基于PIC18F87J60的微網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

滕贏，夏明超

（北京交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，北京 100044）

隨著用電需求的增加和電力系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大，傳統(tǒng)的大電網(wǎng)在給我們帶來許多益處的同時，其弊端也日益顯現(xiàn)：運(yùn)行成本大，控制難度高，難以適應(yīng)用戶越來越高的安全、可靠性的要求和多樣化的供電需求以及一次能源終將枯竭等難題，使得傳統(tǒng)電網(wǎng)建設(shè)模式很難適應(yīng)現(xiàn)代能源需求[1-4]。

人們很早就對分布式發(fā)電技術(shù)進(jìn)行過認(rèn)真的研究。隨著研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)分布式電源的間歇性、復(fù)雜性、多樣性和不穩(wěn)定性限制了它的大規(guī)模應(yīng)用。為協(xié)調(diào)大電網(wǎng)與分布式電源間的矛盾，引入了一種可以讓新能源及可再生能源并網(wǎng)發(fā)電的規(guī)?；瘧?yīng)用的電網(wǎng)——微網(wǎng)（Micro-Grid）。微網(wǎng)通過有效的協(xié)調(diào)控制，使主要基于新能源和可再生能源的分布式電源并網(wǎng)所產(chǎn)生的負(fù)面問題都在微網(wǎng)內(nèi)得到解決，減少了分布式電源并網(wǎng)對大電網(wǎng)產(chǎn)生的各種擾動。微網(wǎng)有并網(wǎng)運(yùn)行和獨(dú)立運(yùn)行2種運(yùn)行方式，對大電網(wǎng)可以起到削峰填谷的作用。微網(wǎng)中的能量來源多為新型能源及可再生能源，對于新能源以及可再生能源并網(wǎng)發(fā)電規(guī)?；瘧?yīng)用具有重要意義[5-7]。

近年來，隨著對微網(wǎng)研究的深入，微網(wǎng)投入并網(wǎng)發(fā)電的應(yīng)用范圍越來越廣，微網(wǎng)中微電源的種類越來越多，數(shù)量也越來越大，進(jìn)而不可避免地造成微網(wǎng)中產(chǎn)生許多由于微電源自身特殊性質(zhì)而引發(fā)的電能質(zhì)量問題，嚴(yán)重影響全網(wǎng)的穩(wěn)定、正常運(yùn)行。因此，改善微網(wǎng)的電能質(zhì)量對于整個電網(wǎng)和電氣設(shè)備的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，提高電網(wǎng)的運(yùn)營效益等均有重要意義，而對電能質(zhì)量各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測則是改善電能質(zhì)量的基礎(chǔ)和前提。因此，開發(fā)一種新型的、實(shí)時性好、應(yīng)用范圍廣的電能質(zhì)量監(jiān)測裝置，對于保證電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性都具有重要意義。

1 系統(tǒng)功能簡介

利用PIC18F87J60單片機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)了基于GPS或互聯(lián)網(wǎng)對時的微網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)。該電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)主要面向微網(wǎng)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，如電壓頻率、幅值、各次諧波、三相不平衡度、電壓波動及閃變的實(shí)時采集，并通過以太網(wǎng)發(fā)送、傳輸數(shù)據(jù)至數(shù)據(jù)中心，使電能質(zhì)量監(jiān)管人員能夠?qū)崟r地查看各監(jiān)測站點(diǎn)的電能質(zhì)量狀況，以便迅速查找各種電能質(zhì)量問題的發(fā)生地點(diǎn)及原因，并做出相應(yīng)對策及時排除，從而有利于全網(wǎng)電能質(zhì)量的優(yōu)化調(diào)度和集中管理。

具體來說，基于GPS或互聯(lián)網(wǎng)對時的微網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)有如下特性：

1）可通過GPS或互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行對時，電能質(zhì)量信息可以通過互聯(lián)網(wǎng)直接發(fā)送或經(jīng)過串行口傳送至PC機(jī)后由PC機(jī)通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送。

