1.引言
目前電網中電器的類型越來越多,電網的運轉情況越來越復雜,及時了解電網中各支路的功率因數對整個電網的調度日益重要。目前普遍使用的機械式功率因數表只能用于一個支路,并且無法利用計算機集中管理。本設計以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表 ,采用獨特的數據采集方法而不再使用電壓傳感器和專用模數轉換器,內含固化的監控程序和可用密碼進行動態升級的數據處理程序,配以專門設計的寬動態范圍穩壓電源,數據處理能力強,工作電壓動態范圍大,抗脈沖干擾能力強,成本低,溫度穩定性好。該功率因數表還配有專用的串行通信口及其相應軟件,可以隨時動態升級工作軟件,為管理電網提供了及時的幫助。只用一個按扭,此表就可以顯示各支路的功率因數。
2.電流傳感器
圖1為功率因數表結構示意圖。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,動態范圍大,但采樣電阻應具有溫度補償;而互感器的過載能力強,安全性高,生產調試簡單,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四運放TL084放大后,互感器次級電流在精密可調電阻上產生峰-峰值為0~4.5V的交流電壓信號,經八路模擬電子開關4051接至主機的Vi,在4051輸入端加兩個反接的穩壓管可防止過大的沖擊電流擊穿電子開關;經測試,互感器的相位誤差為一個常數,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,適當改變線路結構可適合更多的支路,但配電線路較復雜,可能得不償失。
3.電源
功率因數表工作電壓范圍很寬,所以對穩壓電源有特殊要求。一般電網電壓在130~250V或250~500V之間,考慮到一定的余量,其電壓適應能力至少在3倍以上,此外還要有一定的安全區,在安全區中,功率因數表雖然不能精確工作,但應不會損壞。電源部分可采用專門設計的可控硅式 或磁飽和式寬動態范圍穩壓電源。可控硅式電源工作電壓動態范圍寬,損耗小,性能好,技術要求較高;磁飽和式電源技術要求較低,但總損耗較大,工作電壓動態范圍也較窄,若利用變壓器與電容組成串聯諧振電路,并加入單向磁飽和負反饋控制電路,電壓動態范圍和穩壓性能有較大提高。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保存數據時,不再需要后備電源,Vpd應直接接在Vcc或Vdd上。
4.顯示
只有查看數據時才需顯示,所以顯示時間很短,此表采用動態掃描的方法顯示LED,第一、二位顯示支路序號,三至六位顯示各路的功率因數。
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,可根據實際抗干擾要求設計。Vz為串行通訊口的調制信號輸入端;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寬方波,供MPU采樣用 。K為手動復位開關,通過軟件設置,可同時用作顯示控制扭。此表的監控軟件存放于單片機內的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存儲器同時存放數據處理程序和數據結果,甚至同時存放監控程序,使數據處理程序的改變和調試極為方便[7],配合通訊口,借助于專用線或電網的電力線載波[8],還可進行單片機數據處理程序的受控動態升級,而且存放于外部存儲器中的數據也因提高了抗干擾性而變得相當可靠。采用E2PROM時,可用軟件觸發復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,由復位檢測、顯示、循環檢測、數值計算、數據保護、自動校正、自動溫度補償、重寫條件檢測、停電進位保護、程序失控自動復位、自動脫離死循環、2816寫期間自動復位、串行口中斷檢測、通訊及程序動態升級控制等多種功能軟件組成,其中固定的監控程序可以存放在單片機內的ROM或受硬件保護的外部RAM或2816中,可以升級的數據處理部分一般存放在受硬件保護的外部RAM或2816中。此表采用巧妙的數據采集和處理方法,使計算誤差幾乎與此表本身無關 。此表在校驗前有一段專門的校驗程序,在標準電壓下接入標準負載電阻后可根據顯示提示進行電路調整并自動記下特定參數,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介紹。
參考文獻
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