楚成彪，郝思鵬，何小棟，萬 盟，吳瀚俊，馮煜坤

（南京工程學(xué)院 電力工程學(xué)院,江蘇 南京 211167）

基于STM32的農(nóng)村智能配電網(wǎng)監(jiān)控終端設(shè)計(jì)

楚成彪，郝思鵬，何小棟，萬 盟，吳瀚俊，馮煜坤

（南京工程學(xué)院 電力工程學(xué)院,江蘇 南京 211167）

針對我國農(nóng)村電網(wǎng)配電臺區(qū)自動(dòng)化程度較低，監(jiān)控方式落后，數(shù)據(jù)采集困難等特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了基于GPRS通信的智能配電監(jiān)控終端。該終端采用STM32為微控制器，以AD7606為核心的電力信息采集模塊，并集成了紅外線模塊、RS485通信模塊、鍵盤輸入及LED顯示模塊等，通過遠(yuǎn)程通信與主站服務(wù)器相連，實(shí)現(xiàn)了對農(nóng)村配電臺區(qū)的遠(yuǎn)程測量和控制，大大提高了農(nóng)村電網(wǎng)的智能化程度。 該裝置設(shè)計(jì)成本低，監(jiān)控效果好，適合在廣大農(nóng)村推廣。關(guān)鍵詞：STM32；GPRS；電力信號采集；智能監(jiān)控終端

農(nóng)網(wǎng)是電網(wǎng)的重要組成部分，承擔(dān)為廣大農(nóng)村供電的重任，供電分散，供電設(shè)備較多，但總用電量占全社會電量比例不大；另外，農(nóng)網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行環(huán)境相對較差，系統(tǒng)維護(hù)水平也較低。作為“堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)”中的一環(huán)，建設(shè)智能的、安全的農(nóng)網(wǎng)刻不容緩。電網(wǎng)智能化建設(shè)是農(nóng)電發(fā)展面臨的重要任務(wù)，也是當(dāng)前和今后農(nóng)網(wǎng)發(fā)展的一個(gè)重要內(nèi)容。智能電網(wǎng)的一個(gè)重要內(nèi)涵是智能化，就是以嵌入式信息處理技術(shù)和通信信息平臺為支撐，以智能控制為手段，實(shí)現(xiàn)“電力流、業(yè)務(wù)流”的高度一體化融合。但目前大部分配電臺區(qū)自動(dòng)化程度較低，監(jiān)控方式落后或者根本沒有監(jiān)控配置。采集配變的運(yùn)行數(shù)據(jù)需要安排人員到場用儀器測量，存在工作量大、誤差大、測量點(diǎn)少、受天氣影響和不安全等問題，另外不能對設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行有效監(jiān)控[1-4]。

所以，要實(shí)現(xiàn)農(nóng)網(wǎng)的智能化，首先需要做到信息化：將所有可能影響農(nóng)網(wǎng)運(yùn)行的數(shù)據(jù)和信息，采集后經(jīng)專用計(jì)算機(jī)平臺和軟件集中分析，實(shí)現(xiàn)對農(nóng)網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)備工況和用電質(zhì)量等參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控；其次，考慮到農(nóng)網(wǎng)用電設(shè)備分布較為分散、現(xiàn)場操作工作量大，需要實(shí)現(xiàn)農(nóng)網(wǎng)開關(guān)的遠(yuǎn)程操作；此外，還應(yīng)能對用戶用電信息、開關(guān)保護(hù)定制以及計(jì)量等參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問和控制。本文根據(jù)農(nóng)村電網(wǎng)的特殊情況，對農(nóng)村電網(wǎng)的監(jiān)控終端進(jìn)行了設(shè)計(jì)，使之滿足智能電網(wǎng)對農(nóng)網(wǎng)監(jiān)控能力的需求。

