电力系统多参数在线检测系统设计

新疆大学科学技术学院College of science ＆technology Xinjiang University
学生毕业论文(设计)题目：电力系统多参数在线检测系统设计
指导教师: 希望
学生姓名：曹金科
专业：电气工程及其自动化
班级：电气10-3班
完成日期：
声明
郑重声明，此论文（设计）是本人在相关老师指导下完成，没有抄袭、剽窃他人成果，否则，由此造成的一切后果由本人负责。

本人签名：
新疆大学科学技术学院
学生毕业论文（设计）任务书
学生姓名曹金科学号 20102421007 专业电气工程及其自动化班级电气10-3班
论文（设计）题目电力系统多参数在线检测系统设计
论文（设计）来源教师自拟
要求完成的内容 1）设计出电力系统电压、电流、频率、功率
因数等参数在线检测方案。

2）设计出完整的以51单片机为主控制的整
体系统图。

3）写出完整的系统程序。

4）完成毕业论文的书写。

发题日期：年月日完成日期：年月日
指导教师签名
摘要
随着电力系统的快速发展，电网容量不断增大，结构日趋复杂，电力系统中实时监控、调度的自动化显得尤为重要，而电力参数的数据采集又是实现自动化的重要环节，如何快速准确地采集系统中各元件的电参数（电压、电流、功率、频率等）是实现电力系统自动化的一个重要因素。

基于此，此次设计采用单片机80C51实现电力监控系统的交流采样,即系统采集的是交流电压和电流，不需变送器进行交直流转换。

模数转换器ADC0809对三相交流电压和电流分时进行模数转换，把得到的数字量送入单片机进行数据处理，然后通过LCD数码管显示电压和电流，频率，功率，功率因数等的实时值。

文中论述了该系统实现电参数测量的工作原理，着重介绍了该系统的实现过程，在此基础上，详细介绍了整个系统的软件开发过程。

关键词：电力系统；交流采样；电气参数
Abstract
With the rapid development of electric power system, network capacity is increasing, and the growing complexity of the structure, electric power system real-time monitoring and Scheduling Automation is particularly important. The data acquisition of the electric parameters is also an important part of automation. How quickly and accurately acquisition the electrical parameters (voltage, current, power, frequency, etc.) of system components is an important factor to achieve power system automation.
Based on the paper adopts 80C51 SCM to achieve AC sampling of electric parameters. That the acquisition system is AC voltage and current, transmitter without AC-DC conversion。

The A/D converter ADC0809 makes three-phase AC voltage and current be transformed to digital quantity from analog quantity at different times. The SCM finishes data processing .Meanwhile, the real-time value of voltage and current, frequency, Power factor are displayed through LCD display.
In the article elaborated this system to realize the electrical parameter survey principle of work, introduced emphatically this system realized the process, based on this, introduced overall system's software compilation process and various subroutines realization in detail.
Key words: Electric Power System；AC sampling；Digital Electrical Parameter
目录
1 绪论 (1)
1.1论文的选题背景 (1)
1.2论文的研究意义 (2)
1.3交流电量采集的现状及发展 (2)
1.4课题的主要内容 (3)
2 系统总体设计原理 (4)
2.1交流采样法 (4)
2.2交流采样原理及相关算法 (4)
2.3系统的工作过程 (5)
3 主控芯片相关内容简介 (7)
3.180C51单片机引脚 (7)
3.280C51单片机的基本组成结构 (8)
3.3中断系统 (10)
3.4复位电路 (12)
3.5ADC0809A/D转换器 (12)
4 系统硬件设计 (15)
4.1复位电路及时钟电路 (15)
4.2电流、电压采样电路 (16)
4.3功率因数采样电路 (16)
4.4频率采样电路 (18)
4.5LCD1602液晶显示 (18)
4.6总体硬件电路 (20)
5系统软件设计 (21)
5.1系统软件总流程图 (21)
5.2部分功能程序的实现 (22)
5.2.1数据采集子程序流程图 (22)
5.2.2 数据处理程序流程图 (22)
6 结论 (29)
致谢 (30)
参考文献 (31)
附录 (32)
系统源程序： (32)
1 绪论
1.1论文的选题背景
现代社会电能是一种使用最为广泛的能源，其应用程度是一个国家发展水平的主要标志之一。

