1、智能配电管理系统1智能配电管理系统当前，家电数字化、楼宇配电及电量抄表自动化正在普及，居民住户用电安全管理智能化却出现了空档。而随着生活质量的不断提高，家庭电器越来越多，家庭用电量越来越大，用电安全问题的解决就更加迫切。我们在研制全中文楼宇配电成套设备的同时，成功地开发出了居民用电智能管理小系统，填补了这一空档。该系统能自动检测线路负荷，能对被控线路中安全量、最大量和负荷极限量三种情况做出反应和提示，并在多次警示无效的情况下自动切断总电源，避免了频繁更换线路保险器件的麻烦，更从根本上杜绝了由线路超载而引发的火灾。经过几年的使用，性能十分可靠。电路工作原理图 1 为电路原理图。89C2051、X
2、T 及 C2R3 等组成了单片机控制系统，以完成对交流电路中负载电流的测量，将测量值与存在系统中的安全量、最大量和负荷极限量进行比较，并根据比较结果向 YD 送出相应提示声音或报警信号，或向 KS1 送出开关信号，切断电源等控制任务。电路系统通过互感器 TZ 将交流电路中负载工作电流经变换后耦合进来，再经检波变成直流电压信号，这个电压信号是与交流电路中负载电流成正比的。控制电路通过程序对上述输入的正比于交流电路中负载电流的直流电压信号进行测量并记录，然后通过程序与系统事先设置好的安全量、最大量和负荷极限量进行比较，如果输人值小于最大量，说明交流电路负载在安全负荷范围内，电路则不做出任何提示，立
3、即返回测量程序，继续对负荷电流进行测量；如果输入值大于或等于最大量而小于负荷极限量，说明电路负载已达到满负荷运转，控制系统就调出相应的提示程序，使 YD 发出一定音调和节奏的声音作出提示，之后再返回主程序继续对负荷电流进行测量；如果办入值大于或等于负荷极限量，说明交流电路中的负载电流已严重超载，控制系统智能配电管理系统2便调出报曾程序，使 YD 发出各声，提示用户尽快关掉部分负载，并继续对负载电流进行测量。如果在规定的时间内电路负荷被人为减小至负荷极限量以下，控制电路不会切断电源。如果在规定的时间内电路负荷并未减小，CPU 即判断报警有效，并送出开关信号，触发 KS1 导通产生模拟漏电电流，通
4、过 T1 触发漏电保护继电器 ST1 动作，将整个电源切断，对线路进行保护。1. 负载电流的传递与整理 T2 为电流互感器，由于交流电源的火线从 T2 的磁环中穿过，所以当线路接有负载时，负载电流产生的交变磁通便使 T2 的次级线圈产生电流，此电流与交流电路中的负载电流是成比例的，其比值由穿过磁芯的火线匝数与绕在磁环上的次级线圈匝数决定。为了使单片机 89C2051 等组成的控制系统便于进行模数转换，我们将 T2 次级输出的互感电流经 VD3 整流、C10 滤波变换成脉动很小的直流电压，再经 R8R9 分压后得到一个进行模数转换的最佳分压值。在此电路中，我们选取合适的互感器 T2，并调整 R9
5、、R8 的阻值，使交流电路中的电流值为25A 时，A 点电压达到 VCC，即 25V，这样，A 点电压值与交流电路中负载电流值便有了整数的对应关系，即： A 点电压每升高 100mV，就表示交流电路中的负荷电流增大 1A。这样我们通过对 A 点电压的测量，就间接测到了交流电路中的负荷电流。2.负载电流值的采集及模数转换 由图 1 可知，A 点是与 89C2051 的 P1.1 相连的，而 P1.0 又与 R6、C5 等器件相连，这就构成了简单的模数转换电路。实际上，P1.0 和 P1.1 是 89C2051 片内的一个比较器的两个输人端，而此比较器的输出端 P3.6只在片内连接，并没有片外引脚
6、。利用此比较器及 R6、C5 等器件，就能较精确地对 A 点电压进行测量。片内比较器及外围元件组成的模数转换的简化电路如图 2 所示。当交流电路中有负载电流存在，A 点电压就不为零，若此时将 P37 对地短路，使 C5 对地放电结束时，P1.0对地电压必为零，此时 P1.0 的电位低于 P1.1 的电位，P36 亦为低电位。如果我们将 P3.7 置高电位，那么 P3.7 就会通过 R6 对 C5 充电，C5 两端电压就会按指数规律上升，P1.0 的电压亦随之上升，当 P1.0 的电压上升至与 P11 相同或略高一些时，P36 的电位就会发生跳变，由低电位变为高电位。所以，CPU 检测到 P36
