CN1014639B - 电力负荷智能监测仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种监测用户负荷，记录用户用电情况并且实现分时、奖惩计电价的自动化仪表及其管理系统，有监测仪表，抄表器，程序修改器三大部分组成，每部分均有独立的计算机系统，由单片机实现自动控制各种功能，各部之间设置有通讯连络接口和EPROM等硬件电路，是现代化电力管理的得力工具。

Description

本发明属于自动化测量仪表，主要运用在对电力网用户用电情况的记录，更具体地说是属于单片机控制的智能电表及其配套的管理系统。

随着工农业生产的飞速发展和自动化电器化速度的加快，尤其是能源的短缺，电力工业远远不能适应日益增长的需要。电力供应紧张不仅在我国，在世界范围内也存在着这一普遍矛盾。尤其是用电高峰期（如白天的某些时间段）更为突出，电力网经常处于满负荷，甚至超负荷状态。用电管理部门为了调整电网负荷，计划管理采取了多种措施，其中包括峰、平、谷分时电价，此外还有功率因数奖惩等等行政措施以达到节约电力和科学管理的目的。为此而产生许多类型的仪表，如最大需量表，峰谷分时电度表，负荷定量器等等。这类仪表目前在我国多为机械式电表，虽然在电力管理上起到了一定作用，但由于其机械误差大且仅能提供累计总量的计量，无法准确提供综合分析和计划配电的详细资料。由于测量仪表增多抄表工作量增加给电力管理部门增加了许多困难。因而分时计价迟迟不能推行，电力管理水平处于较落后的状态。国外先进国采用微机控制的输配电子系统可以理想的实现用户负荷的监测、分析和管理。但鉴于目前我国的情况，还不可能近期加以采用。国内某些单位曾试行单板机的监测系统，也因造价高，抗干扰能力差，配套系统不完备，使用不便而得不到电力管理部门的承认。所以，设计发明适于我国国情的电力负荷监测仪表并配套完善管理系统已成十分迫切的工作。

本发明的目的在于设计一种智能化的电力负荷监测仪表，以实现规定的时间内将用户的负荷情况自动分时记录，分时计价，并将全部记录 存贮后待查。并设计相配套的管理仪表以便电力部门抄收数据和调整电价，从而形成完整的电力负荷管理系统，达到科学计划充分利用电力网潜力的目的。

本发明构思的关键是设计一个可实现自动监测用户用电情况并将记录到的数据分类存贮的仪表电路。其具有高抗干扰性能和连续作业的可靠性。为此，本发明选择了单片机1做为该仪表的关键控制部分，配备的外设包括装有控制软件的EPROM4以实现全自动化管理;有存贮控制程序可调整参数以及记录数据的RAM5，以实现程序的修改和记录数据的保存。为便于用户的检查和核对设置了数字显示器2，以便显示各种功能下的数值;为进一步用户掌握和分存用电资料设置了打印接口7，此外还配备有晶体振荡器8，配套电源9等等一般智能化仪表中常具有的硬件、电路。为实现本发明目的，在监测仪表硬件电路中配备有一特殊通讯连路接口6，通过其实现和电力管理部门的联络，以完成用电记录的传抄和程序参数的更动。监测仪表中设置有一个用电量情况的采样电路3以实线现从用户功率表上采集信号完成模数转换后送入单片机处理，为实现多种数据的变换显示和用户打印资料设置有功能传换健键3A，图