1 配電監(jiān)控終端在監(jiān)測系統(tǒng)中的功能

基于GPRS的農(nóng)網(wǎng)智能配電系統(tǒng)，主要針對10 KV變壓器的低壓側(cè)，實(shí)現(xiàn)380 V供電系統(tǒng)中開關(guān)、保護(hù)、計(jì)量和無功補(bǔ)償?shù)裙δ苄畔⒌男畔⒉杉?、傳輸和處理。系統(tǒng)分?jǐn)?shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和中心管理等幾個(gè)功能，如圖1所示。配電臺區(qū)監(jiān)控終端是智能配電臺區(qū)的控制中樞，它負(fù)責(zé)智能配電如區(qū)與主站、智能控制與保護(hù)開關(guān)通信聯(lián)絡(luò)，采集、計(jì)算、存儲配電臺區(qū)變壓器的各類數(shù)據(jù)[5-6]。監(jiān)測采集到的數(shù)據(jù)通過GPRS通信發(fā)往主站，主站也可向終端用戶提供數(shù)據(jù)查看和設(shè)備遠(yuǎn)程操作功能。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the power control unit test system

2 硬件的實(shí)現(xiàn)

綜合考慮硬件成本及其功能，本系統(tǒng)的配電監(jiān)測終端以ARM 為中央控制處理，功能模塊包括AD電力信號采樣模塊、GPRS通信模塊、紅外線通信模塊、電源模塊、時(shí)鐘模塊、RS485通信模塊、鍵盤接口模塊、開入量模塊、開出量模塊等部分組成。其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 監(jiān)控終端硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of the monitor terminal

2.1 STM32F107VC控制核心

本系統(tǒng)采用的是意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的32位微控制器STM32作為控制核心。STM32處理器采用ARM公司最新的V7體系架構(gòu)的內(nèi)核Cortex-M3，它的速度比ARM7快三分之一，功耗低四分之三，同時(shí)集成了分支預(yù)測，硬件除法，單周期乘法等功能，大大地提高了處理器的數(shù)據(jù)處理能力，同時(shí)采用最新的Thumb-2指令集，有效地降低了代碼的密度，提高了程序的執(zhí)行效率。通過對其性能和功耗的分析，本系統(tǒng)采用的型號為STM32F107。

STM32F107有豐富的片上資源和I/O接口，不但簡化了系統(tǒng)硬件，同時(shí)降低了系統(tǒng)功耗。其最高運(yùn)行速度可達(dá)72 MHZ，具有256K字節(jié)的Flash、64K字節(jié)的RAM，大大提高了程序運(yùn)行速度。豐富的I/O接口使其通信能力增加，包括3個(gè)SPI接口、5個(gè)USART串行接口、2個(gè)I2S口、2個(gè)I2C口。另外STM32F107擁有全速USB（OTG）接口、兩路CAN接口，以及以太網(wǎng)10/100MAC模塊。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

配電終端的采集分為模擬量的采集和開入量的采集。模擬量主要采集電壓、電流信息，開入量主要采集變壓器的開關(guān)狀態(tài)。

2.2.1 模擬量數(shù)據(jù)采集

配電終端的交流輸入信號分別取自電壓互感器和電流互感器，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)電信號與弱電信號的隔離與變換。此部分功能由AD7606模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片來實(shí)現(xiàn)。AD7606是16位，8通道同步模數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，每通道的采樣率能達(dá)到200 ksps,內(nèi)置模擬輸入嵌位保護(hù)、二階抗混疊濾波器、跟蹤保持放大器、16位電荷再分配逐次分配型模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），可以處理±10 V和±5 V真雙極性輸入信號。AD7606與STM32接線圖如圖3所示。

圖3 AD7606與STM32接線邏輯圖Fig.3 Wiring logic diagram of AD7606 and STM32

由AD7606的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和芯片特性可知，其內(nèi)部的信號調(diào)理電路中，加入了低噪聲高輸入阻抗的信號調(diào)理電路，所以無需添加額外的外部驅(qū)動(dòng)和濾波電路。A/D 芯片的并行數(shù)據(jù)輸出口直接連接到CPU的數(shù)據(jù)線PA［15∶ 0］; CPU的GPIOB［15∶ 13］與OS［2∶ 0］，控制過采樣倍率;GPIOB8 連接AD7606的片選端CS，GPIOB9連接A/D 的讀使能信號RD; GPIOB10 連接A/D 的RESTET，用于重啟芯片；A/D的BUSY 信號連接到CPU的外部中斷接口XINT，產(chǎn)生中斷； GPIO12連接CONVST A＆B，用于啟動(dòng)A/D 采樣并轉(zhuǎn)換。

