王 康 ，章國寶

（東南大學(xué) 自動化學(xué)院，江蘇 南京 210096）

隨著我國城市和農(nóng)村智能電網(wǎng)改造的不斷深化，智能配電技術(shù)也在迅猛發(fā)展，掌握配電網(wǎng)實時運行參數(shù)，了解當(dāng)前配電網(wǎng)的實時運行情況已經(jīng)逐漸成為眾多企業(yè)和居民較為關(guān)心的問題[1]。目前，掌握配電網(wǎng)實時運行參數(shù)主要通過電能表來獲得。但一般電能表不能提供諸如正向有功電能、反向有功電能、四象限無功電能以及最大需量等電能量參數(shù)[2]。并電能表在電能質(zhì)量分析方面功能還十分欠缺。在配電網(wǎng)發(fā)生失壓、斷相、失流、電壓波動和閃變等情況時，電表也不能做出相應(yīng)的事件記錄或者遠(yuǎn)程報警等[3]。針對如何準(zhǔn)確獲得配電網(wǎng)實時運行數(shù)據(jù)，并進(jìn)行相關(guān)的電能質(zhì)量分析和故障處理等問題，文中以TMS320F28335和ADE7878為核心，提出一種配電網(wǎng)智能監(jiān)測終端的設(shè)計方法。

1 總體方案設(shè)計

1.1 核心芯片介紹

TMS320F28335是德州儀器（TI）推出的一款浮點型高性能32位數(shù)字信號處理器，主頻可達(dá)150 MHz，具有單精度浮點運算單元。片上資源豐富，具有256 k×16 bit的Flash存儲器，34k×16bit的 SRAM ，3個 32位 CPU定時器，3個 SCI（UART）模塊，1個 SPI模塊，1路 I2C總線，2通道 CAN總線和2個多通道McBSP模塊等[4]。

ADE7878是亞德諾半導(dǎo)體（ADI）推出的一款高精度、三相電能計量芯片，內(nèi)置多個二階型模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)字積分器、基準(zhǔn)電壓源電路以及所必須的信號處理電路以實現(xiàn)對電能量參數(shù)計算。同時ADE7878可以提供電網(wǎng)三相電壓和電流的瞬時波形值輸出，方便控制器進(jìn)行諧波分析[5]。

1.2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

本系統(tǒng)以TMS320F28335為控制核心，控制外圍芯片工作，主要完成配電網(wǎng)實時運行數(shù)據(jù)的二次處理、事件記錄、電能質(zhì)量分析、電網(wǎng)數(shù)據(jù)存儲、遠(yuǎn)程通信以及開關(guān)量輸出等工作。ADE7878主要完成對配電網(wǎng)實時運行數(shù)據(jù)的采集和一次計算工作，將采集到的配電網(wǎng)實時運行數(shù)據(jù)通過SPI接口與TMS320F28335連接。配電網(wǎng)電流信號采集是通過LCTA21CE（40 A/20 mA）微型精密電流變換器，再配合一定的外圍采樣電路，轉(zhuǎn)換成差分電壓信號送入ADE7878的電流信號輸入端。電壓信號采集是通過LCTV31CE（2mA/2mA）精密電流型電壓變換器后直接送入ADE7878的電壓信號輸入端。外圍電路模塊包括實時時鐘電路、數(shù)據(jù)存儲電路、看門狗電路以及RS485通信電路。系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)主要硬件電路設(shè)計

2.1 電壓信號采集電路設(shè)計

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖Fig．1 System structure

電壓信號采集有電壓互感器和電阻分壓兩種方法[6]。電阻分壓的方式雖然不會存在相位延遲的問題，但缺少隔離，會使得系統(tǒng)的電磁兼容性和穩(wěn)定性變差。電壓互感器雖然帶來相位延遲的問題，但可以提高系統(tǒng)的電磁兼容性和穩(wěn)定性。而針對相位延遲問題，可以在軟件上進(jìn)行校準(zhǔn)。因此，本系統(tǒng)選擇電壓互感器的方式對電壓信號進(jìn)行采集。圖2所示電壓互感器接線方法，可以使得電壓信號的相位誤差在5°以內(nèi)。

