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        一種農(nóng)網(wǎng)智能終端系統(tǒng)設(shè)計

        2015-05-25 06:08:30唐緒偉
        電氣技術(shù) 2015年3期
        關(guān)鍵詞:電能系統(tǒng)

        鐘 峰 唐緒偉

        (懷化職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖南 懷化 418000)

        隨著我國電力系統(tǒng)的快速發(fā)展,農(nóng)村配變電網(wǎng)系統(tǒng)處于深度建設(shè)、發(fā)展和改造的新歷程。國家需打造信息化、自動化、互動化特征的智能電網(wǎng)系統(tǒng),對農(nóng)村配變電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)發(fā)展提出了更高、更新的要求[1]。

        目前,我國農(nóng)村電網(wǎng)的運行優(yōu)化和建設(shè)規(guī)劃缺乏依據(jù),一旦臺區(qū)變漏電保護裝置閉鎖,則手動合閘。因漏電保護裝置頻繁動作,觸電事故或者長時間停電事件經(jīng)常發(fā)生。臺區(qū)變燒損率高、無功控制方式落和配電變壓器防盜技術(shù)及運行監(jiān)控方式落后、監(jiān)控裝置功能單一、全套采購安裝成本太高等缺點,為了改善農(nóng)村低壓配變電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的自動化管理水平[1],結(jié)合當(dāng)前我國農(nóng)村供配變電系統(tǒng)的現(xiàn)狀和管理特點,設(shè)計了一種農(nóng)網(wǎng)供電臺區(qū)變綜合監(jiān)控系統(tǒng)[2]。對推動農(nóng)村供配變電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的健康發(fā)展具有十分重大的現(xiàn)實意義和推廣價值[3]。

        1 系統(tǒng)總體規(guī)劃與結(jié)構(gòu)

        通過實地調(diào)研,聽取和分析相關(guān)電力部門專業(yè)人員所指出的當(dāng)前農(nóng)村地區(qū)低壓配電網(wǎng)絡(luò)的運行狀況及存在的問題,得出該終端應(yīng)具備:三相電網(wǎng)參數(shù)的采集、計算、存儲及統(tǒng)計、無功補償與電容器保護、漏電保護器控制、配電變壓器保護、負荷投切控制、故障報警、遠程通信與控制、參數(shù)設(shè)置等功能。系統(tǒng)功能圖如圖1所示。

        系統(tǒng)程序由10 個功能模塊組成:①系統(tǒng)初始化模塊,用于CPU 系統(tǒng)資源初始化、變量定義及初始化、各硬件模塊初始化等;②電源管理單元模塊,用于對CPU、LCD 液晶節(jié)電模式管理;③人機交互界面模塊,用于按鍵功能、LCD 液晶顯示界面內(nèi)容及界面切換設(shè)計;④GPRS 通信模塊,用于數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收、完成設(shè)備的編碼與譯碼等功能;⑤時鐘DS1302 集成模塊,用于系統(tǒng)時間的提供,完成DS1302 芯片驅(qū)動程序設(shè)計;⑥鐵電存儲器模塊,鐵電存儲器驅(qū)動程序設(shè)計,用于保存系統(tǒng)重要參數(shù)與標(biāo)志;⑦功率計量ATT7022B 模塊,用于采集三相電網(wǎng)電壓、電流及其他電氣參數(shù)的計算,完成ATT7022B 功率計量芯片的接口程序設(shè)計;⑧參數(shù)處理及監(jiān)測模塊,用于電量參數(shù)、數(shù)字IO 狀態(tài)量等參數(shù)的采樣、處理和監(jiān)測;⑨無功功率管理模塊,用于電容器的投入、切斷控制和保護;⑩預(yù)警保護模塊,根據(jù)參數(shù)監(jiān)測及處理模塊的輸出結(jié)果,完成相關(guān)保護動作[3]。

        系統(tǒng)是針對變壓器的遠程智能監(jiān)控(即農(nóng)村低壓配電網(wǎng)絡(luò)),為了驗證系統(tǒng)設(shè)計的正確性、可靠性及穩(wěn)定性,文章還搭建配電網(wǎng)絡(luò)實驗?zāi)M平臺。該平臺由變壓器、交流接觸器、漏電保護器及模擬負載構(gòu)成。整體框圖如圖2所示。

        圖1 系統(tǒng)功能圖

        圖2 整體框圖

        結(jié)合系統(tǒng)功能,采用微控制器為核心,配合電能參數(shù)計量芯片和存儲芯片,完成相關(guān)電能參數(shù)的采集、處理與儲存,通過光電耦合器控制4 路繼電器,實現(xiàn)3 路饋線及無功線路的投切控制,另外需要將線路中有關(guān)的開關(guān)信號量(交流接觸器輔助觸點的連通狀態(tài))引入微控制器中,以便微控制器做出相應(yīng)判斷與合理動作。

