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        配變監(jiān)測(cè)終端的研究及開發(fā)設(shè)計(jì)

        2012-09-29 11:26:56劉映杰張晨曦南維斌
        關(guān)鍵詞:基波電能終端

        王 強(qiáng) ,劉映杰,張晨曦,南維斌

        (1.蘭州大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730000;2.甘肅省武威市供電公司,甘肅 武威 733000)

        配變監(jiān)測(cè)終端用于對(duì)配電變壓器的信息采集和控制,能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)配電變壓器的運(yùn)行工況,用以完成傳統(tǒng)的電壓表、電流表、功率因數(shù)表及負(fù)荷指示儀和電壓監(jiān)視儀等的功能。它能與其他后臺(tái)設(shè)備進(jìn)行通信,提供配電系統(tǒng)運(yùn)行控制機(jī)管理所需的數(shù)據(jù),以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理事故和緊急情況,就地與遠(yuǎn)方進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。配變監(jiān)測(cè)終端的引入,為提高配電網(wǎng)安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供了有力工具[1]。

        本文研發(fā)的配變監(jiān)測(cè)終端,其微控制器采用高性能單片機(jī),電能測(cè)量模塊采用三相電能專用計(jì)量芯片ATT7022E,系統(tǒng)能夠采集三相電壓/電流,計(jì)算三相有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)、總有功功率、總無(wú)功功率及總功率因數(shù)等,實(shí)現(xiàn)線路監(jiān)測(cè)功能。同時(shí),根據(jù)設(shè)定的補(bǔ)償方式,配變監(jiān)測(cè)終端控制電容器的投切,實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率自動(dòng)補(bǔ)償。配變監(jiān)測(cè)終端支持RS232、RS485和GPRS通信方式,便于現(xiàn)場(chǎng)聯(lián)網(wǎng)使用,為配網(wǎng)自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)提供可能。

        1 硬件設(shè)計(jì)

        配變監(jiān)測(cè)終端主要包括數(shù)據(jù)采集部分和控制管理部分,其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        1.1 數(shù)據(jù)采集部分

        數(shù)據(jù)采集部分主要通過(guò)專用的計(jì)量芯片ATT7022E采集互感器的輸出信號(hào),并通過(guò)SPI串行通信將采樣數(shù)據(jù)傳遞給CPU進(jìn)行處理。

        ATT7022E是一顆精度高且功能強(qiáng)的多功能防竊電三相電能專用計(jì)量芯片[2],它集成了7路二階sigma-delta ADC,其中3路用于三相電壓采樣,3路用于三相電流采樣,還有1路可用于零線電流或其他防竊電參數(shù)的采樣,輸出采樣數(shù)據(jù)和有效值,使用十分方便。該芯片適用于三相三線和三相四線應(yīng)用。

        該芯片還集成了參考電壓電路以及所有包括基波和全波(即基波+諧波)的各項(xiàng)電參數(shù)測(cè)量的數(shù)字信號(hào)處理電路,能夠測(cè)量各相及合相的有功功率、無(wú)功功率、視在功率、有功能量、無(wú)功能量、視在能量(有PQS、RMS兩種方式可選擇),以及基波有功功率、基波有功能量和基波電壓/電流有效值,同時(shí)還能測(cè)量頻率、各相電流/電壓有效值、功率因數(shù)、相角和電壓夾角等參數(shù)。

        ATT7022E內(nèi)部的電壓監(jiān)測(cè)電路可以保證加電和斷電時(shí)正常工作;提供一個(gè)SPI接口,方便與外部MCU之間進(jìn)行計(jì)量參數(shù)及校表參數(shù)的傳遞;支持全數(shù)字域的增益、相位校正及純軟件校表;有功、無(wú)功、視在、基波有功電能脈沖輸出 CF1、CF2、CF3、CF4可以直接接到標(biāo)準(zhǔn)表進(jìn)行誤差校正。

        由PT和CT將變壓器低壓側(cè)的電壓和電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為低電壓、小電流信號(hào),并且使電網(wǎng)部分與檢測(cè)部分隔離開來(lái)[3],轉(zhuǎn)換來(lái)的信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)整和濾波送入ATT7022E芯片。ATT7022E片內(nèi)集成了7路16 bit的ADC,采用雙端差分信號(hào)輸入。其中,VIP/V1N、V3P/V3N和V5P/V5N為電流輸入通道,V2P/V2N、V4P/V4N和 V6P/V6N為電壓輸入通道,V0P/V0N為零序電流輸入通道。ATT7022E內(nèi)部集成一個(gè)SPI串行通信接口,采用從屬方式工作,使用兩條控制線和兩條數(shù)據(jù)線:CS/SCLK/DIN/DOUT。

