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摘要：介紹了一種實時需量監控器的設計方法，采用STM32F103R8T6作為主控芯片，參照最大需量電能表的國家標準（JB/T 7657-1995），給出了關鍵的硬件和軟件的設計方法；監控器經過試用，結果表明能很好的跟蹤負荷需量的實時變化，為用戶的節能降耗起到指導作用。
0引言
國家電力公司針對變壓器容量在315 KVA以上的大工業用戶，規定其基本電費的計算方式可以按照變壓器容量或者最大需量兩種方式進行(兩部製電價)；這兩種計費方式會直接影響基本電費的大小，具體方法分別為：
1）按照固定的變壓器容量計算，
基本電費(月)＝變壓器容量（kVA）×容量電價(元/kVA)；
2）按照用戶每月實際的最大需量計算，
基本電費(月)＝當月需量計費值(kW)×基本電費需量電價(元/kW)；
目前國家新興產業繁多，對於一些當前投資前景較好的領域而言，民營企業在公司前期試運行期間，采用（2）的計價方式會比較有優勢，尤其是在選用變壓器容量較大的情況下這種效果會很突出．但是電力公司對用戶超過需量核準值的5%以yi上shang部bu分fen，會hui加jia倍bei收shou取qu基ji本ben電dian費fei，客ke戶hu苦ku不bu堪kan言yan，公gong司si目mu前qian就jiu有you客ke戶hu碰peng到dao了le這zhe樣yang的de情qing況kuang，每mei月yue最zui大da需xu量liang總zong是shi會hui超chao過guo和he供gong電dian局ju約yue定ding值zhi，因yin此ci每mei月yue都dou會hui被bei加jia倍bei收shou取qu基ji本ben電dian費fei；客戶求助於我司，希望尋求一種解決問題的方法。
本文闡述了一種基於Cortex-M3內核的電力負荷實時需量監控器，該產品在實時監測用戶負荷的前提下，可以利用其I/O（開關量輸入/輸出）模塊與接觸器配合實現負荷的監控／預警／控製功能，從而保證係統運行時不超需量運行，提高係統運行的穩定性。為陳述方便，先約定：本文中的實時需量為每分鍾計算所得的最大需量平均值，也稱為瞬時需量。
1產品硬件設計
該產品采用圖1的硬件框架，由單片ST的ARM芯片STM32F103R8T6來完成整體功能設計；
1.1芯片介紹
STM32F103R8T6（32位）采用先進的Cortex-M3內核和哈佛結構，擁有單周期乘法指令和硬件除法指令；外圍端口資源豐富，內部RAM可達48K，FLASH最大可達512K，內核運行速度可達60M，最多可帶９個定時器，多路PWM輸出資源，多個SCI、SPI、IIC接口，擁有12通道DMA控製器；IO口可以承受5V電壓輸入，內部還帶有多種運行功耗模式，非常適合嵌入式產品的開發。按照上述圖1的硬件設計方案，實時需量監控器主要分為信號采集、顯示模塊、鍵盤處理、通訊接口以及開關量模塊5個部分，鍵盤處理和通訊接口的相關文章介紹的已經比較多了，這裏就不再贅述了，簡要介紹一下信號采集、液晶驅動以及開關量輸出模塊的設計。
1.2電壓、電流信號的采集
國內低壓電力係統電壓等級一般為0.4kV，按照電壓等級設計電壓取樣信號，采用PT（2mA/2mA）電阻分壓的方式進行，分壓電阻RA1/RA2/RA3取100K歐，取樣電阻為690歐，按照400V電壓考慮，圖2中取樣電阻R9兩端峰值電壓為1.414*400*690/300 = 1.3V；ST的AD是單端輸入，因此Vref取1.3V左右，確保采樣信號能毫無保留的進入AD。
1.3液晶驅動電路
監控器采用字段式液晶顯示，驅動芯片采用HT1622,該芯片性能穩定，EMC可靠性高，MCU數據可以成塊寫入驅動，數據交換速度快、效率高。液晶背光是有一定使用壽命的，圖3中BG_CS是MCU液晶背光的控製腳，通過該控製腳實現液晶延時關閉背光。
1.4開關量驅動電路