随着科学技术和国民经济的发展，对电的需求量日益增加，同时对电网运行的稳定性要求也越来越高，对电网的实时监控就显得非常重要。

随着我国电力行业的迅猛发展，电网供电品质越来越受到电力部门以及用户的关注。

在电力监控系统中，为了维护电网运行的稳定和安全，保证用户用电的可靠性，需要电网中各种电参量维持稳定值不变。

这就需要实时的采集各种电参量，用来监控以保证电网的稳定。

现代社会电能是一种使用最为广泛的能源，其应用程度是一个国家发展水平的主要标志之一。

随着科学技术和国民经济的发展，对电的需求量日益增加，同时对电网运行的稳定性要求也越来越高，对电网的实时监控就显得非常重要。

随着我国电力行业的迅猛发展，电网供电品质越来越受到电力部门以及用户的关注。

在电力监控系统中，为了维护电网运行的稳定和安全，保证用户用电的可靠性，需要电网中各种电参量维持稳定值不变。

这就需要实时的采集各种电参量，用来监控以保证电网的稳定。

近年来，随着我国经济和社会的发展，社会对电力的需求量与日俱增，电力供应日趋紧张，严重制约我国经济社会的发展，并且我国还将持续一段时间出现用电紧张情况，这一问题已经引起了国家有关部门的高度重视并颁布了相关标准，电力系统正常、安全、高效的运行对于国民经济和社会的健康发展有着极为重要的意义。

在当前情况下，为了能做到合理有效地利用有限的电力资源，这就需要对电力参数进行准确、实时地监测。

众所周知，在工业生产和日常生活中，电力对社会和个人有着密切的关系和重要的意义，因为电流、电压过低过高，均能影响各种电器设备的正常使用功效及设备寿命，严重的还会危及人身安全，并且，对电压、电流、功率因数和频率等电力参数的准确、快速地检测、监控可以及时掌握供电线路和设备运行状态，及时发现电网中的故障或隐患，进而采取合理和有效的措施，保证电力系统及设备运行良好。

近年来，随着电力电子技术的迅速发展，在化工、冶金、电力传送、电气化铁道等行业，以及家用电器中非线性负荷的使用日渐增多，特别是一些大功率整流设备和电弧炉等的大量应用，导致在电力系统中产生大量的谐波，进而引起电压、电流波形发生畸变，电力谐波不仅会严重危害供用电设备和电气仪表，使供电质量不断下降，影响计量设备的测量控制，不能准确地反映电力系统运行的情况，损害用户的利益，也会对电力系统本身造成不良的影响和危害。

在很长一段时间来我们还没有一套功能完整的装置来测量电力参数，通常关心的是电力供应量方面，较少关心电力参数和谐波情况，并且现有的一些检测器件还依赖于有百年历史的动圈式仪表和交流互感器之类的电工仪表，这些仪表只能显示电力参数的有效值和模拟值，误差大，精度低，不能满足实际测量的要求，有些也仅考虑了测量基波分量的情况，较少考虑对谐波的测量，那么电力参数的实时准确的测量成了必须要解决的问题。

1.2论文的研究意义
在微机技术发展初期，电力监控系统普遍采用经过变送器的直流采样方法，即经过变送器整流后的直流量。

这种方法软件设计简单，对采样值只需作一次比例变换即可得到被测量的数值，因而采样周期短。

由于以上特点，该方法在微机应用初期得到了广泛的应用。

但经过变送器的直流采样方法存在一些问题，如测量精度直接受变送器的精度和稳定性的影响，设备复杂，监控系统造价高等。

随着科技的发展，仪器仪表的发展更新越来越进步。

作为工业自动化技术工具的自动化仪表与控制装置，在高新技术的推动下，正跨入真正的数字化、智能化、网络化的时代。

微机技术的发展，使微机系统主频提高，指令功能变强，模数转化芯片技术的提高，成本的降低，使得交流采样的运用成为可能。

由于交流采样去掉变送器，按一定的规律对被测量的瞬时值进行采样，用一定的算法求得被测量，即用软件的功能代替硬件的功能，从而降低了系统造价。

从以上可见，研制一种电力参数检测装置具有非常重要的意义，它能对如电压、电流、功率因数和频率等重要的电力参数进行实时检测，还要对电力系统中的高次谐波进行实时分析，从而使人们采取进一步的措施，保证电能质量，保证电力系统安全、可靠、经济地运行。