2）可監(jiān)測電壓合格率、供電可靠率、電壓波動和閃變、暫時和瞬態(tài)過電壓、各次諧波含量、總諧波畸變率（THD）、區(qū)域電網(wǎng)頻率等關(guān)鍵電能質(zhì)量參數(shù)。

3）對380 V微網(wǎng)進(jìn)行監(jiān)測，可監(jiān)測380 V/220 V電源，并方便地構(gòu)成監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。

4）可通過互聯(lián)網(wǎng)/局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)帶時標(biāo)信息的數(shù)據(jù)收集，并在網(wǎng)上發(fā)布數(shù)據(jù)。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

PIC18F87J60單片機(jī)是由Microchip公司開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)單片機(jī)，它具有嵌入式以太網(wǎng)控制器模塊。這是一個完整的網(wǎng)絡(luò)連接解決方案，完全實(shí)現(xiàn)了介質(zhì)訪問控制（Media Access Control，MAC）和物理層收發(fā)器（Physical Layer Transceiver，PHY）模塊。只需使用2個脈沖變壓器和一些無源元件就可以將單片機(jī)直接與以太網(wǎng)相連。以太網(wǎng)模塊符合IEEE 802.3中所有關(guān)于雙絞線網(wǎng)絡(luò)10-BaseT連接的規(guī)定。它在內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了一些數(shù)據(jù)包過濾機(jī)制，用以限制傳入的數(shù)據(jù)包。它還提供了一個用于實(shí)現(xiàn)快速數(shù)據(jù)吞吐的內(nèi)置DMA模塊，以及硬件IP校驗(yàn)和計(jì)算。另外它還提供了2個用于指示鏈路和網(wǎng)絡(luò)活動的LED輸出[8]。

系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。根據(jù)系統(tǒng)的功能，可將該系統(tǒng)大致可分為4個模塊，分別是：電源模塊、數(shù)據(jù)采集及處理模塊、通信模塊和數(shù)據(jù)庫模塊。

圖1 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

為了便利快速的進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和傳輸，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)直接由監(jiān)測點(diǎn)供電。具體實(shí)現(xiàn)過程是，將監(jiān)測點(diǎn)的三相電源正弦工頻380 V交流電引入系統(tǒng)后，把A相電壓經(jīng)過2個220 V/6 V變壓器降壓后得到兩路6 V交流信號，一路經(jīng)過整流、穩(wěn)壓后作為單片機(jī)的工作電源，另一路則作為測壓測頻的輸入信號接入單片機(jī)中。另外兩相則各自經(jīng)一個變壓器降壓后輸出6 V交流電，經(jīng)電阻分壓后作為測壓輸入信號接入單片機(jī)中。這樣便構(gòu)成了系統(tǒng)的電源模塊，并且為數(shù)據(jù)的采集做好了前期工作。

作為該系統(tǒng)的核心部分，單片機(jī)PIC18F87J60承擔(dān)所有的數(shù)據(jù)采集和處理任務(wù)，并且協(xié)調(diào)各個模塊的工作。EEPROM則用來儲存電能質(zhì)量信息以及系統(tǒng)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的各類關(guān)鍵信息。為了便于構(gòu)成監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，該系統(tǒng)設(shè)有2種通信方式：一方面可通過RS232接口與計(jì)算機(jī)建立連接后，將數(shù)據(jù)通過計(jì)算機(jī)發(fā)布至搭建于互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)中心；另一方面，可通過RJ45接口直接接入互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸和發(fā)布，從而為實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化的數(shù)據(jù)中心和電能質(zhì)量信息的實(shí)時性傳輸提供了條件。由于涉及電能質(zhì)量的各項(xiàng)參數(shù)對時間的要求精度較高，所以引入了GPS模塊用于對時，為每一項(xiàng)數(shù)據(jù)添加時標(biāo)信息，滿足數(shù)據(jù)信息在時間上的精確和有序。除此之外，為保證數(shù)據(jù)的方便有效的儲存、查看和管理，可利用Microsoft公司的SQL Server軟件以時間為主鍵，數(shù)據(jù)點(diǎn)編號為外鍵，為每一個數(shù)據(jù)采集點(diǎn)建立數(shù)據(jù)表，進(jìn)而構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫。可分按時間、按地點(diǎn)或兩者結(jié)合設(shè)計(jì)查詢程序。通過設(shè)定用戶權(quán)限，可將用戶分為若干等級，限定查詢程序使用權(quán)限。另外，還可通過GPS模塊取得地理位置信息，實(shí)現(xiàn)與地圖上各點(diǎn)的數(shù)據(jù)鏈接。

