【摘要】針對農(nóng)村電網(wǎng)配電線路網(wǎng)架復(fù)雜，容易受頻率特性、阻抗特性、噪聲特性等造成的監(jiān)控困難的事實(shí)，可利用電力載波通信，其具有成本低、速率高和方便快捷等優(yōu)點(diǎn)，因此用其優(yōu)點(diǎn)設(shè)計(jì)了農(nóng)村電網(wǎng)穩(wěn)定性遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[1]。該系統(tǒng)以STM32F103X為核心處理器，利用KQ-130F+電力載波模塊建了一種基于KQ-130F+的電力載波通信協(xié)議。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸，與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的智能監(jiān)控器相比，該系統(tǒng)在性能、結(jié)構(gòu)及功耗方面有很大改善和提高，更適用于農(nóng)村電力線網(wǎng)絡(luò)自動化改造系統(tǒng)。

【關(guān)鍵詞】電力載波;農(nóng)村電網(wǎng);通信協(xié)議

近幾年我國農(nóng)村用電量大幅度增加，因農(nóng)村用電設(shè)備的配套和使用管理不夠合理，造成農(nóng)村電網(wǎng)功率因數(shù)低和電壓質(zhì)量低，引起功率損耗和電能損耗增加。針對此現(xiàn)象采用SVG-技術(shù)對農(nóng)村電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，自動補(bǔ)償電網(wǎng)系統(tǒng)所需無功功率，對電網(wǎng)無功功率實(shí)現(xiàn)動態(tài)無功補(bǔ)償，提高農(nóng)村電網(wǎng)的功率因數(shù)和電網(wǎng)供電質(zhì)量。

基于ARM Cortex-M3架構(gòu)的STM32F103X系列微處理器作為硬件平臺，實(shí)現(xiàn)電力參數(shù)的自動采集、狀態(tài)監(jiān)測、報(bào)警控制等功能，完成對電網(wǎng)的全面檢測，實(shí)時(shí)控制。有效的避免并預(yù)防事故的發(fā)生。

電力線載波通信PLC具有組網(wǎng)簡單、成本低廉、可操作性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電力網(wǎng)自動化改造系統(tǒng)中.。

本文通過KQ-130F+電力載波模塊和STM32F103X單片機(jī)構(gòu)成系統(tǒng)針對農(nóng)村電網(wǎng)SVG無功補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測，并介紹了該系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計(jì)。

1.總體設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)采用上位機(jī)系統(tǒng)和下位機(jī)系統(tǒng)，農(nóng)村低壓供電線路作為通信媒介，構(gòu)成一個(gè)完整的在線監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖如圖1所示。上位機(jī)系統(tǒng)包含PC計(jì)算機(jī)、控制單片機(jī)、載波通信模塊，作用是接收下位機(jī)系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息以及對下位機(jī)系統(tǒng)發(fā)送控制指令。下位機(jī)系統(tǒng)包含載波通信模塊、數(shù)據(jù)采集單片機(jī)、電流互感器、電流變送器、電壓互感器、電壓變送器等.其中數(shù)據(jù)采集單片機(jī)包括模擬量與開關(guān)量的采集同時(shí)又包括：接收通過載波數(shù)據(jù)通訊模塊發(fā)來的控制命令;控制數(shù)據(jù)采集模塊完成數(shù)據(jù)采集，并將采集的數(shù)據(jù)按照規(guī)定的格式及要求發(fā)給載波數(shù)據(jù)通訊模塊，由載波數(shù)據(jù)通訊模塊將數(shù)據(jù)調(diào)制到低壓供電網(wǎng)絡(luò)。

經(jīng)過載波通訊模塊解調(diào)的信息被上位機(jī)系統(tǒng)中的控制單片機(jī)接收，通過RS-232總線傳給PC計(jì)算機(jī)，由PC計(jì)算機(jī)通過相應(yīng)的處理.這里的載波數(shù)據(jù)通訊模塊采用四川科強(qiáng)電子技術(shù)有限公司的KQ-130F+高速/過零兼容型載波通信模塊，通訊波特率設(shè)計(jì)為9600bps[2]。