1.3交流电量采集的现状及发展
电能质量的标准和技术是随着电力系统的发展和用户需求的变化而变化和发展的。

大量电力电子设备的使用是新技术的运用，同时也是电能质量恶化的制造者和受害者。

有目共睹，电力质量问题是严重的。

近几十年来全球范围内因电能质量而引起的重大电力事故己达20多起，每年电能质量扰动和电力环境污染引起的国民经济损失高达300亿美元。

其实，供电质量问题不仅对大型企业的正常生活影响较大，同时对重大活动，政治活动安全供电影响也较大。

我们需要监察分析电力系统动态和稳态两大电能质量问题，为预防和减少电能质量引起的故障，需从统计数据方面提供采取措施的依据。

国外对电能质量研究起步较早，目前有关电能质量控制的研究正掀起高潮，从所使用的理论到电能质量评价指标体系的建立；从全国性的电能质量普查、监测到用户终端电气环境的定义，各种电能质量问题分析方法的提出，以及“用户电力技术”等电能质量控制技术的研究和装置的开发正深入进行。

1996年，IEEE将每两年召开一次的电力谐波国际学术会议(ICHPS)更名为电力谐波与电能质量学术会议(ICHAP)，把电能质量提高到一个新的认识高度。

在从事电能质量产品的企业中，美国的FLUKE公司和瑞士的LEM公司的产品在全球都有广泛的应用。

国内致力于电能质量产品研究的企业很多。

总体来看，国内广泛采用统计型电压表监测电压质量水平，这些电压监测仪能监测电压合格率，需要人工抄表，缺乏统计分析功能，而谐波和电压波动、闪变的测量则用便携式测量仪器，分别对变电所的各级母线电压、主变压器侧的谐波电流、电容器组的谐波电流进行测量、对大、中型非线性负荷用户和电厂以及低压配电网电流进行测量，然后根据测量数据进行汇总、统计分析，对电网的电能质量水平进行评估。

这种电能质量监测手段和管理模式存在实时性差、测量指标少、工作量大、测量
误差大、效率低等明显的局限性。

当前，电力参数检测仪器正朝着以下方向发展：
(l)、体积小型化、功能多样化、功耗减小，维持电流降低化、采用新器件更高可靠性、显示方式普遍更新。

(2)、实现网络化智能、在线监测。

随着传感器技术、计算机技术、信息技术等发展，系统监测技术广泛采用这些先进的科研成果，使在线监测逐步走向实用化阶段：监测装置可作为接入访问平台进入网络，可以实现设备资源和数据资源共享及远程操作。

(3)、虚拟化。

虚拟仪器是建立在标准化、系列化、模块化、积木化的硬件和软件平台上的完全开发的系统，结合电力系统的应用，开发应用虚拟仪器技术建立的高速、高效、大容量、多功能、智能化的实时监铷系统。

1.4课题的主要内容
本课题研究的主要内容是MCS-51单片机在交流电量参数测量中的应用，在该课题中采用MCS-51单片机实现电力参数的交流采样。

通过LED显示器显示频率、功率、功率因数、三相电压和电流的实时值。

在系统的软件设计中，采用模块化设计方法使得程序结构清晰，便于今后进一步扩展系统的功能。

系统软件有以下模块构成：主程序、时钟中断服务程序、键盘查询服务程序、数据采集处理子程序、显示程序等。

另外，我们还应考虑到电网存在谐波，还会有各种瞬时干扰，而采用硬件滤波存在硬件电路复杂等诸多弊端，因此在此系统中求取电力参数实行数字滤波方法祛除干扰，此外，系统中还应采用指令冗余等抗干扰措施，以使系统具有良好的抗干扰性能。

2 系统总体设计原理
2.1交流采样法
随着电力系统的快速发展，电网容量不断增大，结构日趋复杂，电力系统中实时监控、调度的自动化就显得十分重要，电量的数据采集是实现自动化的重要环节，尤其是如何准确、快速的采集系统中各元件的模拟量（电压、电流、功率等），是电力系统自动化的一个重要因素。

