CN2063713U - 电力负荷控制器 - Google Patents

Abstract

电力负荷控制器，是由单片微计算机取代时钟、显时、时控、电网监测等电路的一种用电控制装置。采用随机测量方法，量程单位由用户随机确定，使用电流电压变换传感器完成5安到+5伏的变换，由软件实现误差校正，由软件实现功能扩展。具有控制功能强、控制精度高、功耗低、抗干扰能力强、运行可靠、稳定性能好等优点。图中标记为：电流电压变换传感器1，分压器2，整流滤波3，限压保护4，A/D模数转换器5，串行通讯接口6，单片微计算机CPU7，键盘8，显示器9，SSR输出口10，指示灯11，声报警输出12，电源13。

Description

本实用新型涉及一种控制电力负荷的仪器。

为了合理使用电能、节约电能、缓解电能紧缺的矛盾，改变用电高峰、低谷期电能不合理的使用状况，需要对用电设备加以定时、定量控制。为此，市场上相继出现了不少的以节电为目的控制电力负荷的产品。

如山东牟平电度表厂生产的三相三线SDSK系列电力定量器，分时区控制功率和电量，由五个型号的产品分别完成一定值电力定量，三定值三区域电力定量，功率、电量双控定量，三定值六区域定量以及超定值电量掉闸和超定值电量计数等功能。

这些电力定量控制装置均是由具有某一特定具体功能的基本电路单元组合而成的控制装置，功能的扩展依赖于硬件电路单元的增加和硬件电路单元的重新组合。

中国专利87213701所述的选时控制定量供电装置，也是一种由多个基本电路单元组合而成的电子选时控制定量供电装置。该装置采用钳型检测器作为电网监测电路的取样部件，从电力变压器低压侧母线中检测电流信号。在选定的跟踪控制时间里，在时控电路控制下，供电控制电路接到电网监测电路监测到的超定量电流信号时，启控声光报警电路作声光报警，同时通过延时控制解扣电路跳闸停止供电并停止声光报警。

该装置由时钟电路、显示电路、时控电路、电网监测电路、供电控制电路、声光报警电路、延时电路、解扣电路、电源电路组装而成。不同型号的钳型检测器与控制装置相匹配组装为系列产品。

上述的产品、装置的不足之处在于：

（一）只能在24小时之内预选调整控制时区，每天是以相同方式控制。当相邻两日的控制方式不同或相邻两日中，有一日不需要控制时，就需要重新预选重新预置。由于电力变压器、电力用户数量极多、布局分散、用电性质不尽相同且常随时间、季节变化，需要采用的控制方式难以一成不变。当需要在24小时之外预选控制时区，上述的选时控制供电装置及三线电力定量器就必须重新预选整定控制时区。这对于电力管理部门就很不方便，有时甚至是难以实现的。

（二）上述的产品以及中国专利87213701所述装置，均是由具有某一特定功能的基本电路单元以积分方式组合而成的装置。为了复盖全系列各种功率的电力变压器或为了达到以电流、功率、电能不同方式控制的目的，为了达到多时区、多电参量控制区域控制的目的，不得不继续增加基本电路单元和重新组合基本电路单元。以多种型号、类别的产品、装置适应功率、控制功能的变化。尽管各厂家的产品在电路上采用了大规模集成电路作基本电路单元，仍不能使整机保持较大的阵容。不利于提高可靠性，不利于性能价格比的提高。同时因种类繁多，不得不增大机器备品备件数量，增加了用户的维护工作量。

此外，中国专利87213701及其产品的不足还在于：其电网监测电路的监测取样部件是专用的非标准件，缺乏通用性，难以适用于所有功率的电力变压器，而且只能检测6800安培以下低压端的电流信号。（见该专利产品SKD8700系列选时控制定量供电装置说明书）

本实用新型的目的是提供一种装置，不增加原电力系统的成本，由一种机型完成检测、定量检制和保护功能。做到一机多能，一机多用。同时可以按年、月、日、时、星期控制时区，预置24小时内任意控制时区及控制电流数值，完成各种方式的定时定量控制。

