低壓配電網(wǎng)智能監(jiān)測與控制終端軟硬件設(shè)計

許加柱，李曉芳，黃際元，姚新麗，向 博，廖聞迪

(湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長沙 410082）

低壓配電網(wǎng)智能監(jiān)測與控制終端軟硬件設(shè)計

許加柱，李曉芳，黃際元，姚新麗，向 博，廖聞迪

(湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長沙 410082）

針對我國農(nóng)網(wǎng)供電臺區(qū)變在電量參數(shù)監(jiān)控、無功控制和在線監(jiān)測等方面的嚴重不足，提出一種基于GPRS的低壓配電網(wǎng)智能控制及監(jiān)測終端，終端采用混合信號 ISP FLASH微控制器C8051F020，硬件分為系統(tǒng)和接口兩部分。系統(tǒng)部分主要包括CPU、存儲器、實時時鐘芯片、鍵盤/液晶顯示器、復(fù)位及外圍等電路;接口部分包括三相電流互感器、功率計量芯片、RS-485通訊、GPRS模塊、狀態(tài)量監(jiān)測、溫度及變壓器油位檢測等。終端軟件基于 μC/OS-Ⅱ嵌入式操作系統(tǒng)設(shè)計，程序采用多任務(wù)多緩沖區(qū)結(jié)構(gòu)。該終端既可實現(xiàn)對無功功率的快速檢測和實時動態(tài)補償，又能夠準確測量出配電變壓器的各種參數(shù)，實現(xiàn)監(jiān)控終端與上位機之間準確的數(shù)據(jù)傳輸，該裝置精度高、可靠性高、價格低廉，便于推廣。

無功補償;微控制器C8051F 020;智能終端;GPRS;RS-485

1 引言

隨著我國國民經(jīng)濟的發(fā)展，大量的阻感負載接入電網(wǎng)，在運行時產(chǎn)生諧波、電壓波動和閃變，造成電網(wǎng)電壓波形畸變，三相負荷不平衡，供電質(zhì)量下降，影響電網(wǎng)及用戶設(shè)備安全和經(jīng)濟運行，減小無功和消除諧波是提高電能質(zhì)量的必要因素［1-4］。

由于農(nóng)村地理位置的復(fù)雜性，目前全國大部分農(nóng)村電網(wǎng)存在以下問題:①農(nóng)村電網(wǎng)分布廣、距離遠、早晚負荷變化大，運行參數(shù)以及用電情況統(tǒng)計不全，農(nóng)網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)缺乏依據(jù)。②農(nóng)村電網(wǎng)低壓絕緣狀況差，漏電保護裝置頻繁跳閘，農(nóng)網(wǎng)送電及電容器投切尚未實現(xiàn)遠程自動化控制。③農(nóng)村用電常識差，變壓器及低壓線路損壞、被盜情況嚴重。

為解決或緩解上述問題，考慮到農(nóng)網(wǎng)臺變數(shù)量眾多，在滿足基本功能的基礎(chǔ)上，為便于推廣，本文提出一種基于無線分組業(yè)務(wù)GPRS的低壓配電網(wǎng)智能控制及監(jiān)測終端，該終端與主站監(jiān)測計算機依照《Q/GDW130—2005電力負荷管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約》通過GPRS網(wǎng)絡(luò)與主站進行數(shù)據(jù)交換。實時傳輸電能量、功率因數(shù)、峰值、峰值發(fā)生時間、參數(shù)等。主站監(jiān)測機根據(jù)所獲得的數(shù)據(jù)監(jiān)測配變運行工況［5-7］。

終端的功能主要包括以下三方面。首先是對低壓饋電線路的電壓電流進行監(jiān)測，記錄每日峰值電壓，過載、欠壓等數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對配電臺區(qū)工況的監(jiān)測;其次是對狀態(tài)量的監(jiān)測與控制，終端實時記錄漏電保護開關(guān)及TSC投切開關(guān)的動作時間及頻率，并采用電壓-無功綜合自適應(yīng)控制方法自動調(diào)整相關(guān)控制系統(tǒng)參數(shù)實現(xiàn)先投先切和循環(huán)投切功能;再次就是防盜監(jiān)測功能，終端通過液位傳感器和數(shù)字式溫度傳感器采集配變的油位和油溫，判斷是否正常運行。監(jiān)測到的數(shù)據(jù)將按照規(guī)約格式生成事件通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)上傳到主站。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