        1.2 控制管理部分

        控制管理部分采用Silicon Lab公司的混合信號(hào)ISP Flash微控制器C8051F120來(lái)控制數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、時(shí)鐘單元、人機(jī)界面單元、通信單元、看門狗單元和開關(guān)量輸入/輸出單元。

        C8051F120是完全集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng)型MCU芯片,具有64個(gè)數(shù)字IO引腳,高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的CIP-51內(nèi)核(100 MIPS),全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口,2周期的16×16乘法和累加引擎,128 KB可在系統(tǒng)編程的Flash存儲(chǔ)器,8 KB+256 B的片內(nèi) RAM,以及硬件實(shí)現(xiàn)的SPI、SMBus/I2C和兩個(gè)UART串行接口。

        C8051F120是具有片內(nèi)VDD監(jiān)視器、看門狗定時(shí)器和時(shí)鐘振蕩器的真正能獨(dú)立工作的片上系統(tǒng)。所有模擬和數(shù)字外設(shè)均可由用戶固件使能/禁止和配置。Flash存儲(chǔ)器還具有在系統(tǒng)重新編程能力,可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ),并允許現(xiàn)場(chǎng)更新8051固件。

        片內(nèi) JTAG調(diào)試電路允許使用安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)上的產(chǎn)品 MCU進(jìn)行非侵入式(不占用片內(nèi)資源)、全速的在系統(tǒng)調(diào)試。該調(diào)試系統(tǒng)支持觀察、修改存儲(chǔ)器和寄存器,支持?jǐn)帱c(diǎn)、觀察點(diǎn)、單步及運(yùn)行和停機(jī)命令。在使用JTAG調(diào)試時(shí),所有的模擬和數(shù)字外設(shè)都可全功能運(yùn)行。C8051F120可在工業(yè)溫度范圍(-45℃~+85℃)工作。端口I/O、/RST和 JTAG引腳都容許5 V的輸入信號(hào)電壓。

        其他硬件單元(如人機(jī)界面單元、時(shí)鐘單元等)都是常見的通用型的設(shè)計(jì),在此不再詳細(xì)介紹。

        2 軟件設(shè)計(jì)

        軟件設(shè)計(jì)是在Silicon Labs IDE V4.20環(huán)境下,采用C語(yǔ)言開發(fā)。為了確保軟件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、清晰,提高軟件的可讀性和可維護(hù)性,軟件設(shè)計(jì)采用模塊化的設(shè)計(jì)方法,其中包括電能芯片接口模塊、諧波計(jì)算模塊、保護(hù)模塊、電容投切模塊、統(tǒng)計(jì)模塊、人機(jī)界面模塊和通信模塊。

        系統(tǒng)上電后,由主程序完成系統(tǒng)的復(fù)位和初始化工作,之后開始任務(wù)輪詢[4];當(dāng)某個(gè)任務(wù)需要被執(zhí)行時(shí),主程序通過(guò)調(diào)用與之對(duì)應(yīng)的功能模塊去完成該任務(wù),任務(wù)完成后,系統(tǒng)又返回到主程序。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

        本文采用高性能單片機(jī)C8051F120和專用電能計(jì)量芯片ATT7022E設(shè)計(jì)的配變監(jiān)測(cè)終端,實(shí)現(xiàn)了配變監(jiān)測(cè)終端所要求的功能,系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠,具有一定的應(yīng)用和推廣價(jià)值。

        [1]陳堂.配電系統(tǒng)及其自動(dòng)化技術(shù)[M].北京:中國(guó)電力出版社,2003.

        [2]ATT7022E應(yīng)用筆記[Z].鉅泉光電科技(上海)股份有限公司,2012.

        [3]陳少華,陶濤,陳章寶,等.智能配電變壓器監(jiān)測(cè)終端的設(shè)計(jì)[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2008,36(21):56-60.

        [4]Li Yan,Lu Wenmei,Li Wencai.The research of distribution transformer remote terminal units based on DSP[C].2009 Second International Conference on Intelligent Computation Technology and Automation,2009,3:145-148.

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