配電變壓器監(jiān)測終端設計與研究

孫藝博++陳希泉

摘要：根據(jù)配電變壓器監(jiān)測終端的功能需要，設計配電變壓器監(jiān)測終端。介紹配電變壓器監(jiān)測終端的硬件選擇及主要功能，以及軟件系統(tǒng)的設計過程，為實現(xiàn)配電變壓器監(jiān)控終端智能化管理提供參考。

關鍵詞：監(jiān)測終端；配電變壓器；設計；軟件；硬件

中圖分類號：TM76 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2016）09-0058-03

配電變壓器在電網中分布范圍廣、使用數(shù)量多，是電網的最關鍵的設備之一，其安全穩(wěn)定經濟運行對整個電網具有重要意義。隨著科技的進步，通信和電子計算機技術得到了快速發(fā)展，以這些科技為基礎的配電自動化系統(tǒng)也日趨完善。配電變壓器監(jiān)控終端是配電自動化系統(tǒng)的重要組成部分，是系統(tǒng)最末端的監(jiān)控單元。發(fā)展初期，配電變壓器監(jiān)控功能單一、通信方式簡單，近年來開始朝多功能化、智能化方向發(fā)展。智能電網提高配電自動化水平，實現(xiàn)配電變壓器監(jiān)控終端智能化管理，是適應電網長遠發(fā)展的根本需求，也是提高電力系統(tǒng)供電可靠性、增加電力企業(yè)經濟效益的重要保障。

1 配電變壓器監(jiān)測終端的主要作用及基本原理

1.1 配電變壓器監(jiān)測終端（TTU）的主要作用

采集配電變壓器低壓側電壓、電流、頻率等電氣參數(shù)，對采集數(shù)據(jù)進行必要處理，通過通信信道將數(shù)據(jù)傳輸?shù)脚潆娭髡荆瑥亩姹O(jiān)測變壓器運行情況。如果配電變壓器出現(xiàn)問題和發(fā)生故障，通信信道會及時準確地將故障位置和故障原因等信息傳輸?shù)脚潆娭髡?；主站對故障信息進行分析判斷后，采取相應的控制措施恢復供電，有效保證配電網穩(wěn)定運行。

1.2 配電變壓器監(jiān)測終端（TTU）的基本原理

配電變壓器監(jiān)測終端主要由數(shù)據(jù)采集電路、分析處理電路、通信接口電路、人機接口電路、控制輸出電路等部分組成。

數(shù)據(jù)采集電路實時采集相關電力參數(shù)，將數(shù)據(jù)傳送給微處理器。微處理器分析計算處理數(shù)據(jù)，根據(jù)系統(tǒng)要求將數(shù)據(jù)存儲備案。同時，通信接口電路把數(shù)據(jù)傳輸給子站和其它終端設備，以數(shù)據(jù)處理結果為依據(jù)實時補償系統(tǒng)功率因數(shù)，通過控制輸出電路發(fā)出控制信號。通信接口電路接收主站控制命令，并傳輸給微處理器，從而把整個系統(tǒng)聯(lián)接起來，實現(xiàn)資源共享共用。人機接口電路主要用于參數(shù)設置、數(shù)據(jù)修改、數(shù)據(jù)顯示及查詢，一般由鍵盤與顯示電路組成。通信接口電路主要用于傳輸數(shù)據(jù)，實現(xiàn)終端與子站（或主站）及其它設備之間聯(lián)系，其一般由多個接口電路組成，可以通過不同的通信方式進行各個部分聯(lián)系?？刂戚敵鲭娐返闹饕饔檬峭肚邢到y(tǒng)無功，以及在緊急情況下對開關進行分合。

2 配電變壓器監(jiān)測終端（TTU）的系統(tǒng)結構

配電變壓器監(jiān)測終端的核心部件是ARM微控制器。各種傳感器可以實時采集配電變壓器的相關參數(shù)，ARM微控制器對采集的數(shù)據(jù)進行分析處理，利用GPRS網絡與控制中心建立數(shù)據(jù)信息傳輸通道，采集到的相關數(shù)據(jù)參數(shù)可以實時傳輸?shù)娇刂浦行?，確保運行狀態(tài)控制中心及時了解和掌握運行狀況。監(jiān)控終端的結構如圖1所示。

3 配電變壓器監(jiān)測終端硬件設計

配電變壓器監(jiān)測終端應具有實時數(shù)據(jù)采集功能、故障診斷功能、實時監(jiān)測功能、數(shù)據(jù)傳輸與顯示功能、數(shù)據(jù)報表與存儲功能、實時遙信功能、實時遙控功能、實時遙調功能、失電數(shù)據(jù)保護功能、故障報警與恢復功能。設計的配電變壓器監(jiān)測終端由4個模塊組成，分別為數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)分析處理模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、外圍電路模塊。