圖2 電壓信號采集電路Fig．2 Voltage sample

其中，以電網(wǎng)頻率f=50 Hz來計算C1的取值如下：

由于ADE7878的電壓信號輸入電壓范圍為±500mV，因此，一次側(cè)的限流電阻取值為249 kΩ，二次側(cè)的采樣電阻取值249Ω，這樣可以測量的交流電壓信號范圍上限可以接近500V。

2.2 電流信號采集電路設(shè)計

由于配電網(wǎng)運行環(huán)境較為復(fù)雜，有時會有瞬時大電流經(jīng)過，為了保證檢測裝置的可靠性，電流互感器選擇LCTA21CE（40 A/20mA）微型精密電流變換器，其二次額定電流有效值為20mA，峰值電流為28．28mA，電流輸入通道的采樣信號范圍為峰值±0．5 V， 可得采樣電阻的阻值為 R=0．5/（28．28×10-3）≈17．68Ω，為了留有余量，采樣電阻選擇 15Ω 的金屬膜電阻。電流互感器二次總負(fù)載為30Ω，遠(yuǎn)低于LCTA21CE（40 A/20mA）所要求的額定負(fù)載值100Ω，可以獲得較好的線性。詳細(xì)電路設(shè)計如圖3所示。

圖3 電流信號采集電路Fig．3 Current sample

2.3 ADE7878電路設(shè)計

ADE7878具有 12路信號輸入端，分別是 IAP、IAN、IBP、IBN、ICP、ICN、INP、INN、VAP、VBP、VCP、VN。 其中三相電流和零線電流信號是以差分電壓信號的形式輸入，三相電壓信號經(jīng)過適當(dāng)變換直接輸入。ADE7878的滿量程輸入電壓信號為±500 mV。ADE7878具有四種電源選擇模式，通過將PM0引腳拉高，PM1引腳拉低，可始終保持ADE7878工作在PSM0模式。ADE7878通過4線SPI接口與DSP相連接，同時/IRQ0和/IRQ1引腳連接在DSP的GPIO上以便于DSP對ADE7878發(fā)出的中斷信號進(jìn)行檢測。ADE7878自帶三個脈沖輸出端口CF1、CF2、CF3通過光電耦合芯片 TLP521接出，用于芯片校準(zhǔn)。ADE7878的詳細(xì)電路設(shè)計如圖4所示。

圖4 ADE7878電路設(shè)計Fig．4 Design of ADE7878 circuit

2.4 I2C接口電路設(shè)計

本系統(tǒng)中，實時時鐘電路和數(shù)據(jù)存儲電路均采用I2C總線通信方式。

時鐘芯片選擇上海貝嶺公司的一款低功耗實時時鐘芯片 BL5372，具有標(biāo)準(zhǔn)的 I2C通信接口，外加 32．768 kHz時鐘晶振，具有兩套報時系統(tǒng)，內(nèi)置一個低功耗穩(wěn)壓電源，因此在惡劣環(huán)境下仍能保持振蕩器正常工作在低功耗模式。BL5372內(nèi)置數(shù)字時間調(diào)整電路，可以保證時鐘走時的高精度。并且具有兩路可編程脈沖信號輸出，INTRA和INTRB，最小可以設(shè)置為1 Hz方波脈沖輸出。詳細(xì)電路設(shè)計如圖5所示。

圖5 時鐘模塊電路設(shè)Fig．5 Real-time clock circuit

數(shù)據(jù)存儲采用 Atmel公司的 AT24C512，3．3 V供電，具有64 kB的數(shù)據(jù)存儲空間，內(nèi)部有512頁，每一頁為128 Byte。具有標(biāo)準(zhǔn)的I2C通信接口。詳細(xì)電路設(shè)計如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)存儲模塊電路設(shè)計Fig．6 Data Storage Circuit

