王明偉 史保平

（1.泰山科技學(xué)院，泰安 271000；2.泰山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，泰安 271000）

隨著智能化儀表在工業(yè)生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用，各種電能在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生[1]。電能在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不僅可以獲取電能變化數(shù)據(jù)，還能分析電能質(zhì)量波動(dòng)[2-3]。為了解決電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)中波動(dòng)數(shù)據(jù)不易被觀察的問(wèn)題，基于HLW8012 芯片、RS-485 通信協(xié)議和視窗控制中心（Windows Control Center，WinCC）組態(tài)的可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC），構(gòu)建一種電能在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。利用該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)獲取電源的輸出電壓、電流、功率和波動(dòng)變化數(shù)據(jù)，同時(shí)可以監(jiān)測(cè)工作溫度。

1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

電表在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要用于實(shí)時(shí)采集電源的電壓和電流參數(shù)，根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)計(jì)算功率，實(shí)現(xiàn)對(duì)電能的評(píng)估[4]，同時(shí)采集電源的工作溫度，將溫度變化作為是否出現(xiàn)危險(xiǎn)的重要判斷指標(biāo)[5-6]。為了實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)功能，構(gòu)建系統(tǒng)時(shí)選擇HLW8012 芯片用于功率測(cè)量，利用電表集成的Modbus RS-485 作為通信模塊，利用WinCC 組態(tài)軟件構(gòu)件的PLC 接收包含時(shí)鐘信號(hào)在內(nèi)的多模態(tài)信息，并進(jìn)行電量顯示和超標(biāo)報(bào)警。電能在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 電能在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)邏輯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在圖1 中，電源的電壓、電流信號(hào)分兩路且均利用RS-485 通信模塊，采用Modbus RTU 協(xié)議進(jìn)行傳輸，一路傳輸至功率測(cè)量模塊進(jìn)行有功功率、無(wú)功功率的計(jì)算，另一路聯(lián)合溫度信號(hào)傳輸至PLC 模塊?；赪inCC 組態(tài)開(kāi)發(fā)的PLC 收集這些信號(hào)，結(jié)合時(shí)鐘模塊傳輸來(lái)的計(jì)時(shí)信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理，在屏幕上輸出結(jié)果數(shù)據(jù)和報(bào)警信息。

1.2 元件組成

在電能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，電表選用ZDT7 型。該型電表具有可編程功能，能夠測(cè)量工作現(xiàn)場(chǎng)的多種電量參數(shù)。該型儀表的測(cè)量精度最高可達(dá)0.5 級(jí)，能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量工作現(xiàn)場(chǎng)的三相電流和電壓[7-8]。

RS-485 通信模塊集成在ZDT7 型電表中，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。該型通信模塊采用差分標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行數(shù)據(jù)的采集與傳輸，能夠關(guān)聯(lián)多個(gè)負(fù)載，1 km內(nèi)的傳輸速度最快可以達(dá)到100 kb·s-1，短距離可以達(dá)到10 Mb·s-1，能夠滿足數(shù)據(jù)快速傳輸?shù)膽?yīng)用需要[7]。

功率測(cè)量模塊采用HLW8012 芯片實(shí)現(xiàn)。該芯片是一種單相電能計(jì)量芯片，在高頻脈沖作用下，在1000 ∶1 范圍內(nèi)測(cè)量功率可以達(dá)到±0.3%的精度，在500 ∶1 范圍內(nèi)測(cè)量有效值可以達(dá)到±0.5%的精度[9]。

PLC 利用WinCC 組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理與結(jié)果顯示功能，具有人機(jī)交互功能，并可以接受程序指令修訂。PLC 的時(shí)間基準(zhǔn)由時(shí)鐘模塊發(fā)布。電量計(jì)算結(jié)果和報(bào)警信息既可以在PLC 主界面顯示，也可以外接顯示屏進(jìn)行擴(kuò)展[10]。

2 電量表征指標(biāo)