根据采样信号的不同，可以分为直流采样和交流采样两大类。

所谓直流采样是把交流电压、电流信号转化为 0～5V 的直流电压，这种方法的主要优点是算法简单，便于滤波，但是由于其投资较大，维护复杂，无法对信号进行实时采集，因而在电力系统中的应用受到了限制。

交流采样是把交流量转化为± 5V （或 0～5V ）的交流电压进行采集，交流采样实时性好、相位失真小、便于维护，随着计算机和集成电路技术的发展，交流采样原有的困难如算法复杂、提高精度难、对 A/D 的速度要求高等已逐步得到克服。

交流采样法具有响应速度快、投资省、工作可靠和维护简单等优点，但交流采样所得到的是信号的瞬时值，是随时间而变化的交变量，人们无法直接识别其大小和传送方向(指功率)，这就需要通过一定的算法把信号的有关特征电量计算出来。

交流采样方法主要有同步采样、准同步采样和异步采样。

同步采样的具体作法是将信号的一个整周期(或多个周期)进行均匀离散,在每一离散点处取其瞬时值。

如被测信号频率有偏移,常利用锁相环电路零检测环节以保证采样同步。

同步采样对采样速率 N 及采样周期的选择既要满足采样定理的要求，又要满足实时处理的要求。

同步采样中由于 N 次均匀采样间隔 h 之和很难与一个周期 T 或 m 周期mT 严格相等，它们之间的差异 d=hN-mT ，称作同步误差。

在实际测量中，很小的同步误差也会产生较大的测量误差。

为了减小同步误差对采样的限制，准同步采样的方法便应运而生。

准同步采样是在多个周期内均匀采样，然后根据特定的数值求积公式进行递推运算，它是以较多的数据及较长的运算时间作为代价来减小同步误差对测量的影响，而且在采样期间要求信号波形必须稳定。

同步、准同步采样适用于已知信号在某种频率范围内变动的情况，若要对频率范围很宽的信号采样，则宜采用异步采样的方法。

异步采样采取等间隔采样方式，在较多周期上利用高采样率获取大量数据，对其求平均值，这样即使存在同步误差，其影响也将大为缩小。

2.2 交流采样原理及相关算法
工频参数的计算要用到电压、电流的有效值，功率等参数，而测量系统的 CPU 从A/D 转换器读取的数据是电压、电流的瞬时值，因此应根据电压、电流的瞬时值，计算出电压、电流的有效值、功率等参数。

将电压有效值公式（2.1）
201(t)T U dt T
u =⎰ 式（2.1）
离散化，以一个周期内有限采样电压数字量来代替一个周期内连续变化的电压函数值，则
21
1N m m m U u T T -≈∆∑式（2.2） 式（2.2）中：m ΔT 为相邻两次采样的时间间隔；m U 为第m-1个时间间隔的电压采样瞬时值；N 为1个周期的采样点数。

若相邻两采样的时间间隔相等，即m ΔT 为常数 ΔT ，考虑到
(/)1N T T =∆+，
则有
21
11N m m U u N -=-∑式（2.3） 式（2.3）就是根据一个周期各采样瞬时值及每周期采样点数计算电压信号有效值的公式。

同理，电流有效值计算公式如下：
21
11N m m I N I -=-∑式（2.4） 计算单相有功功率的公式
1()()T P i t u t dt T =⎰ 式（2.5） 离散化后为
111N
m m
m P N i u -=-∑ 式（2.6） 式（2.6）中：m i 、m u 为同一时刻的电流、电压采样值。

功率因数可由下式求
cos P UI ϕ= 式（2.7）
但在实际的测量中，上式的算法很难实现，所以本文拟采用一种与接线无关的三相功率因数检测方法。

对于频率的测量，是将交流信号经OP07电压比较器变成方波后送到80C51的P3.2脚（外中断0），由80C51计数器0在方波的一个周期内计数，然后乘以系统内部时钟就得到方波周期ΔT ，所以频率就为1/ΔT 。