7、 由低电位跳为高电位时，就认为是 P1.0 与 P1.1 的电压相等。所以，只要我们能够测得P1.0 的电压值，也就测到了 P1.1 的电压值，即 A 点的电压值。测量 P1.0 的电压值可用一段测量程序来实现，采用的是在 C5 充电过程中每隔一定的时间检测 P3.6 跳变，再根据循环检测次数计算电压值的方法。我们可以每隔一段时间检测一下 P36 的电位，并且合理地设定两次检测之间的间隔时间，恰当地对 R6 和 C5 取值，使两次检测之间 C5 两端电压上升一个整数值，比如 10mV，这样，我们在 C5 充电时就开始对p36 进行检测，直到 P36 跳高电位后停止检测并进行数据处理，将检测的次
8、数乘以 10mV，就得到了 P1.0 的电压值，也就是 A 点的电压值，也就间接地测量到了交流智能配电管理系统3电路中的负荷电流值。不难算出，上述方法测量到的交流电流值的精度为 0.1A。如前述，C5 两端的电压是按指数规律上升的，并不是线性的，充电过程中在相等的时间内其两端电压增加值是不可能相等的。为了减小由此而引起的误差，我们只选取充电电压达到 VCC 时的充电的前半程，因为这部分的充电曲线的线性是较好的，除充电刚开始曲线较陡外，基本接近直线（如图 3 中 AB 段） 。为了去掉充电前期的陡峭部分，即 OA 段，特在 P10 和 P35之间接有 VD1 和 R4。当准备测量时，我们先将 C
9、5 充满电，然后使 P35 呈低电位对 C5 进行放电，由于 VD1 的嵌位作用，使 C5 两端电压保持在 06V 左右，当 P35 和 P37 同时跳高电位后，C5 自此时开始充电，跳过了从零电位开始充电的陡峭部分，这就尽可能地利用了充电前半程充电曲线接近直线的部分，提高了测量的精确度。VD1 和 R4 还有另外一个作用：当执行CLR P34 时，P34 对地短路，由于R4 阻值很小，能使 C5 快速放电，以便立即进行下次测量。在设计程序时，我们取一个存储单元 R6 作为计数单元，在开始对 C5 充电时先将此计数单元清零，然后调用一段延时程序进行延时，经过延时后再检测 P36 电位的高低，如
10、果 p36为低电位，说明 C5 两端的充电电压还低于 P1.1 的电压，就将计数单元中的数加 1，然后再调用延时程序，再对 P3.6 进行检测，周而复始，直到 P3.6 跳高电位，取出计数单元中的数进行数据处理，也就是将取出的数乘以 10mV，就得到了 A 点电压值，这个过程就完成了模拟量与数字量的转换，也就完成了对交流电路中负荷电流量的采集。3.控制过程 主程序流程如图 4 所示。系统上电后先进行初始化，执行 Mov P1，FEH、MOV P3，OFH 送出控制字，使 P1 口和 P3 口的输出端呈准备状态。 89C2051 的 P1 口和 P3 口的主要功能相当于两个标准八位锁存器，执行上
11、述第一条指令后，就将立即数FFH 送入 P1 口数据锁存器， P1 口的 P10 至 P1.7 八条引脚所呈电位是“1111 11XX。 ”（因为 P1.0、P1.1 无内部上拉，其电位由外部输入决定），P1.2 呈高电位， ，光耦 IC 中的红外二极管截止，光敏管呈高附态，VT2 因此截止，可控硅 KS1 不导通，漏电保护器 ST1 保持常态；执行上述第二条指令后，将立即数DF 送 P3 口锁存器， P3 口的八条引脚所呈电位为“1101 1111” ，P35 呈低电位，VT1 截止，YD 断电不工作。在初始化过程中，还调人28H、8CH 分别存于 R4 和 R5 三个寄存器中，作为交流负载
