基于ARM的智能三相電力監(jiān)控儀表設(shè)計(jì)

翟亞芳,李正斌,張修太,張?zhí)禊i

(安陽工學(xué)院 電子信息與電氣工程學(xué)院,河南安陽,455000)

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基于ARM的智能三相電力監(jiān)控儀表設(shè)計(jì)

翟亞芳,李正斌,張修太*,張?zhí)禊i

(安陽工學(xué)院 電子信息與電氣工程學(xué)院,河南安陽,455000)

摘要:介紹了一種電力監(jiān)控系統(tǒng)智能三相電力監(jiān)控儀表的設(shè)計(jì)方案,敘述了監(jiān)控儀表的總體結(jié)構(gòu),給出了信號(hào)調(diào)理電路、開關(guān)量輸入/輸出電路和通信接口電路的設(shè)計(jì)方案,并說明了監(jiān)控儀表的硬件配置圖、監(jiān)控界面和典型的應(yīng)用電路。監(jiān)控儀表以32位ARM處理器MB9BF218為控制核心,以ATT7022D為測(cè)量元件,實(shí)現(xiàn)了對(duì)電壓、電流、頻率、功率因數(shù)、有功功率、無功功率等三相電力參數(shù)的測(cè)量,具有RS485和以太網(wǎng)RJ45兩種通信接口,可以方便地與其它設(shè)備一起構(gòu)成電力監(jiān)控系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞:電力監(jiān)控系統(tǒng);監(jiān)控儀表;電力參數(shù)測(cè)量;ATT7022D;遠(yuǎn)程控制

智能電網(wǎng)是當(dāng)今世界電力系統(tǒng)的發(fā)展方向,電力監(jiān)控系統(tǒng)是電力系統(tǒng)數(shù)字化和信息化的產(chǎn)物,是智能電網(wǎng)的重要組成部分。隨著電力系統(tǒng)自動(dòng)化、智能化程度的不斷提高,電力監(jiān)控系統(tǒng)中各種裝置的數(shù)字化、智能化趨勢(shì)日益明顯,并具有功能多樣化、通信接口豐富化、高可靠性和高性能指標(biāo)等特點(diǎn)[1-2]。三相電力監(jiān)控儀表是電力監(jiān)控系統(tǒng)中的前端元件,主要用于工礦企業(yè)、醫(yī)院、智能建筑等領(lǐng)域的中低壓(10 kV或0.4 kV)配電場(chǎng)所(配電站、分支箱等),具備電力參數(shù)測(cè)量、數(shù)據(jù)通信和遠(yuǎn)程控制功能,可以取代傳統(tǒng)的指針式儀表,成為電力監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分。

1　監(jiān)控儀表的總體設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的智能三相電力監(jiān)控儀表具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集和處理功能,不僅能夠測(cè)量電壓、電流、頻率等常用電力參數(shù),而且可以進(jìn)行有功功率、無功功率、視在功率、有功電度和無功電度的計(jì)算,并具開關(guān)量輸入/輸出、故障錄波和網(wǎng)絡(luò)通信等功能。智能三相電力監(jiān)控儀表主要由測(cè)量模塊、開關(guān)量輸入/輸出模塊、數(shù)據(jù)處理與控制模塊、數(shù)據(jù)通信模塊和人機(jī)接口模塊構(gòu)成,其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示[3-4]。

測(cè)量模塊負(fù)責(zé)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量電壓、電流、頻率等電力參數(shù),主要由模擬量輸入接口、信號(hào)調(diào)理電路和測(cè)量電路構(gòu)成。開關(guān)量輸入模塊負(fù)責(zé)采集負(fù)荷開關(guān)位置信號(hào)、低壓斷路器位置信號(hào)、熔斷器熔斷信號(hào)等開關(guān)量信號(hào)的狀態(tài),由開關(guān)量接口電路構(gòu)成;開關(guān)量輸出模塊負(fù)責(zé)控制信號(hào)的輸出,用于對(duì)負(fù)荷開關(guān)或低壓斷路器的分合控制,主要由繼電器輸出接口電路構(gòu)成。數(shù)據(jù)處理與控制模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心,主要負(fù)責(zé)測(cè)量數(shù)據(jù)處理、電氣量計(jì)算、開關(guān)量輸入信號(hào)狀態(tài)判斷、開關(guān)量輸出控制、故障錄波信息處理、數(shù)據(jù)通信控制等,主要由ARM微處理器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、晶振電路和復(fù)位電路等構(gòu)成。數(shù)據(jù)通信模塊負(fù)責(zé)與其它智能設(shè)備進(jìn)行信息交換,如定值參數(shù)信息的修改、測(cè)量數(shù)據(jù)的上傳、故障錄波文件上傳等,主要由RS485總線和以太網(wǎng)接口電路構(gòu)成。人機(jī)接口模塊負(fù)責(zé)與外界進(jìn)行信息交換,由按鍵電路和顯示電路構(gòu)成,主要作用是鍵盤操作和數(shù)據(jù)顯示[5]。