2.3 系统的工作过程
系统交流采样某一工频电力参数的过程如下：
（1）通过电压互感器 TV 和电流互感器 TA 获得输配电线路上的电压、电流交流信号；
（2）对电压、电流交流信号进行选择、采样/保持；
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（3）进行 A/D 转换；
（4）单片机对 A/D 转换信号进行数据处理，即采样数据处理，标度变换以及输出等操作；
（5）LCD显示器来实现系统功能
3 主控芯片相关内容简介
3.1 80C51单片机引脚
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20403938373635343332313029282726252423222180C51
图3.1 80C51单片机引脚
单片机的40个引脚大致可分为4类：电源、时钟、控制和I/O 引脚。

⒈ 电源:
（1） VCC - 芯片电源，接+5V ；
（2） VSS - 接地端；
⒉ 时钟:
XTAL1、XTAL2 - 晶体振荡电路反相输入端和输出端。

⒊ 控制线:控制线共有4根
（1） ALE/PROG:地址锁存允许/片内EPROM 编程脉冲
（2） ALE 功能：用来锁存P0口送出的低8位地址
（3） PROG 功能：片内有EPROM 的芯片，在EPROM 编程期间，此引脚
输入编程脉冲。

（4） PSEN:外ROM 读选通信号。

（5） RST/VPD:复位/备用电源。

① RST （Reset ）功能：复位信号输入端。

② VPD 功能：在
掉电情况下，接备用电源。

（6） :内外ROM 选择/片内EPROM 编程电源。

① EA 功能：内外ROM 选择端。

②
功能：片内有EPROM 的芯片，在EPROM 编程期间，施加编程电源。

⒋ I/O 线
80C51共有4个8位并行I/O 端口：P0、P1、P2、P3口，共32个引脚。

P3口还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线）。

3.2 80C51单片机的基本组成结构
1.80C51单片机的基本组成
CPU系统:1个8位微处理器CPU，内部时钟电路，总线控制逻辑。

内部存储器:4KB的片内程序存储器（ROM/EPROM/Flash），128B数据存储器（RAM）和128B特殊功能寄存器SFR（80C51只用到其中21B）
I/O接口及中断定时功能:4个8位可编程的I/O（，输入/输出）并行接口；5个中断源的中断控制系统，可编程为2个优先级；2个16位定时/计数器，既可以定时，又可以对外部事件进行计数；1个全双工的串行I/O接口，用于数据的串行通信
80C51的内部结构
中央处理器:CPU是80C51内部的1个字长为8位的中央处理单元，它由运算器、控制器两部分组成。

实际上构成了单片机的核心。

运算器:以算术逻辑单元ALU（Arithmetic Logic Unit）为核心，还包括累加器A、程序状态字寄存器PSW（Program Status Word）、B寄存器、两个8位暂存器 TMP1和TMP2等部件。

控制器 :包括程序计数器PC、指令寄存器、指令译码器、振荡器、定时电路及控制电路等部件；
存储器:片内ROM是程序存储器；片内RAM，可用于存放输入、输出数据和中间计算结果，或作为数据堆栈区。

I/O口:有4个8位并行I/O口P0～P3，均可并行输入输出8位数据。

有1个串行I/O口，用于数据的串行输入输出。

定时器/计数器:产生定时脉冲，实现单片机的定时控制；用于计数方式，记录外部事件的脉冲个数。

2．80C51单片机的存储器结构
80C51系列单片机有两个存储器：程序存储器（ROM）和数据存储器（RAM），且各自独立编址。

从用户使用角度，80C51单片机的存储器可以分为三个存储空间：片内、片外统一连续编址的0000H～0FFFFH共64KB的程序存储器空间。

地址从0000H～0FFFFH的片外数据存储器空间。

地址从00H～0FFH的256B的片内数据存储器空间，其中只有前128B能供用户作存储器使用。

程序存储器 ROM:程序存储器包括片内和片外程序存储器两个部分；程序存储器主要用来存放编好的用户程序和表格常数；它以16位的程序计数器PC作为地址指针，能寻址64KB。