圖1 農(nóng)村電網(wǎng)SVG無功補(bǔ)償遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 下位機(jī)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

下位機(jī)系統(tǒng)的主要功能是完成農(nóng)村電網(wǎng)中SVG連接點(diǎn)處電壓與電流模擬量與開關(guān)量的數(shù)據(jù)采集，并將采集到的數(shù)據(jù)通過電力網(wǎng)傳到上位機(jī)，系統(tǒng)連接圖如圖2所示。

由圖2可知，單片機(jī)STM32F103ZE最高工作頻率可達(dá)到72MHz，具有512K可編程Flash存儲器、64K SRAM、3個(gè)12位ADC、5個(gè)全雙工串行口等.由于系統(tǒng)中載波數(shù)據(jù)通訊模塊采用串口通訊的工作方式，單片機(jī)的PA9/TXD和PA10/RXD端口與載波模塊的RXD和TXD端口對應(yīng)連接。為了保證誤碼率為0，串口通訊設(shè)置為9600 bps波特率，單片機(jī)采用8MHz的石英晶振。電力數(shù)據(jù)采集信號的模擬量都為高電壓信號和大電流，數(shù)據(jù)采集前必須將其調(diào)整電壓信號使其滿足STM32F103ZE ADC，然后由模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字量。各相電流信號經(jīng)過電流互感器和電流變送器變?yōu)樾‰娏餍盘?，各相電壓信號則通過電壓互感器和電壓變送器變換為低電壓信號，輸入到STM32的ADC模擬輸入通道，其幅值范圍為0～3.3V。而開關(guān)量的采集可以直接配置STM32F103ZE的I/O口為開關(guān)量輸入，并且通用的I/O可以配置到16個(gè)外部中斷線上。開關(guān)量輸入電路如圖3所示。開關(guān)量信號由IN端口輸入，電容C與電阻R構(gòu)成一階低通濾波器濾除高頻噪聲，減小信號的毛刺，采用光耦合器TLP521實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場開關(guān)量與STM32間的電氣隔離，提高電絕緣和抗干擾能力[3]。

圖2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電路圖

圖3 開關(guān)量輸入電路圖

2.2 上位機(jī)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

在上位機(jī)系統(tǒng)中，為了節(jié)省成本，并使電路簡單。載波通訊模塊、控制單片機(jī)采用與下位機(jī)系統(tǒng)同樣的芯片。STM32F103ZE作為主核心芯片，主要工作分為兩個(gè)部分：一是在接收到上位計(jì)算機(jī)PC發(fā)來的控制命令后，通過載波通訊模塊完成向數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)送控制命令;二是完成與數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)據(jù)傳送工作，將下位機(jī)采集的數(shù)據(jù)傳送到上位PC計(jì)算機(jī)。

3.系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)及通信方法

3.1 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用Realview MDK為開發(fā)平臺。應(yīng)用程序包括主程序，數(shù)據(jù)采集及處理程序，串行通信程序等。主程序主要提供系統(tǒng)時(shí)鐘、GPIO口、嵌套中斷的配置及定時(shí)器、ADC和串行通訊模塊的初始化[4]。

數(shù)據(jù)采集及處理程序，通過T2定時(shí)器每隔6ms觸發(fā)一次ADC注入組同步轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)束將進(jìn)入中斷服務(wù)程序，然后讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，計(jì)算出電壓、電流有效值。其中，電壓有效值計(jì)算式如圖4所示。

式中：U為電壓有效值，n為每周期采樣點(diǎn)數(shù)，Uk為第k點(diǎn)采樣電壓值[5]。

電流有效值計(jì)算式為：

式中：I為電流有效值，n為每周期采樣點(diǎn)數(shù)，ik為電流采樣值。

3.2 控制單片機(jī)與下位機(jī)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的通訊流程

當(dāng)上位機(jī)系統(tǒng)中的控制單片機(jī)向下位機(jī)的數(shù)據(jù)采集單片機(jī)發(fā)出采集數(shù)據(jù)命令，數(shù)據(jù)采集單片機(jī)接收到命令以后，根據(jù)采集數(shù)據(jù)的需求發(fā)送信息數(shù)據(jù)，同時(shí)等待主通訊單片機(jī)的應(yīng)答信號。在定時(shí)模式下數(shù)據(jù)采集模塊接收上位機(jī)發(fā)出控制命令的中斷程序流程如圖4所示。