考慮到硬件成本，該智能終端的CPU選用混合ISP FLASH信號微控制器80C51F020，充分運用其高速、流水線結(jié)構(gòu)的CIP-51內(nèi)核和擴展的中斷系統(tǒng)來完成無功功率動態(tài)補償及配變監(jiān)測與控制功能。本系統(tǒng)結(jié)合功能需求，主要由CUP基本模塊、功率計量模塊、補償電容器投切控制驅(qū)動模塊、狀態(tài)量采集模塊、存儲模塊、鍵盤/液晶顯示模塊、日歷時鐘、RS-485和GPRS通訊模塊等部分組成。硬件總體框圖如圖1所示。

圖1 核心控制器硬件結(jié)構(gòu)Fig.1 Hardware structure of controller kernel

2.1 信號采集與功率計量

本系統(tǒng)采用的電壓互感器為LCTV3JCF型精密電壓互感器，額定輸入220V/50Hz，額定輸出0.5V。功率計量芯片為多功能防竊電基波、諧波三相電能專用計量芯片ATT7022C，它集成了六路二階sigmadelta ADC、參考電壓電路以及所有功率、能量、有效值、功率因數(shù)的數(shù)字信號處理等電路。ATT7022C還提供一個SPI接口，方便與外部MCU之間進行計量參數(shù)以及校驗表參數(shù)的傳遞，所有計量參數(shù)都可以通過SPI接口讀出。電網(wǎng)電壓和電流分別通過電壓電流互感器以及放大電路后采用差分方式輸入給功率計量芯片的電壓電流通道，測量電網(wǎng)電壓、電流、功率、功率因數(shù)、諧波含量等電參數(shù)，單片機通過串行外圍設(shè)備接口SPI讀取功率芯片中的電參數(shù)。

2.2 狀態(tài)量采集與控制策略

該模塊主要是用來采集開關(guān)狀態(tài)，以及控制電容器和饋電回路的投/切。電容器的投切采用三種補償控制方案—電壓判據(jù)方案、新型電壓/無功功率判據(jù)方案、新型電壓/功率因數(shù)判據(jù)方案;補償方式有循環(huán)投切及編碼投切?！把h(huán)投切”方式是先投入運行的電容組先退出，后投的后切除，從而使各組電容及投切開關(guān)使用機率均等，降低了電容組的平均運行溫度，減少了投切開關(guān)的動作次數(shù)，延長了投切開關(guān)的動作次數(shù)，延長了其使用壽命?！熬幋a投切”方式下補償電容器可采用不等容量分組方式，按數(shù)字編碼組合配置。構(gòu)成多級電容器投切，投切時按所需補償電容量對應(yīng)的編碼組合實現(xiàn)一次補償?shù)轿?，不需要逐級投切，從而有利于提高補償精度。同時還避免了“投切振蕩”現(xiàn)象。饋電回路開關(guān)控制采取的是過流輪切、短路全切的方式，大大提高了供電可靠性及安全性。單片機得到的投/切控制策略通過單相動態(tài)光電晶閘管驅(qū)動器TLP521輸出控制快速復(fù)合繼電器，實現(xiàn)對電容器以及饋電回路的投/切，由于輸入和輸出采用光電隔離，絕緣電壓可達5000V。

2.3 信息存儲

為了記錄每相電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因素、電容器投切時間和次數(shù)以及運行異常信息等，系統(tǒng)采用兩片F(xiàn)M24V05來保存終端的運行參數(shù)。在傳統(tǒng)的電子電表中，多采用電可擦可編程只讀存儲器(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory，EEPROM）器件來保存電量值。但此類器件的缺點是:寫入速度慢、擦寫次數(shù)有限，以往為解決這兩個問題，設(shè)計者多采用增大寫周期時間、加入掉電監(jiān)測線路等方法。本設(shè)計中的新型鐵電存儲器FM24V05解決了上述兩個問題。FM24V05具有容量大、數(shù)據(jù)掉電保存、寫數(shù)據(jù)無延時(以總線速度執(zhí)行寫操作）、擦除次數(shù)無限制、價格與普通的EEPROM芯片接近等優(yōu)點。該裝置能保存一周的采樣數(shù)據(jù)及故障信息數(shù)據(jù)，為維護及查詢提供便利。采用本設(shè)計方案，不僅有利于系統(tǒng)的硬件電路簡化，還可以提高電量計量的精度，減少累積誤差。

