基于Profibus的智能電力儀表在智能電網(wǎng)中的研究和實現(xiàn)

【摘 要】隨著智能電網(wǎng)的迅速發(fā)展，智能電力儀表也被越來越多的開發(fā)和應用。其中智能三相電表能夠?qū)崟r監(jiān)控電網(wǎng)中的電壓，電流以及功率等參數(shù)，并且將這些參數(shù)反饋給電網(wǎng)系統(tǒng)，從而保證了電網(wǎng)的穩(wěn)定高效。同時，智能三相表采用了Profibus通訊技術，能夠穩(wěn)定和快速的傳輸數(shù)據(jù)，保證了智能電力儀表在復雜工業(yè)環(huán)境中的應用。

【關鍵詞】智能電網(wǎng)；智能三相電表；Profibus通訊技術

1.引言

智能電力儀表是一種用于中低壓系統(tǒng)智能化裝置，它集數(shù)據(jù)采集和控制功能于一身，具有電力參數(shù)測量及電能計量為一體，提供通訊接口與計算機監(jiān)控系統(tǒng)連接。其操作方式人性化，操作者能在短時間內(nèi)掌握，閱讀數(shù)據(jù)和參數(shù)設置等操作將變得簡單易行。廣泛用于中、低壓變配電自動化系統(tǒng)，工業(yè)自動化系統(tǒng)、智能型開關柜、樓宇自動化系統(tǒng)、負控系統(tǒng)、能源管理系統(tǒng)、工廠電量考核管理等。

中國電力科學研究院相關人士透露，國家對智能電網(wǎng)的建設規(guī)劃具體思路為：在2020年之前分三個階段實施，第一個階段為2009-2010年，主要是研究和試點；第二個階段是2011-2015年，智能電網(wǎng)將大規(guī)模實施；第三階段是2016-2020年，實現(xiàn)整體的完善和提升。國家電網(wǎng)公司正在加緊制定的我國智能電網(wǎng)技術標準包括近200項。由此可見，國家電網(wǎng)提出要建設堅強統(tǒng)一智能電網(wǎng)，其中，堅強主要依靠一次設備完成，而智能要靠二次設備實現(xiàn)，統(tǒng)一則體現(xiàn)了技術標準的統(tǒng)一。反映到設備商身上，二次設備將成為智能電網(wǎng)的主要受益方。而本文中所要論述的智能電力儀表正是構成智能電網(wǎng)的一部分，其對智能電網(wǎng)的建設有著十分重要的作用，綜上所述，對于智能儀表的各種功能的研究和開發(fā)具有迫切性和必要性以及廣闊的前景。

2.智能電力儀表的作用以及設計原理

2.1 基于智能電力儀表的電網(wǎng)監(jiān)控結構與作用

隨著各類精密儀器被越來越多的應用到工業(yè)生產(chǎn)過程中，這類精密生產(chǎn)設備對其電網(wǎng)要求也十分高，若是由于雷擊等突發(fā)狀況電網(wǎng)出現(xiàn)不穩(wěn)定時，會對這些生產(chǎn)設備的正常工作產(chǎn)生負面影響，甚至會損壞這些設備，導致很大的經(jīng)濟損失[5，6，7]。本文設計的智能三相電表適用于集成在提供給工礦企業(yè)的控制電網(wǎng)中，其能夠很好的服務于智能電網(wǎng)的建設完善，其作用如圖1如示：

（1）實時監(jiān)控電網(wǎng)動態(tài)，將電網(wǎng)的檢測數(shù)據(jù)通訊給上位機，再由上位機與供電系統(tǒng)進行通訊，從而有效及時的保證電網(wǎng)的穩(wěn)定；

（2）當出現(xiàn)雷電等突發(fā)狀況出現(xiàn)時，電網(wǎng)出現(xiàn)波動異常，智能三相表將異常反饋給上位機，上位機能夠根據(jù)情況及時對電網(wǎng)供電設備進行控制盒保護，防止出現(xiàn)生產(chǎn)中斷以及設備損壞的情況產(chǎn)生；

（3）智能三相表能夠掌握電網(wǎng)中設備的用電狀況，提供大量數(shù)據(jù)，企業(yè)可以根據(jù)這些數(shù)據(jù)制定更加經(jīng)濟環(huán)保的用電計劃。

2.2 智能電力儀表的設計原理

設計的智能三相表能夠測量電壓有效值，電流有效值，有功功率以及有功能量，無功功率以及無功能量等參數(shù)的測量。

（Ⅰ）電壓\\電流有效值

其通過對電壓\\電流采樣值進行平方，開方以及數(shù)字濾波等一系列運算得到。

（Ⅱ）有功功率以及有功能量

根據(jù)有功功率的公式P=，通過對去直流分量的電流電壓信號進行乘法加法以及數(shù)字濾波等一系列數(shù)字信號處理后可得到有功功率。

（Ⅲ）無功功率以及無功能量

根據(jù)無功功率的計算公式，其計算與有功功率相似，區(qū)別只是電壓信號采用移相后90°后的信號。

無功能量的計算與有功基本一致，在此不再贅述。

除了上述的內(nèi)容之外，本文設計的智能三相表還能測量視在功率以及視在能量，電壓線頻率，電壓電流相角，電壓夾角，電壓電流相序檢測等，由于篇幅原因，就不一一介紹了[6]。