2.1 電量測(cè)量原理

電量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)接收Z(yǔ)DT7 型電源發(fā)送的電流與電壓峰值，輸入HLW8012 芯片進(jìn)行功率計(jì)算[11]。假設(shè)監(jiān)測(cè)時(shí)間T內(nèi)存在n個(gè)采樣時(shí)刻，用tk（k=1,2,…,n）表示。電量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集的tk時(shí)刻電流與電壓值分別表示為Ik和Uk。在HLW8012 芯片中有功功率EP采用離散形式計(jì)算[12]，即

式中：?t為采樣時(shí)間間隔，滿足tk×?t=T。

無(wú)功功率EQ的計(jì)算基于電壓值Uk相位后移后與電流值Ik相乘，表達(dá)式為[13]

2.2 電壓波動(dòng)監(jiān)測(cè)

除正常測(cè)量電流與電壓值并計(jì)算功率值外，還需要監(jiān)測(cè)電網(wǎng)中的非線性干擾，針對(duì)擾動(dòng)對(duì)設(shè)備性能帶來(lái)的不良影響提前采取濾波措施，其中電壓波動(dòng)是最容易出現(xiàn)的一類擾動(dòng)。tk時(shí)刻的波動(dòng)值?Uk的表達(dá)式為

式中：Ukmax為監(jiān)測(cè)到的tk時(shí)刻電壓Uk的最大值；Ukmin為監(jiān)測(cè)到的tk時(shí)刻電壓Uk的最小值；UT為整個(gè)監(jiān)測(cè)時(shí)間T內(nèi)的平均電壓值。

2.3 電流波動(dòng)監(jiān)測(cè)

電流波動(dòng)是經(jīng)常出現(xiàn)的一類非線性干擾，對(duì)電能質(zhì)量會(huì)產(chǎn)生預(yù)想不到的不良影響[14]。tk時(shí)刻的電流波動(dòng)值?Ik表達(dá)式為

式中：Ikmax為監(jiān)測(cè)到的tk時(shí)刻電流Ik的最大值；Ikmin為監(jiān)測(cè)到的tk時(shí)刻電流Ik的最小值；IT為整個(gè)監(jiān)測(cè)時(shí)間T內(nèi)的平均電流值。

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理

3.1 數(shù)據(jù)獲取

在實(shí)驗(yàn)室條件下，一次性運(yùn)行電能在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)12 h，每間隔1 h 記錄一次電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率、電壓波動(dòng)、電流波動(dòng)和溫度值，結(jié)果如表1 所示。

表1 電能在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)試運(yùn)行結(jié)果數(shù)據(jù)

3.2 數(shù)據(jù)分析

基于表1 中的數(shù)據(jù)，分別繪制各個(gè)變量隨時(shí)間的變化曲線，結(jié)果如圖2 所示。

圖2 電量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化情況

結(jié)合表1 和圖2 中的數(shù)據(jù)變化可以看出，在實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量到的電壓有效值為（220±2）V，電流有效值為（12±1）A，有功功率為（2.5±0.2）kW，無(wú)功功率為（2.1±0.2）VA，電壓波動(dòng)不超過(guò)2.2%，電流波動(dòng)不超過(guò)2.5%，溫度保持在（22±2）℃。因此，可以判斷監(jiān)測(cè)到的電壓均符合使用要求。此外，負(fù)載本身具有不穩(wěn)定性會(huì)造成電壓和電流波動(dòng)，但是波動(dòng)值較小，可以在使用中通過(guò)濾波和穩(wěn)壓方法進(jìn)行補(bǔ)償或者消除。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)HLW8012 芯片、RS-485 通信協(xié)議和WinCC組態(tài)的PLC 構(gòu)建電能在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。利用該系統(tǒng)不僅可以獲取電源的輸出電壓、電流、功率和波動(dòng)變化數(shù)據(jù)，還可以對(duì)工作溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的開(kāi)機(jī)測(cè)試，分析獲取的電能相關(guān)數(shù)據(jù)，結(jié)果表明該系統(tǒng)可以滿足使用需求。文章設(shè)計(jì)拓展了電能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用，可為工業(yè)生產(chǎn)提供穩(wěn)定的電源保障。