2.4 遠程通訊

SIM300是一款 GSM/GPRS模塊，可在全球范圍內(nèi) 的 EGSM900MHz、DCS1800MHz、PCS1900MHz三種頻率下工作，能夠提供GPRS多信道類型多達10個，并且支持CS-1、CS-2、CS-3和CS-4四種GPRS編碼方案。SIM300內(nèi)部集成了TCP/IP協(xié)議棧，并且擴展了TCP/IP AT指令，使終端的數(shù)據(jù)傳輸變得非常簡單方便。SIM300從VBAT采用單電壓供電，電壓為3.4～4.5V?？紤]到當(dāng)電流消耗升至典型峰值2A時，SIM300的傳輸脈沖波形可能導(dǎo)致電壓下降，所以設(shè)計中采用高電流、高精度、低壓差的MIC3930BT穩(wěn)壓芯片供電，確保電源能夠提供足夠到2A的電流，選用100μF的鉭電容(低阻抗、低成本）并聯(lián)一個小的10μF瓷介電容作為 VBAT引腳的旁路電容。電路板布局時，電容放置盡可能靠近SIM300的VBAT引腳。SIM300的電源設(shè)計原理圖如圖2所示。取 R1=2.2kΩ，R2=1kΩ，則可得到 VBAT=3.952V。

GPRS模塊實現(xiàn)IP地址設(shè)定、終端數(shù)據(jù)無線抄讀和定時存儲、遠程I/O端口控制、報警通知、實時時鐘等功能。另外，電路設(shè)計上還提供一個鋰電池備用電源專供給 SIM300模塊，用于終端掉電時的數(shù)據(jù)傳送與保護。

圖2 SIM300的電源設(shè)計原理圖Fig.2 Power circuit of SIM300

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計方案

終端的通信基于負控規(guī)約，且其數(shù)據(jù)采集、存儲、傳輸?shù)攘鞒虖?fù)雜，傳統(tǒng)的單任務(wù)系統(tǒng)無法滿足終端的功能要求，須引入操作系統(tǒng)，設(shè)計多任務(wù)并行執(zhí)行的軟件。μC/OS-Ⅱ是一種基于優(yōu)先級的搶占式多任務(wù)調(diào)度操作系統(tǒng)，最多可管理64個任務(wù)，并提供信號量、郵箱、消息、內(nèi)存管理等豐富的系統(tǒng)功能，是一個功能齊全的實時操作系統(tǒng)［8-9］。電網(wǎng)的各項參數(shù)可由ATT7022C中直接讀出，CPU不涉及采樣數(shù)據(jù)的處理，這使CPU運算量大大減少。但終端流程復(fù)雜，傳統(tǒng)的單任務(wù)系統(tǒng)無法滿足終端功能要求，須引入操作系統(tǒng)，設(shè)計多任務(wù)并行執(zhí)行的軟件，本系統(tǒng)選擇了源代碼公開的嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ作為整個系統(tǒng)的執(zhí)行軟件。

系統(tǒng)軟件主要由人機交互模塊、ATT7022C功率計量模塊、預(yù)警及保護模塊、無功管理模塊、GPRS通信模塊、存儲模塊、狀態(tài)檢測模塊等組成。ATT7022C功率計量模塊完成控制器所需各項原始數(shù)據(jù)的采集及處理;預(yù)警及保護模塊在數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)系統(tǒng)所需的各種控制及保護操作，例如越限報警、防盜預(yù)警等;存儲模塊完成各項歷史數(shù)據(jù)的存儲工作;GPRS通信模塊實現(xiàn)控制器與外部的數(shù)據(jù)交換?？刂破鬈浖w系結(jié)構(gòu)圖如3所示。