圖1　監(jiān)控儀表的結(jié)構(gòu)框圖

2　監(jiān)控儀表的硬件設(shè)計(jì)

監(jiān)控儀表在設(shè)計(jì)時(shí)選用富士通Cortex-M3家族的32位ARM處理器MB9BF218作為數(shù)據(jù)處理與控制核心。MB9BF218具有如下特點(diǎn):時(shí)鐘頻率最高可達(dá)144 MHz;片內(nèi)集成有1 024 kbyte的FLASH ROM和128 kbyte的SRAM;含有24通道12位A/D轉(zhuǎn)換器;含有8個(gè)多功能串行口,每個(gè)通道支持UATR、I2C、SPI和LIN 4種功能配置;含有16個(gè)基本定時(shí)器和3單元多功能定時(shí)器;內(nèi)部集成有1路以太網(wǎng)控制器。MB9BF218具有足夠多的I/O接口和快速處理數(shù)據(jù)能力,能夠滿足智能三相電力監(jiān)控儀表的設(shè)計(jì)需要。

2.1信號(hào)采樣和調(diào)理電路

電力參數(shù)采集電路主要由輸入采樣電路、信號(hào)調(diào)理電路和測(cè)量芯片ATT7022D構(gòu)成。在設(shè)計(jì)電路時(shí),將監(jiān)控儀表的額定輸入電壓設(shè)定為380 V(線電壓),額定輸入電流為5 A,而測(cè)量芯片ATT7022D內(nèi)部ADC采用雙端差分信號(hào)輸入,最大輸入電壓是1.5 V,即可以輸入最大的正弦信號(hào)有效值為1 V,因此需要將輸入的電壓信號(hào)和電流信號(hào)經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路之后送入ATT7022D的輸入端。

輸入電壓信號(hào)的額定電壓為220 V(相電壓),在信號(hào)采樣時(shí)使其先經(jīng)過一個(gè)110 kΩ電阻,將電壓信號(hào)變換為-2 mA～2 mA的電流信號(hào),然后使用2 mA/2 mA電流互感器進(jìn)行采樣,采樣后的信號(hào)經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路后,送給ATT7022D的差分信號(hào)輸入端。輸入電壓信號(hào)的額定電流為5 A,設(shè)計(jì)時(shí)直接使用5 A/5 mA的電流互感器進(jìn)行采樣,采樣后的信號(hào)經(jīng)過調(diào)理電路后,送給ATT7022D的差分信號(hào)輸入端。輸入電壓和輸入電流的采樣和信號(hào)調(diào)理電路如圖2所示,圖2中的UAP、UAN為輸入電壓UA經(jīng)采樣和信號(hào)調(diào)理后的差分輸出端子,同理,輸入電壓UB的差分輸出端為UBP和UBN,輸入電壓UC的差分輸出端為UCP和UCN;IAP、IAN為輸入電流IA經(jīng)采樣和信號(hào)調(diào)理后的差分輸出端子,同理輸入電流IB的差分輸出端為IBP和IBN,輸入電流IC的差分輸出端為ICP和ICN;ACOM為直流偏置電壓,其作用是將信號(hào)調(diào)理后的信號(hào)抬高一個(gè)固定的電壓值,使其能夠還原輸入信號(hào)交變的特點(diǎn)[6]。

圖2　信號(hào)采樣和調(diào)理電路

2.2開關(guān)量輸入/輸出電路

該監(jiān)控儀表配置有2路固定的外部開關(guān)量輸入接口,適用于檢測(cè)斷路器的位置信號(hào)、刀閘位置信號(hào)等狀態(tài)量信息。當(dāng)開關(guān)量輸入的外部節(jié)點(diǎn)閉合時(shí),監(jiān)控儀表的監(jiān)控界面顯示對(duì)應(yīng)的開關(guān)量閉合,同時(shí)內(nèi)部相應(yīng)的狀態(tài)信息被置成1;當(dāng)外部節(jié)點(diǎn)斷開時(shí),監(jiān)控儀表的監(jiān)控界面顯示對(duì)應(yīng)的開關(guān)量斷開,同時(shí)內(nèi)部相應(yīng)的狀態(tài)信息被置成0。此外,裝置可根據(jù)需要將開關(guān)量輸入接口進(jìn)行擴(kuò)展,最多可達(dá)10路。監(jiān)控儀表配置有2路繼電器開關(guān)量輸出接口,當(dāng)內(nèi)部相應(yīng)的狀態(tài)信息被置成1時(shí),繼電器閉合輸出,監(jiān)控見面顯示對(duì)應(yīng)的繼電器閉合;當(dāng)內(nèi)部相應(yīng)的狀態(tài)信息被置成0時(shí),繼電器斷開,監(jiān)控見面顯示對(duì)應(yīng)的繼電器斷開。