2.2.2 開關(guān)量數(shù)據(jù)采集

開關(guān)量的數(shù)據(jù)采集即是采集開關(guān)的開關(guān)狀態(tài)，STM32F107的I/O口都可以配置為開關(guān)量輸入端口, 并且通用的I/O 可以配置到16 個(gè)外部中斷線上但采集的開關(guān)量信息會含有高頻噪聲和小信號干擾，為了提高電絕緣和抗干擾能力，必須實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場開關(guān)量與STM32間的電氣隔離。其開關(guān)量輸入電路如圖4所示。其中R1、R2為上拉限流電阻，使進(jìn)入二級管的電流限制在毫安級；TVS1能抑制電壓電流的瞬態(tài)干擾，防止電壓和電流的突然上升；C1、C2為旁路電容，用來濾除高頻噪聲[7]。

圖4 開關(guān)量輸入電路Fig.4 Switch input circuitl

2.3 GPRS通信模塊設(shè)計(jì)

SIM300是一款三頻段GSM/GPRS模塊，可在全球范圍內(nèi)的EGSM 900 MHz、DCS 1 800 MHz、PCS 1 900 MHz 3種頻率下工作，能夠提供GPRS多達(dá)10個(gè)的多信道類型，并且支持CS-1、CS-2、CS-3和 CS-4 4種GPRS編碼方案。根據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù)的任務(wù)不同，分為定時(shí)發(fā)送、報(bào)警發(fā)送、主動(dòng)查詢等功能，對采集來的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換為字符型變量，然后按照規(guī)約中數(shù)據(jù)幀的格式進(jìn)行發(fā)送[8-9]。

MCU通過CAN 總線接收到各監(jiān)測點(diǎn)傳感器信息后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，然后將其分類。配電終端的處理命令以短信的形式或通過GPRS 服務(wù)器用戶界面?zhèn)魉偷教幚碇行?，解析后將命令傳送給MCU。MCU通過CAN 總線控制相應(yīng)的智能終端執(zhí)行命令。SIM300模塊的外圍電路如圖5所示[10]。

圖5 SIM300電路Fig.5 Circuit of SIM300

2.4 其他模塊設(shè)計(jì)

電源模塊：本系統(tǒng)中，CPU控制芯片STM32107VC采用+3.3 V電源電壓供電；模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7606采用單5 V供電；GPRS通信模塊SIM300采用單電源電壓供電3.4～4.5 V。所以，為提供3.4～5 V的供電電壓，本系統(tǒng)采用SOT-223封裝的AMS1117-1.8來供電，其輸入電源電壓范圍是3.3～12 V。

時(shí)鐘模塊：本系統(tǒng)采用PCF8563時(shí)鐘芯片為系統(tǒng)提供精確的時(shí)鐘脈沖。 PCF8563是PHILIPS 公司推出的一款工業(yè)級內(nèi)含I2C 總線接口功能的具有極低功耗的多功能時(shí)鐘/日歷芯片，可編程輸出頻率為32.768 kHz、1024 Hz、32 Hz、1 Hz,芯片最大總線速度為400 kbits/s,通過串行方式與主控制器通信。

信息存儲模塊：為了記錄每相電壓、電流及其諧波次數(shù)、有功功率、無功功率、功率因素、開關(guān)開斷狀態(tài)等，系統(tǒng)采用EEPROM存儲器M24M01 來保存終端的運(yùn)行數(shù)據(jù)。它包含一個(gè)IIC串口，并可在一條IIC總線上對最多八個(gè)器件進(jìn)行尋址。M24M01支持連續(xù)和隨機(jī)操作，允許字節(jié)和頁式定操作。

3 軟件的實(shí)現(xiàn)

在本系統(tǒng)中，軟件設(shè)計(jì)以結(jié)構(gòu)化和模塊化為原則，將軟件按功能劃分若干個(gè)獨(dú)立模塊，每個(gè)獨(dú)立模塊由相應(yīng)的函數(shù)來實(shí)現(xiàn)，最終由主程序來統(tǒng)一協(xié)調(diào)調(diào)度。主要實(shí)現(xiàn)對配電網(wǎng)的電壓、電流、開關(guān)信號的實(shí)時(shí)采集，進(jìn)行處理后將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)保存到存儲器中，并隨時(shí)響應(yīng)主站的召喚發(fā)送數(shù)據(jù)和響應(yīng)主站的控制命令。其程序框圖如圖6所示。