3.智能電力儀表的硬件實現(xiàn)

如圖2所示，在我們設計的智能電力儀表中通過傳感器及采樣電路對電力信號進行采集、變換并送往計量專用芯片，由計量專用芯片得到各電力計量基本參數(shù)，CPU可通過通訊獲取所需基本參數(shù)，并進行分析、計算，最終得到各電力真實值，例如三相電的線電壓，相電壓，相序等等。然后這些數(shù)據(jù)會通過顯示電路進行顯示或發(fā)給rofibus專用芯片，該芯片會根據(jù)Profibus通訊協(xié)議完成和上位機的通訊。

如圖3所示，ATT7022B是我們所選用的計量專用芯片。ATT7022B是一顆高精度三相電能專用計量芯片，其能夠測量各相以及合相的有功功率、無功功率、有功能量以及無功能量，同時還能測量各相電流、電壓有效值、功率因數(shù)、相角、頻率等參數(shù)，充分滿足三相復費率多功能電能表的需求，同時ATT7022B還提供一個SPI接口，方便與外部MCU之間進行計量參數(shù)以及校表參數(shù)的傳遞，所有計量參數(shù)都可以通過SPI接口讀出，其內(nèi)部電壓監(jiān)測電路可以保證加電和斷電時正常工作。因此，該芯片完全滿足我所需要的設計要求。

如圖4所示，是CPU和Profibus之間的連接。

其中CPU選用的是ATmega128/128L，而Profibus專用芯片選用的是SPC3。Atmega128是一款基于AVR RISC結構的低功耗CMOS 8位單片機通過在一個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行一條指令ATmega8可以取得1MIPS/MHz的性能。

而SPC3集成了OSI模型的第一層（特別是模擬傳輸RS485驅(qū)動器）和第二層的執(zhí)行總線FDL以及接口服務和管理協(xié)議。余下的第二層功能如用戶接口、數(shù)據(jù)管理等、就需要通過軟件來實現(xiàn)[1，2]。

4.智能電力儀表的軟件實現(xiàn)

本次設計中主要需要完成的軟件設計包含以下幾個部分：（1）對于ATT7022B計量芯片的編程，以此來達到計算出電力參數(shù)的目的；（2）對于CPU的程序設計，本文中主要介紹對于其接收和輸出參數(shù)的軟件結構；（3）對于SPC3的程序編寫，本文中會介紹其與上位機的通訊實現(xiàn)以及數(shù)據(jù)交換診斷的實現(xiàn)。本文中重點介紹Profibus的應用，因此以下重點介紹的是關于CPU的數(shù)據(jù)交互的實現(xiàn)，以及Profibus專用芯片的數(shù)據(jù)交互的實現(xiàn)。

（1）ATmega128/128L接收和輸出參數(shù)的程序?qū)崿F(xiàn)

圖5主要是ATmega128/128L接收計量芯片發(fā)出數(shù)據(jù)的軟件實現(xiàn)框圖，而圖6是ATmega128/128L向SPC3發(fā)送數(shù)據(jù)的示意圖。當CPU需要進行數(shù)據(jù)的交換時，就會調(diào)用上述兩種中斷程序，當數(shù)據(jù)交換完畢后，完成中斷，回到主程序。

（2）SPC3的通訊程序?qū)崿F(xiàn)

圖7主要是設計中SPC3與上位機進行數(shù)據(jù)交換和診斷的軟件實現(xiàn)。

5.結語

本設計中的智能電力儀表，能夠在波特率范圍9.6KBd~12MBd下，通過Profibus總線和上位機進行通信，Profibus總線技術具有高效，可靠等特性。因此解決了原先企業(yè)產(chǎn)品中使用普通電力儀表帶來的監(jiān)控滯后以及誤差等問題。同時，又由于本設計中的電力儀表使用的計量芯片和CPU也具有高效的計算速度，因此可以使計量的速度更加快，計量中的誤差更加小，從而進一步增強的智能電力儀表的可靠性。通過在實際產(chǎn)品中的測試，本設計中的智能電力儀表能夠在惡劣的工業(yè)環(huán)境中良好的景象工作，符合設計要求，并滿足工礦企業(yè)的實際需求，到達了我們的設計目的。

目前由于形勢的需要，國家政府的大力推動，智能電力儀表的開發(fā)與生產(chǎn)正在國內(nèi)廣泛的開展，并且涌現(xiàn)出大量的企業(yè)以及科技單位來從事研究這些項目，可見這個領域具有十分廣闊的空間和市場。但是，由于我們開拓這塊領域的時間相比國外還有滯后，因此我們的技術水平還有待提高，我們還需要進一步摸索和學習，但是相信前景是美好和光明的。

參考文獻

[1]SPC3. Siemens PROFIBUS Controller User Description，Siemens，1996.

[2]SIEMENS.SPC3 User Description [R].1996.

[3]周志敏，紀愛華.Profibus總線系統(tǒng)設計與應用[M].中國電力出版社，2009.