開關(guān)量輸入/輸出電路如圖3所示。在開關(guān)量輸入電路中,當(dāng)有開入輸入信號(hào)時(shí),開入電源+24 V通過DI1流入回路,通過10 kΩ、15 kΩ和0.1 μF組成的限流和濾波電路后,驅(qū)動(dòng)光電耦合器TLP181導(dǎo)通,DIN1處輸出低電平,通知微處理器有外部開關(guān)量輸入。在開關(guān)量輸出電路中,當(dāng)DO1輸出低電平時(shí),光電耦合器TLP127導(dǎo)通,驅(qū)動(dòng)繼電器導(dǎo)通,輸出繼電器動(dòng)作[7]。

圖3　開關(guān)量輸入/輸出電路

2.3通信接口電路

該監(jiān)控儀表具有數(shù)據(jù)通信和遠(yuǎn)程控制功能,監(jiān)控儀表可以將采集到的電壓、電流、功率、頻率等電參數(shù)或開關(guān)量信號(hào)的狀態(tài)上傳至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心,也可以與其它智能設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換,同時(shí),遠(yuǎn)程監(jiān)控中心可以向監(jiān)控儀表發(fā)出控制命令或進(jìn)行參數(shù)配置,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能。該監(jiān)控儀表設(shè)置有RS485總線通信接口和以太網(wǎng)RJ45通信接口,RS485總線接口電路如圖4所示[8]。圖中ISO3082是一種帶隔離功能的半雙工差分總線式收發(fā)器,其內(nèi)部集成有隔離裝置,具有很好的隔離特性,隔離電壓高達(dá)DC2500V,廣泛應(yīng)用于電力監(jiān)控、樓宇自動(dòng)化等領(lǐng)域。RXD、TXD分別為微控制器的異步串口的接收端和發(fā)送端,SCK是ISO3082的收/發(fā)使能控制端,當(dāng)SCK為高電平時(shí)發(fā)送使能,SCK為低電平時(shí)接收使能;兩個(gè)20 Ω電阻起阻抗匹配作用,兩個(gè)3.3 kΩ分別為下拉電路和上拉電阻。

圖4　RS485總線接口電路

3　監(jiān)控儀表的硬件配置和監(jiān)控界面

3.1監(jiān)控儀表的硬件配置

該監(jiān)控儀表配置有2路固定的無源開關(guān)量輸入接口、8路可擴(kuò)展開關(guān)量輸入接口、2路繼電器開出接口、2路4 mA～20 mA電流輸出接口、1路RS485總線接口、1路RJ45接口、3路電流輸入接口和4路電壓輸入接口,其硬件配置圖如圖5所示[9]。圖中的端子23(L/+)、24(N/-)為監(jiān)控儀表的電源輸入端,當(dāng)電源為直流時(shí),23端子接電源正極,24端子接電源負(fù)極;端子1(AO1+)和端子2(AO1-)為第1路4 mA～20 mA電流輸出端子,端子3(AO2+)和端子4(AO2-)為第2路4 mA～20 mA電流輸出端子;端子19(DO11)和端子20(DO12)為第1路繼電器開出接口,端子21(DO21)和端子22(DO22)為第2路繼電器開出接口,兩路繼電器輸出均為常開觸點(diǎn),分段電流能力為5 A。

