智能型網(wǎng)絡(luò)電壓檢測儀的設(shè)計

廖雪松 曹 銘

（1.國家電網(wǎng)江西電力贛州供電分公司，江西 贛州 341000；2.南昌大學機電工程學院，江西 南昌 330031）

0 引言

近年來，電力系統(tǒng)發(fā)展很快，電力供求關(guān)系發(fā)生了轉(zhuǎn)變，用戶對電力系統(tǒng)的要求越來越高，在要求少停電、不停電的情況下，對電網(wǎng)的電能質(zhì)量也提出了更高的要求，為了保證電能質(zhì)量,國家要求對電壓、諧波、頻率、不平衡度、閃變等五大電能質(zhì)量指標進行實時監(jiān)測統(tǒng)計。而電壓質(zhì)量是電能質(zhì)量的重要指標之一，電網(wǎng)電壓質(zhì)量合格率已作為供發(fā)電部門考核的重要指標之一[1]。

電壓監(jiān)測統(tǒng)計儀先后經(jīng)歷了手工數(shù)據(jù)采集、IC卡數(shù)據(jù)采集、GSM短信數(shù)據(jù)采集等3個發(fā)展階段。無論哪一代產(chǎn)品都存在有數(shù)據(jù)采集效率低，數(shù)據(jù)量小，通信不甚可靠等缺點。GSM網(wǎng)絡(luò)通訊也存在許多不足之處,比如實時性差；通信流量較小,不適宜大數(shù)據(jù)量通訊；按條收費,運行費用高.第四代產(chǎn)品設(shè)計包括GPRS電壓檢測儀與以太網(wǎng)電壓檢測儀兩個系列，構(gòu)成了一個完善的無線及INTERNET在線監(jiān)測網(wǎng)：在大用戶處采用短信通信方式，不受地域的限制。在變電站采用以太網(wǎng)通信方式,多個電壓監(jiān)測儀共用一個IP地址，不過多占用變電站的網(wǎng)絡(luò)資源，不影響變電站的安全運行；本文先著重介紹后者的設(shè)計方案。

1 系統(tǒng)組成及原理

系統(tǒng)采用分層、分布式結(jié)構(gòu)，包括3層：一層是安裝運行于大用戶處的GPRS型電壓監(jiān)測統(tǒng)計，該層監(jiān)測儀通過GPRS網(wǎng)絡(luò)與采集裝置交換數(shù)據(jù)，另一層是系統(tǒng)主站：系統(tǒng)主站通過以太網(wǎng)或GPRS采集裝置從電壓監(jiān)測統(tǒng)計儀收集并存儲所有電壓、諧波統(tǒng)計數(shù)據(jù)，并可通過系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)WEB瀏覽，向多級終端用戶提供實時及統(tǒng)計分析信息。最后一層是安裝于供電分公司的管理工作站。數(shù)據(jù)存入監(jiān)控中心服務(wù)器統(tǒng)一管理，各個工作站可以按權(quán)限瀏覽[2]。

1.1 以太網(wǎng)電壓檢測儀

以太網(wǎng)電壓監(jiān)測儀是系統(tǒng)的前端采集設(shè)備，具體負責變電站內(nèi)電網(wǎng)電壓數(shù)據(jù)的采集，采用以太網(wǎng)傳送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸速度快，可實現(xiàn)對電壓、諧波的遠程實時監(jiān)測；可通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)遠程參數(shù)下裝與故障恢復。

1.2 以太網(wǎng)絡(luò)

圖1 電壓監(jiān)測儀系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

以太網(wǎng)(Ethernet)是目前應(yīng)用最為廣泛的基帶總線局域網(wǎng)。以太網(wǎng)的核心技術(shù)是它的隨機爭用型介質(zhì)訪問控制方法,即帶有沖突檢測的載波偵聽多路訪問(CSMA/CD)的介質(zhì)訪問控制技術(shù)。隨著計算機技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展,尤其是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用,以太網(wǎng)技術(shù)正被引入變電站自動化系統(tǒng)過程層的采集、測量單元和間隔層保護、控制單元中。因此利用變電站現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)來完成變電站內(nèi)部的電壓監(jiān)測儀數(shù)據(jù)傳遞可行性較高。

2 以太網(wǎng)電壓監(jiān)測儀的硬件結(jié)構(gòu)與功能

本文設(shè)計的電壓監(jiān)測儀的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示：

2.1 CPU的選擇

SST89E516RD是SST公司出產(chǎn)的一款基于8051內(nèi)核的8位單片機。它最大的特點是具有在線調(diào)試和在線下載功能，為工程開發(fā)中的調(diào)試提供了極大的方便。該芯片中含有1KB的RAM和64KB+8KB的內(nèi)置可擦除程序存儲器ROM。其程序存儲器達到了51內(nèi)核結(jié)構(gòu)單片機尋址的最大范圍，能夠滿足大容量程序存儲的要求[3]。

芯片在5V電壓時可工作在0～40MHz具有三個16位的定時計數(shù)器，

SST89E516RD在5V電壓時可工作在0～40MHz和3V具有8個中斷源，4個優(yōu)先級，具有可編程看門狗定時器 （WDT）。商用級SST89E516RD可工作在0～70℃，而工業(yè)級SST89E516RD則可工作在-40℃～+85℃的溫度范圍內(nèi)，可以極大地消減惡劣環(huán)境對它的影響。

2.2 RAM的選擇

鐵電存儲器將ROM的非易失性數(shù)據(jù)存儲特性和RAM的無限次讀寫、高速讀寫以及低功耗等優(yōu)勢結(jié)合在一起,為智能儀表的開發(fā)提供了便利。能有效地解決突然斷電數(shù)據(jù)丟失的問題。