下面结合附图进一步说明本发明的目的是如何实现的。

图1为本发明硬件电路结构框图。

图2是某一实施例的电原理框图。

图3是采样电路原理图。

图4是监测仪表控制主程序的逻辑框图。

图5是监测仪表的中断服务程序框图。

实际应用时单片机可采用48/49系列中的任何型号。本实施例中采 用的是80C39，EPROM采用的是2764，RAM采用6116，配套锁存器373，打印机接口由锁存器373和双D触发器4013，显示器用的是八位液晶显示器，用74LS138译码，74LS48驱动，采用石英振荡器E1，和配套5V可充电直流电源9。通讯连络接口的设计上结合了串行口和并行口两种特点，选取了4根I/O线组成一个公共通道。具体地说即为一个插座（I），靠两根联络线（A，B）解决时序配合问题，而省略串行口发送时钟，用一根数据线（D）实现数据双向传输。其中线A，B，C可接在单片机（80C39）八位准双向接口的任意三个引脚上（P1或P2口），具体接法图2中给出了实例。做为控制线（C）可接在单片机中的T0或T1脚上（也可引到INT脚）以实现中断请求开始连络通讯。插座设有公共接地线。通讯联络接口的设计简单易行，依靠软件支持直接实现串行数据的传递，当然也可直接采用标准串行口片子实现这一功能，但要增多硬件，会增大本机成本。如图2所示，监测仪表设置了用户负荷的采样电路（图3），采样信号取自于用户的有功功率表和无功功率表，经采样电路处理后分为有功信号（E）和无功信号（F）送入单片机处理。采样信号中还有一个掉电信号（G），它由电源电路中给出，以监测电网的停电情况并记录停电时间。单片机工作时所采集的信号中还包括由功能转换按键（3A）所发的脉冲信号，以实现用户显示和打印的各种指令。以上信号均通过倒相门电路HC367送入单片机内处理。为解决单片机I/O接口线不足的矛盾，将HC367的六根输出线和通讯联络接口的两条联络线（A，B）与液晶显示电路中的74LS48，74LS136共用一组八位准双向接口引脚（P1口或P2口），实施例中具体选用的是P10-P17，由软件实现分时管理，此处正是本设计的一个特点。实施例中给出了一个具体的采样电路原理图，即图3。这是一个和机械式电 功率表相配套的电路，一块监测仪表中有同样两个电路一个采集有功功率信号，一个采集无功功率信号。电路中包括一对红外传感探头（Y1，Y2），其安装在机械表转盘的上方，在金属转盘的上面沿径向涂上一个边沿整齐的黑道，靠红外线探测黑道触发采集信号。信号经脉冲开关（BG1，BG2）、整形放大电路（BG3，TP2）后由光电隔离电路（Y3）输出至门电路HC367的输入端，为保证红外探头的使用寿命采样电路还设置了时序控制电路（TP1），以控制红外发射管（Y1）做周期导通。信号经采样电路后变为标准脉冲信号送入单片机做数据处理，每小时将平均电量记录一次，并根据预置的峰、平、谷时间段分时计算一天的电量及电价，监测仪表允许存贮36天的各种数据，并将各类数据写入RAM中预置的区域之中待用户查询，或电管人员抄表。采用电子数字式功率表则采样电路可大大简化，将功率表中的脉冲信号直接引入开关电路中即可。监测仪表设置了打印、显示，换挡三个功能键从实现打印、显示的中断服务程序，并由换挡键完成对不同数据显示，打印的选择。本监测仪表可以显示的功能数据共设计75个，分别由软件实现计数和管理。

监测仪表在主程序控制下连续运行，主程序的框图见图4所示，主程序不断地查询是否有显示、打印，传送数据或修改程序的信号，如果有则执行打印显示或者与外部通讯连络。所有功能的的执行均不能影响到用户用电量的采样及用电量的累计和计算，这一部分的执行过程由中断服务程序所控制，具体流程可参看图5。

为防止停电影响，监测仪表中设置了可充电直流电流，并引出掉电采样信号以记录下停电的时间，为电管人员提供计划用电的参考数据。

本发明的目的之一是用电管理的自动化。为此，本发明为监测仪表配套设计了用来抄收监测仪表记录的抄表器10和根据不类别用户（例 如电压比、电流比不同），不同季节时间段的划分、电价变动等对监测仪表主程序参数进行修正的程序修改器11。抄表器，程序修改器和监测仪表配合组成一个完整的用户电量的自动管理系统。

管理系统中的关键构思之一是设置了抄表器。它是一个由单片机12实现自动抄收监测仪表中记录的仪器，仪器中设置有大容量存贮器15以实现在月初查表时同时抄录下几十户监测仪表的记录，设置有控制自动抄录过程程序的EPROM14，设置有将用户电量电价按一定格式输出打印接口（P1）。还设置有与监测仪表实现通讯传输的通讯接口（I1），它与监测仪表的通讯联络接口相适配，实现数据的抄收。具体地讲它也是一个多线插座，其中信号输入线（A）可接在单片机的输入输出的测试引脚上（T0或T1），输出信号（B）线和数据传输线（C）可接在单片机的二条八位准双向接口引脚上（P1或P2口），图6所给的实例是接在P24，P25引脚上，C为控制线接在中断请求引脚（INT）上。抄表器电路中设置了三个功能键。数据传输启动键（K1）打印键（K2）和退出键（K3）。K1键是一个INT接地键。当抄表器和监测仪表通过并行电缆对接通讯接口后，双方的CPU均在检测控制线C是否低电位，如是则进行抄送记录。所以当K1键按下后瞬间即完成了抄收用户一个月来累积存贮的全部用电情况数据。K2键的作用是指今CPU执行打印程序，抄表器在配套打印机的配合下会将抄收下来的每个用户的用电记录以一定格式输出打印，并付有核算出来的电价及其它参考数据。K3键的作用是指令单片机退出抄收或打印。K2，K3键发出的指令均通过八位准双向接的引脚送入单片机。抄表器所配套的晶体振荡器（E2），电源均应和监测仪表相适配。为进一步扩展抄表器的功能和数据处理能力还可以设计和微型机的连络接口，以便将数据送往PC机从而得出更有价值的信 息。抄表器的工作过程受控制程序的支配，其控制程序框图见图7。程序中设置有联络密码，每抄收一个用户记录下该用户的标志，以防止重复抄入，且有助于分户打印计价单。经实际试用表明抄表器可大大提高抄表工作效率，并杜绝误差，是电管部门实现自动化管理的有力工具。

