发布于：2007/6/11 9:06:19 | 3098 次阅读
摘 要 本文简要介绍了PMM2000数字式微型多功能电力参数监测网络仪表的系统功能，重点介绍了PMM2000电力监测仪表的系统硬件构成，软件设计与算法。介绍了在油田注水站中的应用。
1前言
PMM2000系列电力仪表采用先进的交流采样技术及模糊控制功率补偿技术与量程自动校正技术，是一种集传感器、变送器、数据采集、显示、远距离传输数据于一体的全电子式多功能电力参数监测网络仪表。可取代传统的指针式电力仪表，既可以在本地使用，又可以通过DC4~20mA、RS-485、CANBUS及LonWorks现场总线组成高性能的遥测网络。能够测量单相两线、三相三线、三相四线系统的电流(A相、B相、C相、N)、电压(A相、B相、C相、AB线、BC线、CA线)、功率(kW)、电度(kwh)、无功功率(kvar)、无功电度(kvarh)、功率因数(PF%)、频率(Hz)、开口三角形电压(V0)、开口三角形电压(MV0)、需量电流(DA)、需量电流(MDA)等电力参数。该系列仪表具有高、抗干扰能力强、体积小、易于安装和操作等特点，采用三行5位数字显示技术，可广泛应用于低压、中压和高压开关和配电系统、中心电站监测系统、远程控制与监测系统、发电机组系统、楼宇自控系统、工厂能量管理等系统。
PMM2000电力监测网络仪表通过了山东省技术监督局的定型鉴定样机试验，同时通过了山东省科技厅组织的鉴定，产品技术水平达到国外同类产品先进水平。
三相三线系统的主要技术指标为：
电压：0~100V±0.3%FS
电流：0~5A±0.3%FS
有功功率：0~866W±0.5%FS
无功功率：0~866Var±1.0%FS
功率因数PF%：50%~100%±0.5%FS
频率Hz：45.00~55.00Hz±0.05%FS
电能E：0~累计量±1.0%RD
FS：满量程
RD：读数值
PMM2000电力监测网络仪表已处于批量生产阶段，并在上海宝钢、日本大金(常熟)化学公司、山东省电力局、山西平朔煤矿、东营油田等单位得到成功的推广应用。
2系统构成
该电力监测网络仪表在国内首次采用日本NEC公司推出的μPD78F4046十六位微控制器，该微控制器具有运算速度快，工作温度范围宽，可靠性高，集A/D转换器、PWM输出、UART通讯接口、WDT监视时钟于一体，内置48KB Flash存储器，2KB SRAM，多位I/O口等特点。系统构成框图如图1所示。
2.1CPU模块
该模块以NEC十六位微控制器μPD78F4046 CPU为，配以显示驱动器，用于驱动15位LED数码管及18位LED发光二极管，满足三行5位数字显示及状态指示。另外，还配有低电压监测电路，用于监测电源电压是否正常，以保证CPU可靠工作。同时还配有NVRAM存储器，用于保存设定数据及测量数据(如CT比、VT比、仪表地址、波特率、电能等)。该模块还具有按键开关及程序下载接口，用于数据设定及操作与软件升级。
2.2输入模块
该模块具有单相两线、三相三线、三相四线、开口三角形系统共四种方式。它由电压互感器、电流互感器、信号变送及限幅、频率跟踪及基准电路组成。电压互感器的额定输入为100VAC、380VAC、 ，电流互感器的额定输入为5A，其二次侧输出经信号调理后变成峰-峰值为0~5VAC的电压信号送往CPU模块进行交流采样。整个输入模块没有采用电位器，采用了自动校正技术，克服了电位器漂移可带来测量误差的缺点。
2.3输出模块
该模块具有DC4~20mA模拟输出、MODBUS、CANBUS、LonWorks现场总线和PROFIBUS现场总线共五种输出方式，同时具有可编程电能脉冲输出及遥控操作功能，适用于不同的用户需要。尤其我们采用的现场总线技术，是当今自动化领域技术发展的热点。现场总线是用于现场仪表与控制系统和控制室之间的一种全分散、全数字化、智能、双向、互联、多变量、多点、多站的通信系统，被誉为自动化领域的计算机局域网。当CANBUS现场总线传输速率设定为5kbps时，通过双绞线，其传输距离为10km；当LonWorks现场总线传输速率设定为78kbps时，通过双绞线，其传输距离为2700m。目前，这两种现场总线已广泛应用于中国的电力系统自动化领域。
CANBUS现场总线输出模块是以PHILIPS公司的P87C51RA+单片机为，配以SJA1000T CAN2.0B控制器、高速光电隔离器等电路，组成智能输出模块。LonWorks现场总线输出模块是以日本TOSHIBA公司的神经元芯片(Neuron Chip)TMPN3150B1AF为，配以美国Echelon公司的FTT-10A自由拓扑双绞线收发器等电路组成智能输出模块。PROFIBUS-DP现场总线输出模块是以PHILIPS公司的P87C51RA+单片机为，配以SIEMENS公司的SPC3控制器、高速光电隔离器等电路，组成智能输出模块。上述三种智能输出模块与CPU模块交换数据采用UART方式，形成双CPU结构，通过我们自行设计的ISA或PCI总线智能通讯适配器，组成功能强大的电力监测网络系统。
2.4开关电源模块