本实用新型由输入回路，电流、电压变换传感器，整流滤波电路，过压保护电路，A／D模数转换器电路，微计算机，输入键盘，数码管显示器，输出控制电路，工作状态显示报警电路，开关电源，蓄电池和机箱所组成。

本实用新型是一个以单片微计算机为核心，完成检测、定量控制与保护控制的系统。可以与任意电压等级、任意功率的电力变压器或用电负荷相连接。采用一种由用户随机任意确定测量量程、控制范围的″随机定标″的方法，完成电信号的采样计算，完成系统检测与控制。

随机定标的方法就是用户通过电流电压互感器检测电流、电压时，用户根据显示器所显示的提示符与单片微计算机实现人机对话。通过键盘输入电流、电压互感器的最大测量量程数值（即电流等级、电压等级数值），微机根据模数转换器的位数所能表达的最大数值计算出模数转换器在实现电流、电压模数转换时的单位转换数值。这些单位转换数值是模数转换器所能达到的电流或电压的最小分辨率数值。该值为用户键入的最大量程数值与模数转换器所能表达最大数值的比值。电流、电压的单位转换数值作为转换标准存储于单片微机CPU内RAM之中。

在程序控制之下，模数转换器完成模数转换时，微计算机将换值查表修正误差之后，与内存RAM贮存的单位转换数值相乘，即可求得待测电流或电压的数值。

上述方法不受设备功率限制，测量、控制量程及单位由人随意变换。

本实用新型可以与任意电压等级、任意功率的电力变压器或用电负荷相连接而实现检测控制。电流信号由标准系列电流互感器检测、由电流－电压变换传感器变换为低压交流信号，电压信号由标准系列电压互感器检测经分压器变为低压交流信号，二者均经整流滤波选择电路和过压保护电路处理，送模数转换器实现模数转换，在需要处理三相电路的电流、电压时，模数转换器则相应地变为多路模数转换器。

众所周知，电流、电压互感器是在电力系统中广泛使用的供测试及保护用的重要设备。电压互感器将高压系统中的高电压变为标准的低电压（100伏或100／53伏），电流互感器将高压系统中的小电流（5安或1安）。为利于仪表和继电器的标准化，电力系统的各种设备都通过标准化的电压、电流互感器将电压和电流变换成统一的标准值。也就是说无论线路中的电流多大，电压多高，反映在电流互感器二次侧的满量程电流是5安或1安，反映在电压互感器二次侧的满量程电压是100伏或100／53伏。本实用新型选用通用的标准化系列互感器，利用被控设备上已有的互感器完成负载线路的大电流或高电压向标准量程的转换。机内电流－电压变换器和分压器，将化为标准量程电流信号、电压信号变换为低压交流信号，经整流滤波选择电路、过压保护电路处理为适宜模数转换器转换的直流电压。

互感器是电力系统中种类繁多的大家族。电压等级从0.5KV至330KV，电流等级从5安至25000安培，测量、保护不同需求，均采用不同类型产品。由于结构、工艺、精度和测量量程等诸多因素的限制，很难以将钳型电流检测器应用于多种电压等级和任意大功率负荷的场合。

本实用新型所具有的优点：

1.利用单片机软件实现功能扩展，做到用一种装置完成各种功率电力变压器或用电设备开关柜的控制，有利于用户的使用与维护。

2.利用已有电力系统的互感器作电流、电压信息量的检测，与现有系统兼容性能好，便于现场使用与安装。而且标准化程度高，成本低。

3.可按年、月、日、时、星期、电流范围及其组合方式实现对电力用户的控制，有利于电力管理部门的管理。

4.易于实现功能扩展，具有较优良的性能价格比。因其软件资源丰富，可以在不增加设备的前提下，实现系统的各电参数的测量和特性保护。

图1本是实用新型用于三相电流、电压采样时的测量、控制原理框图（兼作摘要附图）。

图2是用于一相电流、电压采样时的测量控制原理图。

图3是本实用新型传感器与外系统互感器的连接图。

图4、图5、图6是本实用新型的几种具体电路图。

图7是整机电源工作原理图。

下面结合实施例和附图具体说明本实用新型的解决方案：

首先按附图（3）的方式，将本实用新型与系统外电力变压器开关控制设备上的，通用标准化系列的，电流互感器和电压互感器相连接。

然后用户根据显示器9（图1）所显示的提示符符号，与单片微计算机实现人机对话。通过键盘8键入外部系统连接的电流、电压互感器电流、电压等级数值，或满测量量程数值。键入需要控制的时间控制方式、时间区域（月、日、时或星期）及该时区内电力负荷，用电装置允许使用的用电量或允许通过的电流数值，键入当前时间（月、日、时、分、秒），键入电力设备欠压、过压、过流等保护阀值数值。