2.5 復(fù)位電路

復(fù)位芯片選擇德州儀器（TI）的TPS3823。當(dāng)主控制器供電電壓跌落至2．93 V以下或主控制器未在1．6 s內(nèi)向芯片的WDI口輸出高電平，表明系統(tǒng)運行出現(xiàn)異常，此時TPS3823的/RESET引腳會向主控制器的/RST口發(fā)出一個200 ms的低電平復(fù)位信號，使得主控制器復(fù)位。詳細(xì)電路如圖7所示。

圖7 看門狗電路設(shè)計Fig．7 Watchdog circuit

2.6 通信模塊設(shè)計

配電網(wǎng)智能監(jiān)測終端在對配電網(wǎng)進(jìn)行實時監(jiān)測的同時，還要將檢測和處理后的數(shù)據(jù)按照DLT645-2007通信規(guī)約發(fā)送到上一級主站，從通信穩(wěn)定性、可靠性和系統(tǒng)成本方面綜合考慮，終端和主站之間采用RS485通信方式。RS485芯片采用德州儀器（TI）的 SN65HVD11D ，3．3 V 供電，最高通信速率可達(dá)10Mbit/s。完全可以滿足系統(tǒng)通信要求。其中，為了增強通信過程中的抗干擾性，在TXD、RXD以及/RE、DE均采用了HCPL2601高速光電耦合芯片對信號進(jìn)行光電隔離。詳細(xì)電路設(shè)計如圖8和圖9所示。

圖8 RS485通信電路設(shè)計Fig．8 RS485 communication circuit

3 軟件設(shè)計

配電網(wǎng)智能監(jiān)測終端主要完成對配電網(wǎng)實時運行參數(shù)的檢測以及電能質(zhì)量分析，需要檢測的物理量有三相電壓、三相電流、正反向有功電能、四象限無功電能、最大需量、功率因數(shù)、電網(wǎng)頻率等，電能質(zhì)量分析方面主要包括檢測三相電壓和電流不平衡度、失流、電壓和電流的2～19次諧波分析等。其中，配電網(wǎng)基本電能量數(shù)據(jù)檢測主要通過ADE7878完成，TMS320F28335通過SPI接口與ADE7878通信，將配電網(wǎng)基本電能量數(shù)據(jù)捕獲后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，同時完成帶時間標(biāo)志的數(shù)據(jù)存儲、與主站進(jìn)行485通信以及故障處理等功能。

圖9 RS485光耦隔離電路Fig．9 RS485 light coupling Isolation circuit

系統(tǒng)每次運行時，在完成基本初始化工作后，會先讀取EEPROM中存儲的校表參數(shù)，并對ADE7878進(jìn)行參數(shù)校準(zhǔn)。之后通過與主站通信，對配電終端進(jìn)行校時。系統(tǒng)自帶3個CPU定時器，其中Timer0用于定時與ADE7878進(jìn)行通信，讀取三相電能量數(shù)據(jù)。Timer1用于與主站通信時間間隔計時，正常情況下，配電終端與主站每隔15 min必定會有一次通信，如果15min還為接收到來自主站的命令，則通信故障。軟件具體流程如圖10所示。

圖10 軟件流程圖Fig．10 Software flow chart

4 結(jié) 論

文中結(jié)合當(dāng)前配電網(wǎng)終端行業(yè)發(fā)展的實際情況，提出了一種配電網(wǎng)智能監(jiān)測終端的設(shè)計方案，并對電網(wǎng)實時運行參數(shù)檢測，電能量數(shù)據(jù)的處理和計算、數(shù)據(jù)存儲和通信方面做了詳細(xì)說明。經(jīng)過一段時間的實際運行，整個系統(tǒng)在電網(wǎng)實時運行參數(shù)檢測以及電能質(zhì)量分析方面的準(zhǔn)確性、快速性以及系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性方面均具有良好表現(xiàn)。

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