        系統(tǒng)以C8051F020 單片機為主控制器,它具有高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051 兼容的CIP-51 內(nèi)核,指令速度可達25MIPS,64kb 的可在系統(tǒng)編程的Flash存儲存器,4kb 的片內(nèi)RAM[4]。最重要的是其指令集系統(tǒng)與傳統(tǒng)的MCS-51 指令集完全兼容,大大縮短了開發(fā)周期。

        以ATT7022B 為三相電能計量芯片。它是一顆高精度三相電能專用計量芯片,適用于三相三線和三相四線應(yīng)用,能夠測量各相以及合相的有功功率、無功功率、視在功率、有功能量及無功能量等參數(shù),所測參數(shù)齊全,且有功測量滿足0.2s、0.5s 級,支持IEC 62053-22,GB/T 17883-1998,無功測量滿足2 級、3 級,支持IEC 62053-23,GB/T 17882-1999,精度滿足系統(tǒng)要求[10]。

        GPRS 通信模塊選用成品模塊,此模塊留有通信接口與固定插針,易于集成至主板上,且附帶有上位機配置軟件,操作簡單方便。運行測試表明,其穩(wěn)定性好。

        2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

        系統(tǒng)由C8051F020 主控制器模塊、ATT7022B三相電能計量模塊、GR100E GPRS 無線通信模塊、鐵電存儲器模塊、時鐘模塊、液晶顯示模塊與電源模塊等構(gòu)成。

        ATT7022B 電能計量芯片硬件電路設(shè)計:

        ATT7022B 是一款精度高、功能強的防竊電基波諧波三相電能專用計量芯片。它集成七路二階sigma-delta ADC,其中三路用于三相電壓參數(shù)采樣,三路用于三相電流參數(shù)采樣,最后一路用于零線電流或其他防竊電參數(shù)采樣??奢敵霾@示實時采樣數(shù)據(jù)及有效值,使用方便。該芯片適合在三相三線制和三相四線制電網(wǎng)電路中的應(yīng)用[5]。系統(tǒng)集成了參考電壓電路和各項電參數(shù)測量的數(shù)字信號處理電路,可以完成有功功率、無功功率、視在功率、有功能量以及無功能量的測量。同時還可測量頻率、相電流和相電壓的有效值、功率因數(shù)、相位角等參數(shù),提供兩種視在電能,充分滿足三相多功能電能表以及基波諧波電能表制作的需求[6]。系統(tǒng)還集成了一個SPI 接口,可方便與外部MCU 之間的計量參數(shù)和校表參數(shù)傳遞。

        ATT7022B 三相電能計量芯片的采樣電壓輸入有3 種方法:①直接采用電阻分壓;②利用電壓互感器變壓;③先將輸入電壓轉(zhuǎn)換成電流,經(jīng)過電流互感器將電流轉(zhuǎn)換成電壓[6]。其中方法②和方法③都需要配備一款精度高的電壓或電流互感器,增加了制作成本,故系統(tǒng)直接使用電阻分壓方式。其電路圖如圖3所示。

        圖3 電壓采樣電路

        圖3中,Vx 接相線,Vncom 接零線,F(xiàn)U201為耐壓600V、熔斷電流為160mA 的自恢復(fù)保險電阻,RMY2001 為471K 的壓敏電阻,他們的主要功能是防過流與過壓,提高系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性與安全性。R2001 與R2009 夠成電壓分壓網(wǎng)絡(luò),保證a 點電壓在0.5V 左右,因為根據(jù)ATT7022B 三相電能計量的芯片模擬輸入端的要求,電壓通道有效值在10mV 至1V 的范圍內(nèi)時,其線性誤差小于0.5%,故取樣信號選擇0.5V。R2012 與C2001 構(gòu)成了抗混疊濾波器,保證輸入信號的“純度”。其結(jié)構(gòu)參數(shù)要求對稱,并采用溫度性能較好的元器件,從而保證系統(tǒng)獲得良好的溫度特性。每路ADC 的交流輸入由管腳VxP 和VxN 輸入,同時要求VxP、VxN 迭加2.4V 左右直流偏置電壓[7],以保證輸入信號波形不失真。該偏置電壓可以由芯片的參考電壓輸出引腳REFOUT 獲得,也可以由外部基準(zhǔn)電壓提供。本系統(tǒng)直接采用芯片參考電壓輸出引腳提供此偏置電壓。