圖2 電壓監(jiān)測儀硬件原理框圖

FM31256采用工業(yè)標準的I2C總線,14腳SOIC封裝,其內(nèi)部具有256Kb的串行FRAM,可按字節(jié)讀寫,讀寫方式與SRAM一樣,速度快,CLK的速度達到1MHz,沒有寫等待,讀寫次數(shù)無限次,功耗低,靜態(tài)電流低于1μA,讀寫電流低于150μA。原理圖如圖5所示。

2.3 以太網(wǎng)通訊接口設(shè)計

設(shè)備采用10BASE-T布線標準通過雙絞線進行以太網(wǎng)通訊，而RS8019S內(nèi)置了10BASE-T收發(fā)器，所以網(wǎng)絡(luò)接口的電路比較簡單。通過ADDR15、I/OW、I/OR來劃分其他芯片和RAM芯片62256的地址空間。ADDR15接62256的CE腳，低電平時選擇62256；高電平時選擇74LS138譯碼器。ADDR14、ADDR13、ADDR12三根地址總線用來接138譯碼器地址輸入端，譯碼器輸出端低電平有效，用來劃分以太網(wǎng)控制器RTL8019、時鐘芯片DS12887、A/D轉(zhuǎn)換器、LCD等模塊的地址空間。

圖3 以太網(wǎng)接口設(shè)計

RTL8019AS外接一個隔離LPF濾波器0132，TPIN±為接收線，TPOUT±為發(fā)送線，經(jīng)隔離后分別與RJ-45接口的RX±、TX±端相連。時鐘電路通過T1、T2接一個20MHz晶振以2個電容，實現(xiàn)全雙工方式。LED0、LED1各接一發(fā)光二極管以反映通訊狀態(tài)。

2.4 AD采集方案

測量電路由互感器、濾波電路、采保、A/D轉(zhuǎn)換器組成。電網(wǎng)二次回路電壓經(jīng)互感器PT降壓后得到0～5 V(有效值)輸入電壓。經(jīng)一阻容濾波網(wǎng)絡(luò)濾波后,進入LF398,由AD574采集。使用了三態(tài)鎖存器74LS373和74LS00與非門電路，邏輯控制信號由( 、 和A0)有8051的數(shù)據(jù)口P0發(fā)出，并由三態(tài)鎖存器74LS373鎖存到輸出端Q0、Q1和Q2上，用于控制AD574A的工作過程。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 主程序流程

圖4 主程序設(shè)計流程

電壓監(jiān)測儀能否正常工作,除了與硬件的設(shè)計是否合理有關(guān)外,與嵌入式軟件的設(shè)計好壞也是分不開的。嵌入式軟件采用keiluV ision3軟件作為IDE,使用C語言編程。程序采用模塊化設(shè)計,不但增加了程序的可讀性和移植性,而且編程時使用起來也很方便。

3.2 通訊驅(qū)動設(shè)計

電壓監(jiān)測儀要接入以太網(wǎng)，必須在處理器中嵌入TCP/IP協(xié)議。由于單片機的資源有限，所以網(wǎng)絡(luò)協(xié)議根據(jù)嵌入式應(yīng)用的需求作了裁剪，只需使用ARP、RARP、IP、UDP等部分協(xié)議，即可保證單片機接入以太網(wǎng)，同時保證了足夠小的代碼量。

其中reg00～reg0f代表其內(nèi)部寄存器，分別對應(yīng)單片機的8000H-801FH地址段。

RTL8019AS芯片內(nèi)部有32個I/O寄存器，分為page0-page3共4頁。系統(tǒng)上電后必須初始化才能正常工作。

由于網(wǎng)絡(luò)電壓檢測儀安裝在變電站，變電站網(wǎng)絡(luò)設(shè)備繁多、廣播報文較多、傳輸數(shù)據(jù)量過大，會使單片機頻繁產(chǎn)生中斷處理以太網(wǎng)中數(shù)據(jù)包，由于單片機主要任務(wù)是采集電壓并進行統(tǒng)計運算，所以會經(jīng)常產(chǎn)生傳輸延遲，甚至丟包，因此一定要將RTL8019AS設(shè)置成只接收與自己的地址一樣的數(shù)據(jù)包，其他目的地址的被丟棄（包括廣播和組播包）。而單片機只需要定時向上報告自己的IP地址和物理地址，這樣設(shè)置幾乎沒有傳輸延遲、丟包現(xiàn)象，基本不會影響抄表系統(tǒng)在變電站復雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的正常工作。

4 結(jié)論

本文介紹的基于以太網(wǎng)的遠程抄表系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)抄表方法中存在的許多問題，并且具有傳輸速率快、方便易用等很多優(yōu)點。給出了整體設(shè)計方案并描述了其工作過程和關(guān)鍵技術(shù),證明了該系統(tǒng)的可行性和優(yōu)越性。提出的這種新的基于以太網(wǎng)的分布式遠程抄表系統(tǒng)結(jié)構(gòu),使系統(tǒng)具有兼容性強、功耗低、容易升級和維護等特點，但是增加以太網(wǎng)電壓監(jiān)測儀所存在的網(wǎng)線布置問題在是變電站內(nèi)需要考慮的，后期可以通過考慮使用WIFI版的監(jiān)測儀解決該問題?？傊疚脑O(shè)計的監(jiān)測儀在實際應(yīng)用中的可靠性和穩(wěn)定性較高，值得推廣應(yīng)用。

［1］王文珍,高宏,張萍.一種基于MSP430單片機技術(shù)的新型電壓監(jiān)測儀[J].山西電力,2007(05).

［2］陸東生,陳林.新型電能質(zhì)量監(jiān)測儀的研制[J].自動化與儀表,2004(01).

［3］王忠,杜傳利.基于SST芯片遠程升級方案的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子測量技術(shù),2007(12).