2的频率信号都被滤除。进行过采样时，采样信号频域分析中各个频谱的有效信号相距较远，由于抗混叠滤波器在截止频率附近阻带衰减不够所产生的混叠效应会减轻，信号恢复之后的失真也会减少。此外量化噪声均匀分布于直流信号到fs/2的频谱内。进行过采样时，量化噪声分布在直流到Kfs/2的频谱内，这样一来分布于直流到fs/2频谱范围内的有功噪声功率也会减小，但对带宽内有用信号不会有影响，相当于增加了信噪比。
根据ADI公司“数据转换手册”中推荐的过采样理论，每增加一位分辨率，信号必须被以4倍的速率过采样：其中，w是希望增加的分辨率位数，是初始采样频率要求，是过采样频率。为了把数值计算精度提高，采用16倍的初始采样频率来过采样，之后按照每16个点计算得到一个初始采样频率点的方法得到在初始采样频率下的单周期采样点(一个周波采集64点)，经过这样处理之后理论上可以达到12位的精度，可以较好的满足0.5级功率精度的要求。按照上述数字过采样的方法实现，zui终得到了在1000：1的动态范围之内可以实现0.2级的测量精度。
2瞬时需量的算法
参照国家标准“zui大需量电能表”(JB/T7657-1995)得知，有功电能是有功功率的瞬时累加，需量其实就是有功电能在一段时间内的平均功率，这一段时间就是上述标准中所说的滑差窗口(大需量滑差窗口一般取15分钟)。实时需量的计算方法是：
在MCU内存中开辟一个平均功率数组Dmd[15]，在滑差窗口15分钟的时间内，每隔1分钟，把Dmd[13]搬到Dmd[14],Dmd[12]搬到Dmd[13]，以此类推，zui后Dmd[0]搬到Dmd[1]，接着MCU就计算前1分钟内电能的增值ΔE，再根据ΔE计算出前1分钟内的平均功率，把这个平均功率放入Dmd[0]，计算数组Dmd[15]中15个数据的平均值，就得到前1分钟的实时需量。因为开头数组Dmd[15]中很多数据是0,因此表计带载后开头的15分钟内计算的实时需量不是很准确，但只要15分钟之后就可以得到每分钟准确的实时需量了。在得到每分钟实时需量的基础上做判据，假如此时用户负荷饱满，实时需量已经接近用户和电力公司约定的zui大需量值，监控器就会通过DO1进行相应的报警输出，用户可以使用诸如报警指示灯/上位机软件监控等方式来进行监测预警;瞬时需量算法的流程见图5，图6为瞬时需量决定DO动作的流程图。
3典型应用
产品设计完毕之后在用户处进行试用(具体接线见图7)，用户可以根据各自和电力公司签订的供用电协议中约定的zui大需量限值在表上设置，投入负荷运行之后，仪表实时监测负荷侧实际功率输出值，上电15分钟之后就会得到*个准确的瞬时需量(计量单位同功率)，之后每隔1分钟这个瞬时需量就会刷新，表内MCU会根据每次得到的瞬时需量值和用户设置的报警需量之间进行比较，一旦发现瞬时需量超标，就会通过输出继电器进行相应的负荷切除和报警输出，用户使用外接报警指示灯的方式来进行监测预警，一旦发现报警事件发生，他们会采取人为或者联动的方式对某些次要负荷进行切除或者限功率运行，从而避开负荷的峰值功率点;一旦监控功率降下来之后，又可以自动或者手动把负荷投入，从而有效的规避了负荷的峰值功率点，对电力系统的错峰填谷和节能降耗起到了一定的作用.
参考文献
[1].任致程周中.电力电测数字仪表原理与应用指南[M].北京.中国电力出版社.2007.4
[2].周中.电力仪表在大型公共建筑电能分项计量中的应用[J].现代建筑电气2010.6