        電流采樣電路直接使用電流互感器,將輸入的大電流變換成小電流信號,然后再將電流信號轉(zhuǎn)換成符合采樣芯片要求的電壓信號,電路如圖4所示。

        圖4 電流采樣電路

        圖4中,Vx 接相線,Vncom 接零線,CT 為輸入額定電流1.5A(最大6A)、輸出電流為5mA 的電流互感器,電阻R1002 控制a 點的電壓值大小,即輸入至ADC 端口的采樣電壓,根據(jù)三相電能計量芯片要求,電流通道ADC 的輸入端采樣信號選擇0.1V,故電阻R1002 的阻值選擇為20。

        3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

        3.1 程序設(shè)計思路

        系統(tǒng)采用了可向控制器中嵌入實時操作系統(tǒng)uC/OS-II 并以其為核心,通過將相應(yīng)功能子模塊程序合理的劃分為多個子任務(wù)方式來編程系統(tǒng)軟件。

        系統(tǒng)軟件以實時操作系統(tǒng)uC/OS-II 為核心,由LCD 界面顯示、按鍵掃描、無功控制、三相電能采樣與故障檢測、故障響應(yīng)、負荷管理及GPRS 通信等7 個子任務(wù)組成。在調(diào)用啟動操作系統(tǒng)任務(wù)函數(shù)OSStart()之前全部創(chuàng)建好,最后由系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度器統(tǒng)一調(diào)度,完成整個系統(tǒng)功能。

        3.2 系統(tǒng)軟件初始化部分流程圖

        系統(tǒng)初始化程序是整個系統(tǒng)軟件中最核心的部分之一。是完成對操作系統(tǒng)、控制器及相關(guān)外圍輔助芯片的初始化,是保證系統(tǒng)能夠正確運行的前提。初始化程序流程圖如圖5所示。

        圖5 初始化程序流程圖

        操作系統(tǒng)初始化部分是通過調(diào)用uC/OS-II 中的OSInit()函數(shù)來完成。該函數(shù)主要功能是初始化uC/OS-II 中所有的變量和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),并建立一個空閑任務(wù),且讓該任務(wù)一直處于就緒狀態(tài)(這是因為uC/OS-II 規(guī)定,在啟動任務(wù)調(diào)度之前,至少要先建立一個任務(wù),否則系統(tǒng)會崩潰)。

        控制器初始化主要完成系統(tǒng)時鐘與管腳的配置、端口狀態(tài)的設(shè)定、系統(tǒng)變量、函數(shù)的聲明和看門狗初始化等。

        外圍輔助芯片的初始化主要包括功率計量芯片ATT7022B 初始化、EEPROM 存儲器的讀寫測試、時鐘芯片的檢測和液晶顯示初始化等操作。部分程序?qū)崿F(xiàn)如下:

        4 系統(tǒng)運行及調(diào)試

        系統(tǒng)測試:

        本文從中選取跳閘報警、遠程合閘操作為例。預(yù)設(shè)變壓器名稱為象形老變,低壓饋線為象胡線,終端編號設(shè)定為91010001。象胡線人為漏電時,監(jiān)控終端檢測到漏電現(xiàn)象,立即跳閘并將該事件通過通信模塊發(fā)送到通信服務(wù)器,服務(wù)器處理后在信息管理中心系統(tǒng)顯示。顯示界面如圖6所示。

        圖6 漏電跳閘事件報警界面

        漏電跳閘報警完成且漏電條件取消前,若保護器已經(jīng)滿足了合閘條件,信息管理中心就會發(fā)出合閘指令。

        圖7 系統(tǒng)象胡線現(xiàn)狀

        圖8 遠程合閘操作界面

        圖9 遠程合閘成功界面

        系統(tǒng)終端在完成自動跳閘、遠程合閘后,再進行遠程跳閘檢測,界面如圖10 所示。

        圖10 遠程跳閘操作界面

        5 結(jié)論

        該終端在功能上具有以下特點:①C8051F020保證了系統(tǒng)高速的運行速度;②高精度專用電能計量芯片ATT7022B 保證了相關(guān)電能參數(shù)的準(zhǔn)確性;③在主控制器中嵌入實時操作系統(tǒng)uC/OS-II,保證了本產(chǎn)品運行的可靠性等;④GPRS 模塊的運用,實現(xiàn)遠程操作與監(jiān)控,無需相關(guān)人員去現(xiàn)場,大大提高了操作的安全性;⑤系統(tǒng)人機界面友好,實現(xiàn)了相電壓、相電流、有功功率、無功功率、功率因 數(shù)、無功總量、有功總量、系統(tǒng)功率因數(shù)、電度用量、零序電流等參數(shù)的顯示,顯示齊全,方便維護與檢修;⑥四個按鍵可以完成參數(shù)查閱、現(xiàn)場點動、參數(shù)設(shè)置等所有操作,操作簡單方便。

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