3 軟件設(shè)計(jì)

由于篇幅所限，本文只就本系統(tǒng)的核心部分——PIC18F87J60單片機(jī)的開發(fā)過程作簡要闡述。

3.1 開發(fā)工具

3.1.1 集成開發(fā)環(huán)境

由Microchip公司提供的MPLAB IDE v8.40集成開發(fā)環(huán)境為PIC18F87J60芯片的開發(fā)提供了更多的便利。由于是用C語言對芯片進(jìn)行編程開發(fā)，所以還需要用到C語言編譯器MPLAB C18，這是專門針對PIC18系列單片機(jī)設(shè)計(jì)研發(fā)的編譯器，通過使用MPLAB C18，可以直接在MPLAB IDE中對C語言程序進(jìn)行編寫和修改。

3.1.2 在線調(diào)試器ProICD2

開發(fā)過程使用Microchip公司提供的在線調(diào)試器——ProICD2。ProICD2是Microchip公司在MPLAB ICD2的框架上，改進(jìn)設(shè)計(jì)而來的更高版本的在線調(diào)試器。ProICD2除了能實(shí)現(xiàn)ICD2的全部功能外，還進(jìn)一步增強(qiáng)了保護(hù)電路，穩(wěn)定性更好，無須外接電源，并且解決了MPLAB ICD2使用過程中80%可能遇到的問題。

3.1.3 Microchip TCP/IP協(xié)議棧

Microchip TCP/IP協(xié)議棧是一套程序，它服務(wù)于標(biāo)準(zhǔn)的、基于TCP/IP的應(yīng)用程序，或者使用在定制的、基于TCP/IP的應(yīng)用程序中。在本系統(tǒng)的開發(fā)過程中，使用的是該協(xié)議的5.10版本。通過使用該協(xié)議棧，大大簡化了該系統(tǒng)以太網(wǎng)通信模塊的開發(fā)。

類似于TCP/IP參考模型，Microchip TCP/IP協(xié)議棧將TCP/IP協(xié)議棧分為多層（如圖2所示）。每層的實(shí)現(xiàn)代碼△留在一個獨(dú)立的源文件中，而服務(wù)和應(yīng)用程序編程接口（API）是通過頭文件或包含文件定義的。與TCP/IP參考模型不同的是，Microchip TCP/IP協(xié)議棧中的許多層可以直接訪問沒有正好在它下面的一層或多層。另外，Microchip TCP/IP協(xié)議棧添加了2個新模塊：“StackTask”和“ARPTask”。其中“StackTask”是用來管理協(xié)議棧及其所有模塊的操作，而“ARPTask”則是用于管理地址解析協(xié)議（ARP）層的服務(wù)[9-10]。協(xié)議棧采用模塊化設(shè)計(jì)，可根據(jù)需求進(jìn)行裁剪，結(jié)合本系統(tǒng)欲實(shí)現(xiàn)的功能，僅需保留TCP/IP棧的核心層（MAC，ARP，TCP，UDP）和應(yīng)用模塊（HTTP，SNMP）。

圖2 Microchip TCP/IP協(xié)議棧的層狀結(jié)構(gòu)

3.2 軟件開發(fā)過程

PIC18F87J60單片機(jī)模塊的軟件開發(fā)主要包含數(shù)據(jù)采樣、數(shù)值計(jì)算、數(shù)據(jù)記錄和通信以及系統(tǒng)的對時。