微计算机根据键入的互感器的满度量程数值，求出其与模数转换器所换的最大值的比值。该值为电流或电压单位转换标准数值，存贮于内存RAM之中。以电流为例，其单位用户可任意确定为KA、A、mA。单位转换标准数值和显示器所显示数值的量值单位与用户确定的单位相同。

在图4中，MCS－51系列单片机U1，8D锁存器U2和可擦除贮器U3，构成最小计算机系统。

电流、电压变换传感器B2，模数转换器U5，组成测量的输入接口部分。U5按外部扩展数据存贮器对待，直接挂在单片机总线上。

当单片机U1对输入采样时，利用MOVX@DPTR，A，指令和WR信号启动A／D模数转换器U5，利用MOVX  A，@DPTR指令及RD信号，把A／D模数转换器输出的二进制值读入累加器A之内。

在图5中，单片机U1的串口工作于工作方式0（移位寄存器输入输出方式），串行口与8位串入／并出移位寄存器U4  74LS164相连接组成键盘和显示器字形输出口。

键盘中键KEY以矩阵形式排列在行线与列线的交点上。行线接在U4并出的8位输出线上，由CPU  U1提供控制信号，列线接到P3口，CPU依次对P3口进行测试。

键值设定：数字键＃00H－＃09H，命令键值自＃10H开始，其余根据功能需要数依次递推。

由键盘键值处理程序识别数字键值和命令键值，数字依次自右向左送入显示缓冲区，命令键值号转入相应命令处理程序入口。

图5中显示器LED的字形口由U4与工作于串行方式0的TXD、RXD兼任，经U7与U8和LED相连接。字位口由MCS－51单片机CPU的P1口P1.0、P1.1、P1.2、P1.3担任，软件实现动态显示。

本实用新型命令功能键KEY采用一键多功能输入方式。输入键功能由执行多个功能程序段顺序连接完成。每执行某一功能时，在显示缓冲区设置相应提示符。

在某一提示符下，正确输入数字后，按输入功能键即转入下一提示符。如不输入数字，直接输入功能键，则不执行本程序段而越入下一程序段，并且显示下一功能程序段提示符。

显示器LED用四个数码管显示4位BCD码有效数字。显示的电流强度量纲单位，由用户自定，可以是10A、A、10mA、10mA、mA等单位。

本实用新型与电力系统互感器的连接如图3所示，电流电压变换传感器B2与电流互感器相串连，电流互感器将高压系统中的电流或低压系统中的大电流变成低压的标准小电流（5安或1安）。

此后经D2～D5整流，C12，C13滤波及过压保护D9，R24，分压电路W1，R23，C11处理为满量程为＋5v的直流电压送入模数转换器U5，实现模数转换。

输入直流电压为对应满量程的＋5v直流电压时，对应模数转换后二进制数字电压FFH。

用户使用本实用新型和任意功率的电力变压器的开关设备，通过标准系列互感器相连接检测电流强度时，用户根据显示器所显示的提示符与单片微计算机实现人机对话，通过键盘输入电流互感器的最大量程数值（即电流等级数值）。输入需要控制电力负荷的时间（月、日、星期、日期、时间）和需要控制的电流量值。

微机根据模数转换器U5所能表达的最大数值FFH，计算模数转换器在实现电流强度模数转换时的单位转换数值。这个单位转换数值是模数转换器所达到的最小电流强度分辨数值。该值为用户键入的最大量程数值与模数转换数值，作为转换标准存贮于单片微机CPU的内部RAM之中。