3.1 數(shù)據(jù)采集模塊

選用ATT7022B芯片采集變壓器的各項數(shù)據(jù)。此芯片集成7路16位A/D轉換器，用三路采集三相電壓數(shù)據(jù)和三相電流數(shù)據(jù)，用一路采集零線電流數(shù)據(jù)，可以采集三相三線和三相四線相關數(shù)據(jù)。ATT7022B芯片的7通道16位∑-ADC模數(shù)轉換電路先采集輸入電壓和輸入電流樣本，然后再對樣本進行轉換；24位DSP模塊對轉換后的數(shù)據(jù)進行處理，三相電能參數(shù)運算全部完成后，將數(shù)據(jù)保存到相應的參數(shù)寄存器中。同時，通過SPI口與MCU交換數(shù)據(jù)。在這個過程中，有功/無功電能脈沖、基波/諧波有功無功電能脈沖、RMS和PQS視在電能脈沖在24位DSP模塊上生成，這些脈沖能夠對各類參數(shù)進行精度校正，確保數(shù)據(jù)的精準性。

配電變壓器的低壓側電壓和電流信號通過PT，CT轉換成低電壓、小電流信號，對這些信號進行調整和濾波處理后，傳輸?shù)紸TT7022B芯片中。管腳VxP和VxN輸入16位A/D轉換器的每路ADC交流輸入，ATT7022B芯片采集配電變壓器的電流、電壓有效值和功率因數(shù)、頻率、相角等參數(shù)數(shù)據(jù)。通過DIN和DOUTATT7022B芯片與MCU進行數(shù)據(jù)聯(lián)通，并從MCU通過SCIK取得時鐘。

3.2 數(shù)據(jù)分析處理模塊

在設計過程中，數(shù)據(jù)分析處理的核心芯片選用ARM7TDMI-S核。ATT7022B芯片將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絃PC2138微控制器后，LPC2138對數(shù)據(jù)進行分析處理，判斷是否發(fā)生線路故障。如果確定發(fā)生故障，通過I/O口控制輸出進行分閘或者合閘，防止故障損壞電路，并在LED屏上進行顯示。通過IICI口將采集的數(shù)據(jù)存儲到24LC512存儲芯片上，進行數(shù)據(jù)備案，同時數(shù)據(jù)和信息通過UART串口傳輸?shù)脚潆娭髡?，等待主站發(fā)生控制指令。如果要控制LPC2138，可以通過按鍵輸入，操作結果經由SSP口發(fā)送到LCD進行顯示。

3.3 數(shù)據(jù)通信模塊

配電變壓器監(jiān)測終端通過一個RS-485接口與PLC板通信進行數(shù)據(jù)傳輸和協(xié)議轉換。為實現(xiàn)主-從結構半雙工通信方式，通信接口必須遵守DL/T645-2007通信規(guī)約。幀起始符、從站地址域、數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)域、控制碼、幀信息縱向校驗碼、幀結束符組成一幀信息。計量檢測接口與另一個RS-485相連接，并連接低壓載波集抄器?？刂浦行牡某砻钔ㄟ^中壓載波通道下達，再傳輸?shù)降蛪狠d波集抄器，并將電表信息上傳到控制中心。

3.4 外圍電路模塊

存儲芯片采用24LC512芯片，用來存儲所有TTU采集的數(shù)據(jù)。24LC512芯片以x8位存儲器進行組合，支持2線串行接口。TTU的功能采用液晶顯示模塊LCM12864ZK顯示。24LC512芯片具有串行通信功能，可以對LCM12864ZK進行串行控制，并對系統(tǒng)功能的結果進行顯示。

4 配電變壓器監(jiān)測終端軟件設計

在軟件設計中，編程采用ADS集成開發(fā)環(huán)境。系統(tǒng)通電后開始初始化程序：校正ATT7022B芯片把校正參數(shù)寫入24LC512芯片，再進行依次啟動，使用校正參數(shù)對系統(tǒng)進行初始化，判斷數(shù)據(jù)中心是否配置配電變壓器額定參數(shù)后，采集參數(shù)、處理數(shù)據(jù)、打包發(fā)送等程序開始運行。系統(tǒng)初始化后進入（下轉第62頁）（上接第59頁）正常工作模式：查看數(shù)據(jù)端報送的數(shù)據(jù)信息，包括配電變壓器的額定參數(shù)、報警限值、報警時間等；收到相關數(shù)據(jù)信息后，數(shù)據(jù)實時采集開始運行；采集數(shù)據(jù)時，每分鐘采集1次參數(shù)，經過分析計算后，把數(shù)據(jù)存儲到24LC512；判斷是否有報警消息，如果有報警信息，發(fā)出保護信號指令，避免電路受損，故障信息一方面存入24LC512芯片，另一方面報送配電主站，并記錄發(fā)生故障時間。終端LCD顯示器上能夠顯示每次數(shù)據(jù)采集的情況。

參考文獻

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