1.引言
目前電網(wǎng)中電器的類型越來越多，電網(wǎng)的運轉(zhuǎn)情況越來越復(fù)雜，及時了解電網(wǎng)中各支路的功率因數(shù)對整個電網(wǎng)的調(diào)度日益重要。目前普遍使用的機械式功率因數(shù)表只能用于一個支路，并且無法利用計算機集中管理。本設(shè)計以MCS－51型MPU為控制核心，在相同電壓下，16個不同的電流支路可以合用一個功率因數(shù)表 ，采用獨特的數(shù)據(jù)采集方法而不再使用電壓傳感器和專用模數(shù)轉(zhuǎn)換器，內(nèi)含固化的監(jiān)控程序和可用密碼進行動態(tài)升級的數(shù)據(jù)處理程序，配以專門設(shè)計的寬動態(tài)范圍穩(wěn)壓電源，數(shù)據(jù)處理能力強，工作電壓動態(tài)范圍大，抗脈沖干擾能力強，成本低，溫度穩(wěn)定性好。該功率因數(shù)表還配有專用的串行通信口及其相應(yīng)軟件，可以隨時動態(tài)升級工作軟件，為管理電網(wǎng)提供了及時的幫助。只用一個按扭，此表就可以顯示各支路的功率因數(shù)。
2.電流傳感器
圖1為功率因數(shù)表結(jié)構(gòu)示意圖。電流傳感器的電流采樣部分可采用精密電阻或電流互感器。使用精密電阻時非線性誤差小，精度高，動態(tài)范圍大，但采樣電阻應(yīng)具有溫度補償；而互感器的過載能力強，安全性高，生產(chǎn)調(diào)試簡單，但微電流時非線性誤差較大，另需相位補償 。精密電阻上的電壓信號經(jīng)四運放TL084放大后，互感器次級電流在精密可調(diào)電阻上產(chǎn)生峰－峰值為0～4.5V的交流電壓信號，經(jīng)八路模擬電子開關(guān)4051接至主機的Vi，在4051輸入端加兩個反接的穩(wěn)壓管可防止過大的沖擊電流擊穿電子開關(guān)；經(jīng)測試，互感器的相位誤差為一個常數(shù)，在輸出端用一個電容作相位超前補償，可基本消除傳感器引起的相位改變。每個傳感器最多可接八個支路，整個主機可配1～2個傳感器，適當(dāng)改變線路結(jié)構(gòu)可適合更多的支路，但配電線路較復(fù)雜，可能得不償失。
3.電源
功率因數(shù)表工作電壓范圍很寬，所以對穩(wěn)壓電源有特殊要求。一般電網(wǎng)電壓在130～250V或250～500V之間，考慮到一定的余量，其電壓適應(yīng)能力至少在3倍以上，此外還要有一定的安全區(qū)，在安全區(qū)中，功率因數(shù)表雖然不能精確工作，但應(yīng)不會損壞。電源部分可采用專門設(shè)計的可控硅式 或磁飽和式寬動態(tài)范圍穩(wěn)壓電源。可控硅式電源工作電壓動態(tài)范圍寬，損耗小，性能好，技術(shù)要求較高；磁飽和式電源技術(shù)要求較低，但總損耗較大，工作電壓動態(tài)范圍也較窄，若利用變壓器與電容組成串聯(lián)諧振電路，并加入單向磁飽和負(fù)反饋控制電路，電壓動態(tài)范圍和穩(wěn)壓性能有較大提高。電源輸出中Ve用于LED顯示；CE和CE用于存儲器的選通，CE也可同時用于單片機的掉電檢測信號PD；Vdd為5V精密電源，用于傳感器及采樣信號的調(diào)制和放大；V′CC用于精密中點電位；Vcc約為5V，用于MPU及輔助電路；Vpd為存儲器的后備電源，可采用3.6V充電電池、鋰電池或記憶電容；使用E2PROM保存數(shù)據(jù)時，不再需要后備電源，Vpd應(yīng)直接接在Vcc或Vdd上。
4.顯示
只有查看數(shù)據(jù)時才需顯示，所以顯示時間很短，此表采用動態(tài)掃描的方法顯示LED，第一、二位顯示支路序號，三至六位顯示各路的功率因數(shù)。
5.主機
主機可采用CMOS器件以減小功耗，但抗干擾性能稍差一些，可根據(jù)實際抗干擾要求設(shè)計。Vz為串行通訊口的調(diào)制信號輸入端；MPU的P10～P13控制支路通道，P14～P17用于選擇輸出顯示字的BCD碼，T0、T1及P24～P27用于選擇W1～W6這六個字符的信號；兩個中斷口用來輸入各支路電流和公共電壓的調(diào)寬方波，供MPU采樣用 。K為手動復(fù)位開關(guān)，通過軟件設(shè)置，可同時用作顯示控制扭。此表的監(jiān)控軟件存放于單片機內(nèi)的ROM中，采用硬件電路來防止電路對可重寫存儲器的誤寫操作，使RAM或E2PROM存儲器同時存放數(shù)據(jù)處理程序和數(shù)據(jù)結(jié)果，甚至同時存放監(jiān)控程序，使數(shù)據(jù)處理程序的改變和調(diào)試極為方便[7]，配合通訊口，借助于專用線或電網(wǎng)的電力線載波[8]，還可進行單片機數(shù)據(jù)處理程序的受控動態(tài)升級，而且存放于外部存儲器中的數(shù)據(jù)也因提高了抗干擾性而變得相當(dāng)可靠。采用E2PROM時，可用軟件觸發(fā)復(fù)位來解決寫入操作中E2PROM的失控問題 。
6.軟件
主要軟件框圖如圖2所示，由復(fù)位檢測、顯示、循環(huán)檢測、數(shù)值計算、數(shù)據(jù)保護、自動校正、自動溫度補償、重寫條件檢測、停電進位保護、程序失控自動復(fù)位、自動脫離死循環(huán)、2816寫期間自動復(fù)位、串行口中斷檢測、通訊及程序動態(tài)升級控制等多種功能軟件組成，其中固定的監(jiān)控程序可以存放在單片機內(nèi)的ROM或受硬件保護的外部RAM或2816中，可以升級的數(shù)據(jù)處理部分一般存放在受硬件保護的外部RAM或2816中。此表采用巧妙的數(shù)據(jù)采集和處理方法，使計算誤差幾乎與此表本身無關(guān) 。此表在校驗前有一段專門的校驗程序，在標(biāo)準(zhǔn)電壓下接入標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載電阻后可根據(jù)顯示提示進行電路調(diào)整并自動記下特定參數(shù)，然后自行消除這段校驗程序。為簡單起見，圖2中沒有畫出各中斷程序方框圖，軟件部分也未作詳細(xì)介紹。
參考文獻
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