電網(wǎng)遠動終端功率采集模塊的設(shè)計

摘要:本文介紹了電網(wǎng)遠動終端功率采集模塊的設(shè)計及工作過程。主要包括遙測、遙信、遙控、遠方數(shù)據(jù)傳輸?shù)葞讉€方面。并以硬件電路圖描述各測控單元間的工作原理。

關(guān)鍵詞:遠動；功率采集；遙控；遙測；遙信

1引言

功率采集模塊主要是應(yīng)用在電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)中，對電網(wǎng)中的各電力參數(shù)及各種事故量進行檢測，并對電動開關(guān)進行遠方操作?；谶@種要求，對功率采集模塊的設(shè)計首先要對電網(wǎng)交流信號進行檢測，反映出電網(wǎng)電壓、電流、功率、功率因數(shù)及頻率的變化情況。為實現(xiàn)這一要求該模塊在設(shè)計中，根據(jù)電磁感應(yīng)的原理，采用交流采樣的方式，即從現(xiàn)場的電壓互感器和電流互感器中直接采0~100V和0~5A的交流信號，并將這樣的交流模擬信號通過A/D轉(zhuǎn)換器變成單片機可識別的數(shù)字信號，由模塊中的單片機進行讀寫操作，然后將數(shù)據(jù)傳給遠方調(diào)度中心，經(jīng)調(diào)度中心計算機處理后，反映出現(xiàn)場電網(wǎng)的實際電力參數(shù)，達到監(jiān)測電網(wǎng)運行狀態(tài)的目的。

2功率采集模塊的原理

功率采集模塊包括8個功能單元電路: N80C196KB單片機最小系統(tǒng)；功能選擇電路（DIP站號設(shè)置）； LED顯示電路；遙測電路；開關(guān)量輸入電路(遙信)；脈沖量輸入電路(電能)；開關(guān)量輸出電路(遙控)；通訊接口電路。這8個單元電路構(gòu)成整個功率采集模塊。

在這8個單元電路中核心部分是：N80C196KB單片機最小系統(tǒng)；遙測電路；遙信電路；遙控電路；接口電路。下面分別介紹這5個單元電路的設(shè)計和工作過程。

3功率采集模塊的設(shè)計及工作原理

3.1 N80C196KB單片機存儲器擴展

該系統(tǒng)由單片機、程序存儲器、地址鎖存器、譯碼電路、系統(tǒng)時鐘組成。因為80C196KB內(nèi)部沒有程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器，所以需要在單片機外部對存儲器進行擴展。

程序存儲器選用EPROM27C256（32K），存放應(yīng)用程序和檢查程序，數(shù)據(jù)存儲器選用RAM61C256（32K），存放采集數(shù)據(jù)、計算中間結(jié)果及設(shè)置參數(shù)。地址鎖存器選用74HC373，譯碼器選用3個GAL16V8。80C196KB單片機尋址能力達64KB空間，并且ROM、RAM統(tǒng)一編址。其中程序存儲器27C256選通后，地址范圍為0000H-7FFFH，其中0000H-1FFFH為80C196KB單片機片內(nèi)地址，2000H-2011H為中斷向量地址；2012H-207FH為保留地址；2080H-7FFFH為單片機片外ROM地址。單片機上電復(fù)位后，PC指針自動指向2080H，執(zhí)行用戶程序。數(shù)據(jù)存儲器61C256由地址譯碼器D16（GAL16V8）輸出端選通，其地址范圍為8000H-9FFFH，其中，8000H-FEFFH是單片機片內(nèi)RAM地址。地址譯碼器D9（GAL16V8）的輸出端作為緩沖器D1（74HC245）的選通信號，其地址為FF00H即8路遙信地址。地址譯碼器D9（GAL16V8）的輸出端選通緩沖器D4（74HC245），其地址為FF00H-FF01H即4路電能量地址和遙控地址。地址譯碼器D8（GAL16V8）的輸出端選通緩沖器D2（74HC245），其地址為FF06H。即遙測低8位數(shù)據(jù)地址，地址譯碼器D8（GAL16V8）的輸出端選通緩沖器D3（74HC245），其地址為FF07H，即遙測高4位數(shù)據(jù)，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志位；遙控執(zhí)行外返校，遙控跳外返校地址。地址譯碼器D9（GAL16V8）的輸出端選通緩沖器D11（74HC245），其地址為FF08H，即模塊站號地址。地址譯碼器D9（GAL16V8）的輸出端分別選通鎖存器（D18、D17、D20、D19）74HC273，其地址為FF09H-FF0BH，即顯示燈地址。