為了盡可能滿足實(shí)時性的要求，系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)可按優(yōu)先級分為2大類：一類是包括A/D轉(zhuǎn)換啟動、數(shù)據(jù)的實(shí)時采集等程序在內(nèi)的對實(shí)時性要求較高的程序，這些程序應(yīng)賦予較高優(yōu)先級，在中斷模塊中處理完成。另一類是包括電能質(zhì)量參數(shù)的運(yùn)算、結(jié)果存儲和通信等程序在內(nèi)的對實(shí)時性要求相對較低的程序，它們可放置在主程序模塊中完成。

該系統(tǒng)的中斷模塊主要負(fù)責(zé)對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣及轉(zhuǎn)換，其中斷由PIC18F87J60單片機(jī)內(nèi)部自帶的10位A/D轉(zhuǎn)換器模塊觸發(fā)產(chǎn)生。在中斷產(chǎn)生后，需在中斷服務(wù)程序內(nèi)讀取A/D采樣結(jié)果，并保存到內(nèi)存中。在數(shù)據(jù)采集的間隔時間內(nèi)，利用內(nèi)存中的采樣數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，從而達(dá)到并行處理的目的，程序流程如圖3，首先在主程序中配置硬件，對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行初始化，隨后運(yùn)行檢測程序，順利通過之后便開放中斷，進(jìn)入數(shù)據(jù)采集程序。當(dāng)完成原始數(shù)據(jù)采集的中斷到來以后，主程序便首先調(diào)用A/D轉(zhuǎn)換子程序進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，隨后將轉(zhuǎn)換完成的數(shù)字量數(shù)據(jù)送入電能質(zhì)量參數(shù)運(yùn)算子程序中進(jìn)行運(yùn)算，并將結(jié)果以數(shù)據(jù)包的形式封裝儲存，然后根據(jù)不同的連接情況，或者調(diào)用TCP/IP協(xié)議棧，將運(yùn)算結(jié)果直接通過以太網(wǎng)發(fā)送至數(shù)據(jù)中心，或者通過RS232接口將數(shù)據(jù)輸出至計(jì)算機(jī)端，再利用計(jì)算機(jī)將數(shù)據(jù)傳輸至網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心。最后系統(tǒng)再調(diào)用對時子程序，對整個系統(tǒng)的時間進(jìn)行校驗(yàn)。通過以上過程，完成一次帶時標(biāo)信息數(shù)據(jù)的處理和發(fā)送。

圖3 程序流程圖

在軟件程序開發(fā)中需要注意，應(yīng)合理設(shè)置數(shù)據(jù)采集間隔。若時間間隔太小，則可能在數(shù)據(jù)計(jì)算或發(fā)送還未完成時觸發(fā)中斷便打斷主程序的運(yùn)行，使得數(shù)據(jù)計(jì)算或發(fā)送無法完成。若時間間隔太大，則可能錯過瞬時的關(guān)鍵信息，降低系統(tǒng)監(jiān)測的精度。實(shí)際設(shè)定時，應(yīng)根據(jù)采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換精度、數(shù)值計(jì)算精度等因素綜合考慮。我們將該系統(tǒng)應(yīng)用于北京交通大學(xué)電氣工程樓風(fēng)光互補(bǔ)微網(wǎng)試驗(yàn)平臺，對該微網(wǎng)內(nèi)380 V電源和220 V電源構(gòu)成監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，實(shí)際運(yùn)行情況良好。

4 結(jié)語

隨著對微網(wǎng)研究的深入及其應(yīng)用范圍的擴(kuò)大,對微網(wǎng)電能質(zhì)量的關(guān)注也越來越多。為了盡可能提高微網(wǎng)的電能質(zhì)量，減小微網(wǎng)對大電網(wǎng)的不利影響，對微網(wǎng)電能質(zhì)量的監(jiān)測必不可少。本文探討的基于PIC18F87J60的微網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通過對各個微網(wǎng)監(jiān)測點(diǎn)的實(shí)時監(jiān)測，構(gòu)成具有一定規(guī)模的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，為整體把握全網(wǎng)電能質(zhì)量水平提供了有效的技術(shù)平臺，有利于全網(wǎng)電能質(zhì)量的優(yōu)化調(diào)度和集中管理。

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