单片微机CPU（U1）周期地启动模数转换器。U5（ADC0804）将反映外系统电流强度的数字信号电压读入CPU累加器A之中，在程序的控制下CPU查询模数转换校正表格，修正电流电压变换传感器引起的误差，使转换后经修正的数值与待测线路中电流真值间，误差控制在可以容忍的范围之内。修正后电流数值的二进制数，与存贮于内RAM中单位电流强度转换值相乘，其乘积即为欲测线路中相对应的电流强度数值。上述计算在二进制数间进行，CPU把二进制数值变换为十进制BCD码数值并送显示缓冲区，在显示器LED上可清楚地读出流过电流互感器一次侧原边绕组电流强度数值。

软件中有电脑时钟程序，令全机工作在精确的时间管理之下。它可以根据是否为平润年，自动调整二月份日数。

CPU将当前月份、日期、小时、分秒数值送到显示缓冲区，显示程序轮番显示时间显示缓冲区数值与电流显示缓冲区数值。

CPU在求得外电流互感器一次侧电流强度值之后，随即将用户存于内存中的定量控制电量的时间（月、日、星期、小时等时区）与当前时间进行比较确定当前时间是否在控制时区之内。当前时间如果处于控制时区之内，微机随即将检测计算所得的电流数值，与内存中存贮的欲控制电流数值相比较。电流强度数值一旦超过定量数值，CPU即向图3中D1发出信号。

超定量的时间如果持续到用户（通常为用电管理部门）键入的允许延迟的时间之外，CPU即由输出电路发出断电控制信号。

每当出现超规定电流强度数量信号时，软件都要考核其真伪，核实在规定的时间内达到规定的采样次数者方为真，否则为伪弃除。而且真正的超定量信号在允许延迟时间内如有中断，就是说有一次采样比较后不超定量值，则取消超定量警告。这样可确保控制器准确无误地工作。

CPU对开关设备的控制分两种形式，一为电平控制方式，当控制设备给予供电时，图6中SSR输出低电平信号令，SSR固体继电器导通，当对控制设备给予停电控制时，输出高电平信号令SSR固体继电器截止。

图7为整机电源工作原理图。供电期间高效开关电源TWH8001（U1）向免维护蓄电池充电，并经低压差集成稳压电源U9向整机提供电源，外系统停电期间，免维护蓄电池通过U9给整机提供电源。

图中：

1.电流电压变换传感器

2.分压器

3.整流滤波

4.限压保护

5.A／D模数转换器

6.串行通讯接口

7.单片微计算机CPU

8.键盘

9.显示器

10.SSR输出口

11.工作状态、报警指示灯

12.声报警输出

13.电源

14.标准系列电压互感器

15.标准系列电流互感器

Claims (3)

1、一种电力负荷控制器，由输入回路，电流、电压变换传感器，整流滤波电路，过压保护电路，A/D模数转换电路，以及时钟电路，显时电路，时控电路，电网鉴测电路，输入键盘，数码管显示器，输出控制电路，报警电路，开关电源，蓄电池，连接导线和箱体组成，其特征在于所述的时钟、显时、时控、电网监测等电路，由单片微计算机取代，系列单片机U1，锁存器U2和存贮器U3构成最小计算机系统，电流、电压变换传感器B2，模数转换器U5组成测量的输入接口，U5直接挂在单片机总线上，单片机U1的串行口与移位寄存器U4连接，组成键盘和显示器输出口，键盘中的键KEY以矩阵形式排在行线与列线交点上，行线接在U4并出的八位输出线上，由U1提供控制信号，列线接到P3口，显示器LED的字形口由U4与TXD，RXD兼任，经U7，U8和LED相连接，字位口由单片机的P1口P1.0、P1.1、P1.2、P1.3担任，软件实现动态显示。

2、如权利要求1所述的电力负荷控制器，其特征在于所述的电流电压变换传感器B2与电流互感器相串连，后接D2～D5整流，C12，C13滤波，D9  R24过压保护，W1，R23，C11分压电路，接入模数转换器U5。

3、如权利要求1所述的电力负荷控制器，其特征在于所述的显示器用四个数码管。

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