程序中的主程序，所要完成的功能僅僅是初始化硬件和各種實時變量，并建立所需的全部任務(wù)，然后啟動系統(tǒng)內(nèi)核，把CPU控制權(quán)交給操作系統(tǒng)，然后永遠不會返回至主程序，這是與傳統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)的最大區(qū)別，大大提高了工作效率。

圖3 軟件總體框圖Fig.3 Software overall architecture

4 現(xiàn)場測試

本裝置在湖南湘潭某農(nóng)村臺變10kV/380V低壓電網(wǎng)運行效果良好，TSC投入運行后，電網(wǎng)功率因數(shù)提高，負荷電流隨之下降，現(xiàn)場應(yīng)用數(shù)據(jù)見表1。本裝置不但能夠提高功率因數(shù)、實現(xiàn)TSC的自動投切，達到無功自動跟蹤補償作用，而且還可以實時監(jiān)測變壓器的工況，確保農(nóng)村臺區(qū)變電站安全運行。

表1 電網(wǎng)參數(shù)和變壓器油溫表Tab.1 Network parameters and oil temperature of transformer

5 結(jié)論

本文首先通過對農(nóng)網(wǎng)臺區(qū)變的智能終端進行了詳細的需求分析，在此基礎(chǔ)上，綜合考慮硬件成本和軟件開發(fā)周期等多方面因素，完成了該智能終端的硬件設(shè)計，并對其各個功能模塊進行了相關(guān)的校表測試;測試通過后，對各功能模型進行了軟件編程;并完成了電能檢測、LCD液晶顯示、按鍵控制、數(shù)據(jù)存儲、利用GPRS與基站進行通訊等功能的實現(xiàn)。

最后，在實驗室建立的各個功能測試實驗平臺上，該智能終端系統(tǒng)有效地解決了自動重合閘及遠程投切問題，實現(xiàn)了電力設(shè)備的遠程監(jiān)控。該系統(tǒng)的使用可大幅度地降低電工的工作量及維護成本，提高電力部門的自動化管理水平及工作效率，為農(nóng)村電網(wǎng)供電可靠性、供電質(zhì)量以及規(guī)劃建設(shè)提供了最基本的資料，對農(nóng)村電網(wǎng)的智能化建設(shè)做出了重要貢獻。

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Software and hardware design of intelligent monitor and control terminal for low-voltage distribution system

XU Jia-zhu，LI Xiao-fang，HUANG Ji-yuan，YAO Xin-li，XIANG Bo，LIAO Wen-di
(Institute of Electrical and Information Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China）

An intelligent monitor and control terminal for low-voltage distribution system based on GPRS is presented for the rural power distribution area where the parameter calculation，intelligent var compensation and remote monitoring are famine.The terminal adopts mixed-signal ISP FLASH MCU C8051F020.Its hardware is composed of system and interface.The system is composed of modules:CPU，memory，clock chip，keyboard/liquid crystal display，reset and peripheral circuit，and the interface circuits include three-phase current/voltage transformer，energy measurement IC，RS-485communication，GPRS module，switch state detection，temperature and oil liquid of transformer and so on.Its software is based on μC/OS-Ⅱembedded operating system，with multi-task and multi-buffer framework.The terminal not only can rapidly detect and real-time dynamically compensate var，but also can measure the diversified parameter of transformer accurately，and thus satisfies exact data transmission between control terminal and host computer.The device is easy to be popularized because of its high accuracy，good reliability and low prices.

reactive power compensation;MCU C8051F 020;intelligent terminal;GPRS;RS-485

TM93

A

1003-3076(2012）04-0079-04

2011-09-19

許加柱 (1980-），男，安徽籍，副教授，博士，主要從事現(xiàn)代電氣設(shè)備的設(shè)計，優(yōu)化及仿真研究，高壓直流輸電新技術(shù)和電能質(zhì)量管理研究及相關(guān)教學(xué)工作;

李曉芳 (1985-），女，湖南籍，碩士研究生，主要從事電網(wǎng)智能自動化設(shè)備，無功補償技術(shù)和高壓直流輸變電新技術(shù)研究。