该模块输出两组±15V，一组+5V直流电压，向另外三个模块提供所需电源，同时配有掉电检测电路。当电源掉电时，产生一个非屏蔽中断信号(NMI)向CPU申请中断，用于保护重要数据。该电源抗干扰能力强，输入电压范围宽(85~264VAC，100~310VDC)。
PMM2000电力监测网络仪表具有以下创新点：
1)首次采用日本NEC公司推出的高性能十六位嵌入式微控制器μPD78F4046设计，实现了微型化设计；
2)采用嵌入式软件系统设计，每种类型仪表的程序可执行代码长度为36KB，使本仪表具有可编程功能及软件升级功能；
3)采用先进的交流采样矢量算法，即使本仪表工作在电压电流完全不平衡的条件下，也确保测量；
4)利用仪表内置的嵌入式系统软件测量出因二次电压与电流互感器输入输出信号存在相移而产生的角差，并利用模糊控制技术实现功率、无功功率的自动补偿，极大地提高了功率、无功功率、电度、无功电度及功率因数的测量；
5)取消零点及满量程调节电位器，克服了因振动等原因产生的漂移误差；
6)本仪表为多品种系列化设计，硬件结构采用模块化设计；
7)将CANBUS、LonWorks、PROFIBUS现场总线技术用于本电力监测网络仪表的设计中，使本系列仪表具备了网络通信能力；
8)首先在国内将GSM移动通信技术用于本仪表的通信网络中，利用短信息实现电力参数的远程数据传送，无需布线，成本低，易实现，可靠性高；
9)在国内首次编写出了《PMM2000型系列数字微型多功能电力参数监测网络仪表》企业标准，技术监督局的备案号为3714 N17152002。
3嵌入式软件设计与算法
3.1嵌入式软件设计
该仪表软件主要由监控程序，键盘扫描程序，显示程序，设定程序，模糊控制功率补偿程序，交流采样程序，零点及量程自动校正程序，频率测量程序，数字滤波程序，算法程序，通讯程序，运算子程序等组成，采用NEC汇编语言，进行模块化设计，程序代码长度为36KB。
在电力监测仪表中，测量的电力参数通常有以下几种：电流(A)、电压(V)、功率(kW)、电度(kWh)、无功功率(kvar)、无功电度(kvarh)、功率因数(PF%)、频率(f)。无论对于单相两线系统、三相三线系统还是三相四线系统，采用的方法是将电压和电流信号经过电压和电流互感器变成标准的电压信号(100VAC、220VAC/380VAC、和电流信号(5A、1A)，然后经过二次电压和电流互感器变成1~2mA的电流信号，经过取样电阻获得幅度为0~5VAC的交流电压信号，由微控制器进行交流采样，计算出上述电力参数。由于二次电压和电流互感器的输入信号和输出信号之间存在相移，将产生一个角差，当角差不为零时，则大大影响功率、电度、无功功率、无功电度、功率因数的测量。市场上的产品采用的方法是在二次电压和电流互感器的副边增加硬件电路补偿相移。因二次电压和电流互感器及元器件的离散性比较大，实现起来十分因难，特别不适应于工厂批量化生产的产品。同时，市场上的产品采用运算放大器对二次电压和电流互感器的输出信号进行放大处理后再送往微控制器进行交流采样，并且采用电位器进行零点与满量程的调节，当仪表受到振动或温度变化时，将产生零点与满量程漂移，降低了测量。
PMM2000的CPU模板中微控制器的模拟量输入通道直接对滤波和限幅处理后信号进行交流采样，去掉了硬件补偿电路及信号放大电路，也不需要电位器进行零点及满量程的调节，不会产生零点及满量程漂移。当仪表进入测量状态，根据不同的电压和电流输入信号，采用模糊控制技术自动实现功率、电度、无功功率、无功电度及功率因数的补偿，在不提高硬件成本的前提下，减小了测量误差，提高了电力监测仪表的测量和可靠性。
PMM2000的功能完全可以取代国外同类产品，满足中国市场的需求。同时，增加了CANBUS、LonWorks、PROFIBUS现场总线网络通信功能，特别是采用了模糊控制功率补偿技术，大大提高产品的测量。
3.2算法
该算法是一种基于均方值的多点算法，其基本思想是根据周期函数的有效值定义，将连续函数离散化，可得出如下计算公式：
式中：N—每个周期等分割采样的次数；
iM—第M点电流采样值；
uM—第M点电压采样值
三相三线系统采用二元件法，其P(有功)，Q(无功)，S(视在功率)计算公式如下：
上述两种系统的功率因数PF的计算公式如下：
当M+N/4＞N时，取M+N/4-N，N为一个周期内的采样点数。
4应用
该仪表已广泛应用于需对电力参数进行监测的系统中，如山东胜利油田注水站SCADA系统就采用了27块三相三线系统中的PMM2000-2E电力监测仪表，再配以基于CANBUS现场总线的FBCAN测量和控制模块，组成整个注水站的电网监测与自控系统，如图2所示。主机监控软件为在Windows 98下采用C++Builder 5.0编程。
5参考文献
1μPD784046 Subseries Hardware User's Manual.NEC Corporation,1997
278K/IV Series Instructions User's Manual.NEC Corporation,1997
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