配電網(wǎng)智能監(jiān)測(cè)終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王 康 ，章國(guó)寶

（東南大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 210096）

隨著我國(guó)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(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)，了解當(dāng)前配電網(wǎng)的實(shí)時(shí)運(yùn)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(wèn)題[1]。目前，掌握配電網(wǎng)實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)主要通過(guò)電能表來(lái)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(wú)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(dòng)和閃變等情況時(shí)，電表也不能做出相應(yīng)的事件記錄或者遠(yuǎn)程報(bào)警等[3]。針對(duì)如何準(zhǔn)確獲得配電網(wǎng)實(shí)時(shí)運(yùn)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(wèn)題，文中以TMS320F28335和ADE7878為核心，提出一種配電網(wǎng)智能監(jiān)測(cè)終端的設(shè)計(jì)方法。

1 總體方案設(shè)計(jì)

1.1 核心芯片介紹

TMS320F28335是德州儀器（TI）推出的一款浮點(diǎn)型高性能32位數(shù)字信號(hào)處理器，主頻可達(dá)150 MHz，具有單精度浮點(diǎn)運(yùn)算單元。片上資源豐富，具有256 k×16 bit的Flash存儲(chǔ)器，34k×16bit的 SRAM ，3個(gè) 32位 CPU定時(shí)器，3個(gè) SCI（UART）模塊，1個(gè) SPI模塊，1路 I2C總線(xiàn)，2通道 CAN總線(xiàn)和2個(gè)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(jì)量芯片，內(nèi)置多個(gè)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(hào)處理電路以實(shí)現(xiàn)對(duì)電能量參數(shù)計(jì)算。同時(shí)ADE7878可以提供電網(wǎng)三相電壓和電流的瞬時(shí)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(shí)時(shí)運(yùn)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(chǔ)、遠(yuǎn)程通信以及開(kāi)關(guān)量輸出等工作。ADE7878主要完成對(duì)配電網(wǎng)實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集和一次計(jì)算工作，將采集到的配電網(wǎng)實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)通過(guò)SPI接口與TMS320F28335連接。配電網(wǎng)電流信號(hào)采集是通過(guò)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(hào)送入ADE7878的電流信號(hào)輸入端。電壓信號(hào)采集是通過(guò)LCTV31CE（2mA/2mA）精密電流型電壓變換器后直接送入ADE7878的電壓信號(hào)輸入端。外圍電路模塊包括實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路、看門(mén)狗電路以及RS485通信電路。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)主要硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 電壓信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)

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

電壓信號(hào)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(huì)存在相位延遲的問(wèn)題，但缺少隔離，會(huì)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(lái)相位延遲的問(wèn)題，但可以提高系統(tǒng)的電磁兼容性和穩(wěn)定性。而針對(duì)相位延遲問(wèn)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(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行采集。圖2所示電壓互感器接線(xiàn)方法，可以使得電壓信號(hào)的相位誤差在5°以?xún)?nèi)。

圖2 電壓信號(hào)采集電路Fig．2 Voltage sample

其中，以電網(wǎng)頻率f=50 Hz來(lái)計(jì)算C1的取值如下：

由于ADE7878的電壓信號(hào)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(cè)量的交流電壓信號(hào)范圍上限可以接近500V。

2.2 電流信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)

由于配電網(wǎng)運(yùn)行環(huán)境較為復(fù)雜，有時(shí)會(huì)有瞬時(shí)大電流經(jīng)過(guò)，為了保證檢測(cè)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(hào)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(xiàn)性。詳細(xì)電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 電流信號(hào)采集電路Fig．3 Current sample

2.3 ADE7878電路設(shè)計(jì)

ADE7878具有 12路信號(hào)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(xiàn)電流信號(hào)是以差分電壓信號(hào)的形式輸入，三相電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)適當(dāng)變換直接輸入。ADE7878的滿(mǎn)量程輸入電壓信號(hào)為±500 mV。ADE7878具有四種電源選擇模式，通過(guò)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(guò)4線(xiàn)SPI接口與DSP相連接，同時(shí)/IRQ0和/IRQ1引腳連接在DSP的GPIO上以便于DSP對(duì)ADE7878發(fā)出的中斷信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。ADE7878自帶三個(gè)脈沖輸出端口CF1、CF2、CF3通過(guò)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(jì)如圖4所示。

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

2.4 I2C接口電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中，實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路均采用I2C總線(xiàn)通信方式。

時(shí)鐘芯片選擇上海貝嶺公司的一款低功耗實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片 BL5372，具有標(biāo)準(zhǔn)的 I2C通信接口，外加 32．768 kHz時(shí)鐘晶振，具有兩套報(bào)時(shí)系統(tǒng)，內(nèi)置一個(gè)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(shí)間調(diào)整電路，可以保證時(shí)鐘走時(shí)的高精度。并且具有兩路可編程脈沖信號(hào)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(jì)如圖5所示。

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

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

圖6 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊電路設(shè)計(jì)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(yùn)行出現(xiàn)異常，此時(shí)TPS3823的/RESET引腳會(huì)向主控制器的/RST口發(fā)出一個(gè)200 ms的低電平復(fù)位信號(hào)，使得主控制器復(fù)位。詳細(xì)電路如圖7所示。

圖7 看門(mén)狗電路設(shè)計(jì)Fig．7 Watchdog circuit

2.6 通信模塊設(shè)計(jì)

配電網(wǎng)智能監(jiān)測(cè)終端在對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的同時(shí)，還要將檢測(cè)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(jí)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(mǎn)足系統(tǒng)通信要求。其中，為了增強(qiáng)通信過(guò)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(duì)信號(hào)進(jìn)行光電隔離。詳細(xì)電路設(shè)計(jì)如圖8和圖9所示。

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

3 軟件設(shè)計(jì)

配電網(wǎng)智能監(jiān)測(cè)終端主要完成對(duì)配電網(wǎng)實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)的檢測(cè)以及電能質(zhì)量分析，需要檢測(cè)的物理量有三相電壓、三相電流、正反向有功電能、四象限無(wú)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(cè)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(cè)主要通過(guò)ADE7878完成，TMS320F28335通過(guò)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(shí)完成帶時(shí)間標(biāo)志的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、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(yùn)行時(shí)，在完成基本初始化工作后，會(huì)先讀取EEPROM中存儲(chǔ)的校表參數(shù)，并對(duì)ADE7878進(jìn)行參數(shù)校準(zhǔn)。之后通過(guò)與主站通信，對(duì)配電終端進(jìn)行校時(shí)。系統(tǒng)自帶3個(gè)CPU定時(shí)器，其中Timer0用于定時(shí)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(shí)間間隔計(jì)時(shí)，正常情況下，配電終端與主站每隔15 min必定會(huì)有一次通信，如果15min還為接收到來(lái)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(shí)際情況，提出了一種配電網(wǎng)智能監(jiān)測(cè)終端的設(shè)計(jì)方案，并對(duì)電網(wǎng)實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)檢測(cè)，電能量數(shù)據(jù)的處理和計(jì)算、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和通信方面做了詳細(xì)說(shuō)明。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的實(shí)際運(yùn)行，整個(gè)系統(tǒng)在電網(wǎng)實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)檢測(cè)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(yùn)行的穩(wěn)定性方面均具有良好表現(xiàn)。

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