繼電器屬於功率器件，圖4中驅動電路由NPN三極管完成，三極管左邊的R204和C202是用來吸收DO1引腳上的抖動毛刺，當DO1為高電平時，三極管Q202開通，發射極和集電極壓差很小，繼電器RL202線圈中有電流流過，觸點閉合，DO1+、DO1-連通；當DO1為低電平時，三極管Q202關斷，發射極和集電極壓差接近5V，但此時繼電器RL202線圈中還存在瞬時電流，根據楞次定律，會產生反向電動勢，將通過D202續流耗盡；隨後觸點可靠斷開，DO1+、DO1-不通；
1.5過采樣技術
ST芯片內部自帶12位AD，實際測試下來可以達到9位的精度。對當前的測量儀表而言，顯然是無法滿足要求的。為了在現有條件下實現更好的精度，在本方案中采用了采樣頻率高於Nyquist頻率的過采樣技術。采用過采樣可以降低對抗混疊濾波器性能的設計要求，還可以提高信噪比。
交流采樣信號進入AD采樣之前要進行硬件抗混疊濾波器的設計，其截止頻率為fs/2，添加抗混疊濾波器後高於fs/2的de頻pin率lv信xin號hao都dou被bei濾lv除chu。進jin行xing過guo采cai樣yang時shi，采cai樣yang信xin號hao頻pin域yu分fen析xi中zhong各ge個ge頻pin譜pu的de有you效xiao信xin號hao相xiang距ju較jiao遠yuan，由you於yu抗kang混hun疊die濾lv波bo器qi在zai截jie止zhi頻pin率lv附fu近jin阻zu帶dai衰shuai減jian不bu夠gou所suo產chan生sheng的de混hun疊die效xiao應ying會hui減jian輕qing，信xin號hao恢hui複fu之zhi後hou的de失shi真zhen也ye會hui減jian少shao。此ci外wai量liang化hua噪zao聲sheng均jun勻yun分fen布bu於yu直zhi流liu信xin號hao到daofs/2的頻譜內。進行過采樣時，量化噪聲分布在直流到Kfs/2的頻譜內，這樣一來分布於直流到fs/2頻譜範圍內的有功噪聲功率也會減小，但對帶寬內有用信號不會有影響，相當於增加了信噪比。
根據ADI公司“數據轉換手冊”中推薦的過采樣理論，每增加一位分辨率，信號必須被以4倍的速率過采樣：其中，w是希望增加的分辨率位數，是初始采樣頻率要求，是過采樣頻率。為了把數值計算精度提高，采用16倍的初始采樣頻率來過采樣，之後按照每16個點計算得到一個初始采樣頻率點的方法得到在初始采樣頻率下的單周期采樣點（一個周波采集64點），經過這樣處理之後理論上可以達到12位的精度，可以較好的滿足0.5級功率精度的要求。按照上述數字過采樣的方法實現，最終得到了在1000：1的動態範圍之內可以實現0.2級的測量精度。
2瞬時需量的算法
參照國家標準“最大需量電能表”（JB/T 7657-1995）得知，有功電能是有功功率的瞬時累加，需量其實就是有功電能在一段時間內的平均功率，這一段時間就是上述標準中所說的滑差窗口(國內最大需量滑差窗口一般取15分鍾)。實時需量的計算方法是：
在MCU內存中開辟一個平均功率數組Dmd[15]，在滑差窗口15分鍾的時間內，每隔1分鍾，把Dmd[13]搬到Dmd[14], Dmd[12]搬到Dmd[13]，以此類推，最後Dmd[0]搬到Dmd[1]，接著MCU就計算前1分鍾內電能的增值ΔE，再根據ΔE計算出前1分鍾內的平均功率，把這個平均功率放入Dmd[0]，計算數組Dmd[15]中15個數據的平均值，就得到前1分鍾的實時需量。因為開頭數組Dmd[15]中很多數據是0,因此表計帶載後開頭的15分鍾內計算的實時需量不是很準確，但隻要15fenzhongzhihoujiukeyidedaomeifenzhongzhunquedeshishixuliangle。zaidedaomeifenzhongshishixuliangdejichushangzuopanju，jiarucishiyonghufuhebaoman，shishixuliangyijingjiejinyonghuhedianligongsiyuedingdezuidaxuliangzhi，jiankongqijiuhuitongguoDO1進行相應的報警輸出，用戶可以使用諸如報警指示燈／上位機軟件監控等方式來進行監測預警；瞬時需量算法的流程見圖5，圖6為瞬時需量決定DO動作的流程圖。