軟件設(shè)計(jì)時(shí)，首先對STM32F107VC各引腳進(jìn)行初始化，還要對其處圍芯片如模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7606、GPRS芯片SIM300、紅外線芯片等引腳及其相關(guān)寄存器進(jìn)行設(shè)置。初始化之后，系統(tǒng)入正常的工作模式。數(shù)據(jù)采集時(shí)，每間隔60 ms將數(shù)據(jù)采集一次，數(shù)據(jù)采集完成之后判斷主機(jī)是否有數(shù)據(jù)請求，若有數(shù)據(jù)請求，通過GPRS將數(shù)據(jù)發(fā)送到主機(jī)接收器。在沒有數(shù)據(jù)請求的情況下，判斷是否要定時(shí)發(fā)送，定時(shí)發(fā)送設(shè)定時(shí)間為10 min。定時(shí)發(fā)送每發(fā)送一次，都會在顯示屏上刷新一次，將發(fā)送的數(shù)據(jù)顯示出來。

圖6 軟件設(shè)計(jì)的流程圖Fig.6 Flow chart the software design

4 監(jiān)控設(shè)備的試運(yùn)行

監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備開發(fā)完成后，在浙江某縣農(nóng)電所兩個(gè)配電臺區(qū)進(jìn)行掛網(wǎng)測試，累計(jì)已超過10個(gè)月，采用了經(jīng)濟(jì)性較好，安全性相對低的GPRS通信技術(shù)。使用中國移動(dòng)公司的通信網(wǎng)絡(luò)，每月通信費(fèi)用只有幾十元，費(fèi)用較低，完全符合農(nóng)村的實(shí)際條件。并且該監(jiān)控終端對農(nóng)網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確可靠，總體運(yùn)行良好，使該農(nóng)電所的智能化水平大大提高。同時(shí)，在運(yùn)行中也發(fā)現(xiàn)一些需要改進(jìn)的地方，包括抗電磁干擾能力較弱以及高級應(yīng)用功能開發(fā)不足等，也是下一步工作的重點(diǎn)。

5 結(jié) 論

文中針對農(nóng)網(wǎng)配電臺區(qū)智能化的需求，綜合考慮硬件成本及軟件開發(fā)周期，完成了主要針對農(nóng)網(wǎng)智能監(jiān)控終端的設(shè)計(jì)。基于AD7606數(shù)據(jù)采樣和GPRS通信的監(jiān)控終端，可以為數(shù)據(jù)中心服務(wù)器提供豐富、高精度的、實(shí)時(shí)性的變壓器運(yùn)行參數(shù)，并且利用GPRS網(wǎng)絡(luò)利用GPRS網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣，通信可靠，實(shí)現(xiàn)了對農(nóng)網(wǎng)的有效的實(shí)時(shí)監(jiān)控。該系統(tǒng)的使用可大幅度降低電工的工作量和維護(hù)成本，也大大提高了農(nóng)村電網(wǎng)的自動(dòng)化程度，為建設(shè)智能化農(nóng)網(wǎng)走出了關(guān)鍵一步。

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Design of rural intelligent power distribution monitor and measurement terminal based on STM32

CHU Cheng-biao, HAO Si-peng, HE Xiao-dong, WAN Meng, WU Han-jun, FENG Yu-kun
（ Nanjing Institute of Technology, School of Electric Power Engineering, Nanjing 211167, China）

As rural power grids in China distribution area is low degree of automation, backward monitoring mode, data collection difficulties and so on, so this paper designed the intelligent power distribution monitoring terminal based on GPRS communication. The terminal takes STM32 as micro controller, AD7606 as the core of electric power information collection module, and includes the integrated infrared module, RS485 communication module, the keyboard and LED display module, etc. The host server is connected to the distribution terminal through the remote communication to achieve remote measurement and control in rural areas. So it greatly improves the rural power grid intelligent degree.The device is suitable for vast rural promotion not only its low cost but also its good monitoring effect.

STM32; GPRS; electric power information collection；monitor and measurement terminal

TN91

A

1674-6236(2014)14-0059-04

2014-02-27 稿件編號：201402207

國家自然科學(xué)基金（51077068，51107120）；江蘇省教育廳自然基金（11KJB470008）

楚成彪（1988—），男，山東菏澤人，碩士研究生。研究方向：配電網(wǎng)自動(dòng)化。