本发明的构思中还有一个配套的仪表称为程序修改器（见图8），它主要用来设定监测仪表中控制程序中参数，它根据不同用户，不同季节设置峰、平、谷时限段，设立最大负荷限量、设立功率因数的奖惩标准，计价标准等等。因而程序修改器在结构上设置有独立的计算机系统，包括单片机13、晶体振荡器Z3，电源，装有控制程序的EPROM18，其关键性的设计是一个与监测仪表的通讯接口（I2），它也是一个多线插座，其中有两根连络线（A，B）、一根串行数据线（D），其均接在单片机13的八位准双向接口上，图8给出的实验例中用的是P11，P24，P25三个引脚，插座上配有公共地线接口。控制线C接在INT引脚上，并设置有接地键K4它做为启动数据传送开关，当K4按下，即控制线C变为低电平时开始程序该修改。根据不同情况进行的修改内容是利用键盘17输入到单片机13的，并通过显示器监视其修改过程及数据。键盘的行选通线接至单片机13的T0和T1脚上，列选通和显示器的译码器地址线相连接。为使用方便整个修改器可分为两部分：显示器和键盘组成编程器（PART2），其余硬件部分组成发送器（PART1），两者之间用并行电缆线连接，应用时可将各种修正参数由键盘发送并记入在存贮器。当在用户现场修改监测仪表的程序时，可拆下编程器（PART2）部分仅携带程序发送器（PART1）。使用时将通讯口（I2）与监测仪表的联路口（I）对接，按下K4即立刻完成修改数据的传输。程序修改器的工作过程受存贮于EPROM18中的程序所控制，其流程框图如图9所示。 程序中设置有密码，当监测仪表中的控制程序检准发送器发出的密码后才允许修改数据，这样可防止各种非法手段去私自改变电价参数。

本发明所构思的电力负荷自动管理系统由三个独立仪表组成，各自均有自己独立的计算机系统，互相之间又要实现通讯连络和数据传输。因而，保证时序的一致，同步是本发明十分重要的问题。这对于现代电子技术来讲并非疑难问题，本发明所采取的方案是采用两根I/O线做为相互联络线，通过软件的控制实现串行数据传输因而最大限度减化了硬件设置，降低了成本，并提高整机的稳定性。

本监测仪表经过试验在5%-100%负荷下其功率计量误差与机械表读数相比低于0.24%，功率消耗低于4.6W，月累计量可达一万亿度。在电网电压+10%--20%下、频率变化47.5HZ-52.5HZ之间计量准确，在60KW电焊机连续干扰中可长期正常运行。具有优良的温度适应性，再加上抄表器可连续抄收300个用户记录，每个用户抄收时间不到一秒钟，配套的程序修改器可使应用于各种不同的用户和环境。因此，本发明确为现代化电力管理的有力工具，具有全面推广应用的前景。

Claims (3)

1、一种对用户实现用电分时计价，负荷全过程记录的智能化电力负荷监测仪，结构中包括由单片机组成的中央控制单元1，存贮主控制程序的单元EPROM4，存贮主控程序参数及用户用电过程数据的单元RAM5，电源单元9，信号采集接口单元3，与电管部门的通讯接口单元6，显示单元2，配套晶体振荡器8，其特征在于监测仪还配有可供用户分析负荷情况的输出打印接口7，通讯接口单元6采用了可实现快速数据传递的四线直联式结构，其中控制信号线C连在输出测试引脚(T0或T1)上或连在中断信号引脚(INT)上，输入联络信号线A、输出信号联络线B和数据传输线D可分别接到单片机三个八位准双向接口中的引脚上(P1口或P2口)，还设置有与信号采集接口单元3配套的外部指令功能转换键(3A)和与机械式功率表配套的采样电路(3B)。

2、根据权利要求1所说的监测仪，其特征在于为机械式电表配套的采样电路结构中包括一对安装在机械式电表盘上方的红外探头（Y1，Y2），时序发生器单元TP1，脉冲开关（BG1，BG2），整形放大电路（BG2，TP2），光电隔离式信号输出电路Y2，采样信号与功能选择信号接口单元3接在单片机1的8位准双向接口的引脚上。

3、根据权利要求1或2所说的监测仪，其特征在于组成信号接口单元3的门电路HC367与显示单元中的驱动电路74LS48，译码电路74LS136共用一组八位准双向接口引脚（P1口或P2口），依靠软件直接实现分时管理。

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