3.2 遙信電路

在數(shù)據(jù)采集模塊中，有8路遙信（開關(guān)量）輸入對變電所繼電保護設(shè)備送來的事故信號，刀閘開合信號進行顯示，并通過轉(zhuǎn)發(fā)模塊傳送給后臺計算機，使調(diào)度操作員及時發(fā)現(xiàn)線路故障及開關(guān)狀態(tài)。該電路由單片機、地址譯碼電路、輸入緩沖器和2個光電耦合器及保護電路組成。以某一路遙信為例，外部開關(guān)狀態(tài)經(jīng)TLP521-4光電隔離后，把狀態(tài)反映到74HC245輸入緩沖器的輸入端CPU對74HC245進行讀操作把狀態(tài)讀入CPU，完成遙信功能。

3.3 RS-422通訊接口電路

該電路由單片機、電平轉(zhuǎn)換電路、光電耦合器組成。由于在功率采集模塊中，傳輸?shù)男畔⒘坎淮?，傳輸速度比較低，所以，我們選擇全雙工異步通訊方式。RS-422通訊接口電路如圖7所示。

其中，D6為80C196單片機，D4、D3（6N173）為光電藕合器，D1（75172）和D2（75173）分別為傳輸線驅(qū)動器和接收器。由于，80C196KB單片機串行口采用TTL電平邏輯，所以，D1（75172）和D2（75173）可實現(xiàn)RS-422電平和TTL電平之間的相互轉(zhuǎn)換。

功率采集模塊通過串口的發(fā)送數(shù)據(jù)線向通訊模塊的接收端（RXD）發(fā)送RS-422電平信號，通訊模塊將該信號由MODEM遠傳通訊口通過電力載波、擴頻、專用線等方式傳給上位機，從而實現(xiàn)了功率采集模塊與上位機的通訊。

4產(chǎn)品化測試

通過對上述單元電路的設(shè)計，我們對功率采集模塊進行了產(chǎn)品化生產(chǎn)，該產(chǎn)品以單片機為中心共有26個單元電路組成。如圖1所示，其主要單元電路如上所述，經(jīng)測試當(dāng)由電壓和電流互感器輸入0~100V和0~5A的交流信號時，交流電量測量的準(zhǔn)確度電壓、電流0.2級；有功功率、無功功率0.5級；有功電度、無功電度0.5級；功率因數(shù)0.5級；頻率0.1級。對遙測量在傳輸速率為600bit/s時，時間響應(yīng)≤1S。遙信量輸入：直流電壓12V或24V，輸入端采用光電隔離，隔離電壓1500V，事件分辨率≤4ms，在傳輸速率為600bit/s時，時間響應(yīng)≤1S。脈沖量輸入：脈沖電壓5V、12V、24V，輸入端采用光電隔離，隔離電壓1500V，脈沖寬度≥10ms；模數(shù)轉(zhuǎn)換：分辨率12位；轉(zhuǎn)換時間10us；線性誤差±0.5LSB。該模塊經(jīng)國家計量檢測部門檢測達到《GB/T13729-1992遠動終端通用技術(shù)條件》、《DL/T630-1997交流采樣遠動終端技術(shù)條件》和《DL/T451-1991循環(huán)式遠動規(guī)約》的技術(shù)要求。

5結(jié)束語

本文從硬件電路的設(shè)計，詳細地介紹了電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)中遠程終端功率采集模塊的工作原理。并對核心單元電路進行了細致的討論。該模塊與通訊管理模塊進行組合，可實現(xiàn)電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)的遙控、遙測、遙信和遠方數(shù)據(jù)實時監(jiān)測功能。該產(chǎn)品在各大中型變電所的實際應(yīng)用中，以其測量準(zhǔn)確、運行穩(wěn)定、兼容擴展能力強，安裝、維修方便等得到廣大用戶的歡迎。

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