3典型應用
產品設計完畢之後在用戶處進行試用（具體接線見圖7），用(yong)戶(hu)可(ke)以(yi)根(gen)據(ju)各(ge)自(zi)和(he)電(dian)力(li)公(gong)司(si)簽(qian)訂(ding)的(de)供(gong)用(yong)電(dian)協(xie)議(yi)中(zhong)約(yue)定(ding)的(de)最(zui)大(da)需(xu)量(liang)限(xian)值(zhi)在(zai)表(biao)上(shang)設(she)置(zhi)，投(tou)入(ru)負(fu)荷(he)運(yun)行(xing)之(zhi)後(hou)，儀(yi)表(biao)實(shi)時(shi)監(jian)測(ce)負(fu)荷(he)側(ce)實(shi)際(ji)功(gong)率(lv)輸(shu)出(chu)值(zhi)，上(shang)電(dian)15分鍾之後就會得到第一個準確的瞬時需量（計量單位同功率），之後每隔１分鍾這個瞬時需量就會刷新，表內MCU會hui根gen據ju每mei次ci得de到dao的de瞬shun時shi需xu量liang值zhi和he用yong戶hu設she置zhi的de報bao警jing需xu量liang之zhi間jian進jin行xing比bi較jiao，一yi旦dan發fa現xian瞬shun時shi需xu量liang超chao標biao，就jiu會hui通tong過guo輸shu出chu繼ji電dian器qi進jin行xing相xiang應ying的de負fu荷he切qie除chu和he報bao警jing輸shu出chu，用yong戶hu使shi用yong外wai接jie報bao警jing指zhi示shi燈deng的de方fang式shi來lai進jin行xing監jian測ce預yu警jing，一yi旦dan發fa現xian報bao警jing事shi件jian發fa生sheng，他ta們men會hui采cai取qu人ren為wei或huo者zhe聯lian動dong的de方fang式shi對dui某mou些xie次ci要yao負fu荷he進jin行xing切qie除chu或huo者zhe限xian功gong率lv運yun行xing，從cong而er避bi開kai負fu荷he的de峰feng值zhi功gong率lv點dian；一yi旦dan監jian控kong功gong率lv降jiang下xia來lai之zhi後hou，又you可ke以yi自zi動dong或huo者zhe手shou動dong把ba負fu荷he投tou入ru，從cong而er有you效xiao的de規gui避bi了le負fu荷he的de峰feng值zhi功gong率lv點dian，對dui電dian力li係xi統tong的de錯cuo峰feng填tian穀gu和he節jie能neng降jiang耗hao起qi到dao了le一yi定ding的de作zuo用yong．
參考文獻:
（1）任致程，周中.電力電測數字儀表原理與應用指南[M].北京：中國電力出版社，2007；
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北京：北京航空航天大學出版社，2005；
（3）中華人民共和國機械行業標準 JB/T 7657-1995最大需量電度表 機械工業部哈爾濱電工儀表研究所
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