部分关键的程序存储单元。

存储单元0000H～0002H：80C51上电复位后引导程序的存放单元。

80C51上电复位后CPU总是从0000H单元开始执行。

如果在这3个单元中存放一条转移指令（如LJMP 1000H），单片机就会转移到1000H单元，开始执行应用程序。

0003H～002AH单元：被均匀地分为5段，用作5个中断服务程序的入口；只有增强型单片机才占用002BH单元。

数据存储器RAM:数据存储器主要用于存放运算的中间结果、数据等，它可以分为片内数据存储器和片外数据存储器两大部分。

片外数据存储器可以扩展到64KB，对应地址范围为0000H ～0FFFFH 。

片内数据存储器共有256B，在功能上分为两部分，低128B（地址为00H ～7FH）是真正的数据存储区高128B（地址为80H ～0FFH）用于特殊功能寄存器。

特殊功能寄存器(SFR):SFR是80C51内部具有特殊用途的寄存器；80C51内
部共有21个特殊功能寄存器，每个SFR占用1个RAM单元，它们分布在80H～0FFH的地址范围内；程序计数器PC不属于SFR，它是独立的在21个SFR中，有11个SFR既可以位寻址，也可以进行字节寻址。

它们的特征是字节地址可以被8整除（以0H或8H结尾，在表中以灰背景表示），如P1、IP。

PSW格式:CY，进位/借位标志。

有进位/借位时 CY=1，否则CY=0；AC，辅助进位/借位标志。

低4位向高4位有进/借位时AC=1，否则AC=0；F0，用户标志位，由用户自己定义；RS1、RS0，当前工作寄存器组选择位;OV，溢出标志位。

有溢出时OV=1，否则OV=0；P，奇偶标志位。

ACC中结果有奇数1时P=1，否则P=0。

指针类寄存器:堆栈指针SP:8位，用来指示堆栈的位置，它总是指向栈顶。

数据指针DPTR :16位，它是80C51内部唯一供用户使用的16位寄存器。

DPTR 使用灵活，即可用作16位寄存器，对外部数据存储空间的64K范围进行访问，也可拆成两个8位的寄存器DPH和DPL使用。

接口类寄存器;并行I/O口P0、P1、P2、P3 均为8位，通过对这4个寄存器的读写，可实现数据从相应口的输入输出。

串行口数据缓冲器SBUF；串行口控制寄存器SCON；电源控制寄存器PCON。

中断类寄存器:中断允许寄存器IE，中断优先级寄存器IP
定时/计数类寄存器：定时/计数器T0，由两个8位计数初值寄存器TH0、TL0组成，在构成16位计数器时，TH0存放高8位，TL0存低8位；定时/计数器T1。

由两个8位计数初值寄存器TH1、TL1组成，在构成16位计数器时，TH1存放高8位，TL1存低8位。

定时/计数器的工作方式寄存器TMOD；定时/计数器的控制寄存器TCON。

3.80C51单片机的并行I/O接口
80C51内部有4个8位并行I/O接口，分别称为P0、P1、P2和P3口。

并行I/O接口的特点:都具有“数据锁存器+输入缓冲器+输出驱动电路”的典型结构；I/O 接口的复用功能，P0、P2口的总线复用80C51单片机在作并行总线扩展时，P0口可作为数据/地址总线使用，分时作地址、数据的传送：先传送低8位地址，然后传送8位数据信号； P2口用来传送高8位地址信号。

P3口的功能复用。

准双向口结构:P0～P3口在作通用输入/输出口使用时，我们称其为准双向口结构。

并行I/O口的应用特性:P0～P3口作通用输入/输出口使用时的硬件连接。

P0～P3口都能用于输入或输出操作。

而且对每个接口都可将一部分管脚定义为输入，另一部分管脚定义为输出。

由于P0～P3口的内部结构不同，所以在作通用输入/输出口使用时，其外部的硬件电路也不相同：
（1）P0口既可用作通用I/O口，也可作为地址/数据总线使用。

当单片机系统需要扩展片外存储器或者需要扩展具有地址/数据线的芯片时，P0口只能用作地址/数据线，而不能再作通用I/O口使用。

P0口作为地址/数据总线使用时，无需外接上拉电阻。

P0口用作通用I/O接口使用时，必须外接上拉电阻。

（2）P1口只能作为通用I/O口使用，没有第二功能。

P1口在作为通用输出口使用时，不需要再外接上拉电阻。

（3）当P2口作为通用I/O口使用时，不需要外接上拉电阻。

当系统有外部扩展存储器或I/O接口时，P2口作为地址高8位信号线，此时P2口只能作地址线用，而不能作通用I/O口。

（4）P3口除可作为通用I/O口使用外，还具有第二功能。

当某些口线作第。