圖4 通信流程圖

3.3 系統(tǒng)的通訊協(xié)議

本傳輸協(xié)議采用三種幀結(jié)構(gòu)：數(shù)據(jù)幀、指令幀、ACK幀[6]。其中數(shù)據(jù)幀和指令幀用于文件傳輸，為了簡化協(xié)議復(fù)雜度數(shù)據(jù)幀與指令幀統(tǒng)一歸為信息幀，如圖5所示。按KQ-130F+通訊模塊的通訊要求第一個(gè)字節(jié)為要傳送一幀的字節(jié)數(shù)0-250（不含第一個(gè)字節(jié)），所以信息幀中的計(jì)數(shù)位占用一個(gè)字節(jié);起始位占2個(gè)字節(jié);源地址及目標(biāo)地址各占3個(gè)字節(jié);標(biāo)志位用來區(qū)別數(shù)據(jù)信息和指令信息以及信息的類別，信息的類別分為電壓、電流，共占1個(gè)字節(jié);信息位為數(shù)據(jù)信息或指令信息，占8個(gè)字節(jié);校檢碼用來防止信息出錯(cuò)，這里采用循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（CRC）檢方式，占2個(gè)字節(jié);結(jié)束碼統(tǒng)一采用0xA5，占1個(gè)字節(jié)，整個(gè)信息幀共21個(gè)字節(jié)，168位。

圖5 信息幀格式

另一種為ACK幀用于判斷信息是否正常接收。格式如圖5所示。ACK幀格式中計(jì)數(shù)位、起始位、源地址、目標(biāo)地址、標(biāo)志位、結(jié)束位的格式與信息格式相同，標(biāo)志碼為0xF0，占1個(gè)字節(jié)。無信息字和效檢位，共11個(gè)字節(jié)，88位。

圖6 ACK幀格式

4.結(jié)束語

基于ARM和電力載波結(jié)合的農(nóng)村電網(wǎng)SVG無功補(bǔ)償在線監(jiān)測系統(tǒng)是一個(gè)通過將現(xiàn)場采集電壓信號以低壓供電線路為媒介進(jìn)行數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離通訊方式進(jìn)行檢測的系統(tǒng)。此系統(tǒng)采用ST公司的ARM芯片STM32F103ZE為核心，該芯片包含豐富的功能模塊，無需外擴(kuò)芯片即可實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)通信等功能，簡化了硬件設(shè)計(jì)，節(jié)省投資，有效的利用方便、低成本、高可靠性、簡單易建立的電力網(wǎng)絡(luò)。本文設(shè)計(jì)了電網(wǎng)電力數(shù)據(jù)采集模塊電路和與上位計(jì)算機(jī)PC通訊的主通訊電路，根據(jù)通訊的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了相應(yīng)的通訊協(xié)議及算法，為農(nóng)村電網(wǎng)穩(wěn)定性遠(yuǎn)程控制提供了一種可行方案。

參考文獻(xiàn)

[1]李世芳.電力載波在農(nóng)村電網(wǎng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].2010，31（3）：24-26.

[2]高云.電力載波通信技術(shù)在溫室數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上的應(yīng)用[J].2009，10.

[3]邱建斌，王劭伯.電力載波通信的電源監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].福州大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007，35（2）：312-314.

[4]張旭.基于STM32電力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子測量技術(shù)，2010（11）：90-93.

[5]劉冰.基于單片機(jī)的RTU三相交流采樣技術(shù)[J].中國電力，2006，39（10）：88-90.

[6]GUNGOR V C，LAMBERT F C.A survey on communication networks for electric system automation[J].Computer Networks，2006，50（7）：877-897.