12、电流的安全量、最大量和负荷极限量的比较界定常数，并将执行 MOV R6，00H 使计数存储单元 R6 清零，至此，初始化完成。然后启动测量程序，将测量结果存于 R6 中，再与 R4 和 R5 中的值相比较，从而进入相应的智能配电管理系统4提示程序，通过 P35 输出不同的音频信号，推动 VT1 使 YD 发出不同的声音，做出相应的提示。如果测得线路超载，在向 P35 送出警声提示的同时，进入超载计时程序，连续监测超载状态的持续时间。如果在规定的时间内电路中的负荷减下来，系统退出报警状态，返回初始化继续测量。如果在规定的时间内没有人为地将负荷减下来，系统就执行CLRP12 指令，这时，光耦 IC
13、 中二极管导通，VT2 亦导通，触发 SK1 导通，线路产生约60mA 的瞬间漏电电流，使互感器 T1 得到磁通而输出电信号，触发漏电保护器 ST1 动作，切断电源，起到了保护线路的作用。采用此种模拟漏电的触发方式，不用另设继电器，能充分利用硬件资源，缩小体积。元件选择及系统调整T1 和 ST1 为组合器件，实际上是一个完整的漏电保安器，可采用 JDLKZC45 型。T2可选用成品的超小型电流直感器。这种互感器精度高，但价格较贵。制作者可选用功率小于 3W 的小型交流变压器代替 T2，将次级拆除，使铁芯窗口腾出较大空隙，以易于交流电火线的穿入。电源变压器 B1 可采用35W、12V220V 的
14、交流变压器，其它皆为通用元件。此线路十分可靠，上电即能工作。只是为了使线路中的负荷电流与 A 点电压呈整数比例关系，才需对 R8 进行调整。线路安装完毕后，先不插入 89C2051，接通电源，用万用表测量 A 点对地电压。先在交流电路中接 l100W 的负载，交流电路中的负载电流为 5A（此电流与供电电压有关，可申接交流电流表监测） ，此时 A 点电压应是 05V，如果高于 05V，就将 R9 调得小一些，反之就调得大一些。调整好后再换接上 2200W 的负载，此时交流电路中负荷电流应该是 10A，A 点电压应为 IV。如果 T2 是采用上述小型电源变压器改制的或是用其它非标准传感器件代替的，
15、A 点电压会有偏差，我们必须同时调整 R5 和 R9 才行。为了使调整更简单，我们可直接采用负荷加载测量法来获取安全县、最大量和负荷极限量的比较界定带数。假如我们规定交流电路中的最大负荷量为 2200W，负荷极限量是440W。实际上，只要有了这两个量，就能有效地将线路负载划分为安全负荷、最大负智能配电管理系统5荷和超限负荷三种情况。调试时，首先在交流电路中接入 2200W 的电器负载，此时，交流负载电流应是 10A，然后用电压表测出 A 点电压井除以 10mV，得出理想的 A 点电压的绝对（CS 从零电压开始充电所进行的模数转换）模数转换值，比如是 100，也就是64H，再将 4400W 的电
16、器负载接入交流电路中，用同样的方法得到交流负载电流为 20A 时 A 点电压的绝对模数转换值，比如是 200，也就是C8H。通过上述加载法得到的这两个模数转换值64H 和C8H 是不能直接作为比较界定常数来使用的，因为该系统的模数转换是在 C5 两端电压为 06V 时开始进行的。所以，真正作为安全量、最大量和负荷极限量的界定常数的，是一个相对于 C5 两端电压达 06V 以后的充电过程中得到的模数转换值，必须从上述实测得到的两个绝对模数转换值64H和C8H 中减去 C5 自零电压开始充电到充电电压达 06V 时的模数转换值才行。按统一的算法，得到 06V 的模数转换值为 60，也就是3CH，因此，我们就将64H 和C8H 各减去3CH，分别得到28H 和8CH 作为比较界定常数，在初始化时装入常数寄存器 R4、R5 中供程序使用。常数设定以后，将程序拷贝至 89C2051 片内，将其插入电路后就可准确而可靠地工作了。系统上电后，YD 会发出正常工作提示音。然后将三种负载分别接入电路，就会出现上述控制过程中描述的控制结果。