圖5　監(jiān)控儀表的硬件配置圖

圖6　監(jiān)控儀表的監(jiān)控界面

3.2監(jiān)控儀表的監(jiān)控界面

監(jiān)控儀表的監(jiān)控界面由數(shù)值顯示區(qū)、功能指示區(qū)和按鍵區(qū)構(gòu)成,如圖6所示。數(shù)值顯示區(qū)用于顯示三相電力參數(shù),功能指示區(qū)用于指示所顯示數(shù)據(jù)代表的含義,按鍵區(qū)用于切換測(cè)量顯示界面和編程設(shè)置。其中功能指示區(qū)中的M代表測(cè)量結(jié)果以兆為計(jì)量單位,K代表以千為計(jì)量單位,A/T用于顯示平均值和累加值,I代表相電流,U代表相電壓,UL代表線電壓,F代表頻率,COM代表數(shù)據(jù)通信,P代表有功功率,Q代表無功功率,E代表電度提示符,PF代表功率因數(shù),S1、S2代表開關(guān)量輸入提示符,DO1、DO2代表開關(guān)量輸出提示符,以上各符號(hào)處于點(diǎn)亮狀態(tài)時(shí),表示監(jiān)控儀表工作于該狀態(tài)下。單擊按鍵區(qū)的CR鍵系統(tǒng)將進(jìn)入編程模式,可以對(duì)監(jiān)控儀表的初始運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行設(shè)置,設(shè)置完成后,再次單擊CR鍵,即可保存設(shè)置,如果不想保存設(shè)置,可以單擊ESC鍵退出。

4　監(jiān)控儀表的應(yīng)用及測(cè)試

4.1監(jiān)控儀表的應(yīng)用電路

所設(shè)計(jì)的智能三相電力監(jiān)控儀表在三相四線制系統(tǒng)中的典型應(yīng)用電路如圖7所示,圖中假設(shè)輸入電壓和輸入電流均超過該監(jiān)控儀表的額定值,此時(shí)需要選擇合適的電壓互感器和電流互感器,并需要對(duì)測(cè)控儀表的互感器變比參數(shù)進(jìn)行配置。如果輸入電壓和輸入電流均未超過額定值,則可以不使用電壓互感器和電流互感器。

圖7　監(jiān)控儀表的典型應(yīng)用電路

4.2監(jiān)控儀表的測(cè)試結(jié)果

為了驗(yàn)證監(jiān)控儀表測(cè)量結(jié)果的可靠性,分別對(duì)電壓、電流、頻率、功率因數(shù)、無功功率和有功功率等電力參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試,部分測(cè)量結(jié)果如表1所示。

表1　監(jiān)控儀表的測(cè)試結(jié)果

將測(cè)量結(jié)果同儀器輸出參數(shù)對(duì)比可知,監(jiān)控儀表的測(cè)量結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確性,其中電壓、電流、頻率和頻率因數(shù)的測(cè)量誤差在0.2%以內(nèi),滿足了電力系統(tǒng)對(duì)電力參數(shù)測(cè)量結(jié)果的需要。

5　結(jié)論

隨著電力系統(tǒng)自動(dòng)化程度的提高,電力市場(chǎng)對(duì)電力監(jiān)控儀表的需求不斷變化,本文所設(shè)計(jì)的智能三相電力監(jiān)控儀表不僅能夠滿足常規(guī)電力參數(shù)測(cè)量的需要,還具有RS485總線、以太網(wǎng)RJ45、遠(yuǎn)程控制等功能,與其它同類儀表相比,具有多功能、高精度、超小型設(shè)計(jì)、易學(xué)易用、接線靈活等優(yōu)點(diǎn)。該智能三項(xiàng)電力監(jiān)控儀表設(shè)計(jì)思想較先進(jìn),功能可靠,更符合電力市場(chǎng)的需求。

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翟亞芳(1979-),女,河北保定,安陽工學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院,碩士,講師,主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)、微控制器技術(shù)應(yīng)用,zhaiyafangwin@163.com,電話:15824625510。

DesignofIntelligentThree-phasePowerMonitoringInstrumentBasedonARM

ZHAIYafang,LIZhengbin,ZHANGXiutai*,ZHANGTianpeng

(School of Electronic Information & Electrical Engineering,Anyang Institute of Technology,Anyang,Henan,455000)

Abstract:The design of intelligent three-phase power monitoring instrument for power monitoring system is introduced.The overall structure,the schematic diagrams of signal modulated circuit,switch signal input/output,and communication interface are given,and the hardware configuration,the monitoring interface and the typical application circuit are also set up.The 32-bit ARM processor MB9BF218 is used as a core component in this device,and the ATT7022D is used as the measuring units,it could realize the measurement of voltage,current,frequency,power factor,active power and reactive power.The device has two communication interfaces which are RS485 and Ethernet RJ45,and it could constitute power monitoring system easily together with other instruments.

Key words:power monitoring system;monitoring instrument;electric power parameter measurement;ATT7022D;remote control

doi:EEACC:7210;811010.3969/j.issn.1005-9490.2014.05.042

中圖分類號(hào):TM932;TM764

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1005-9490(2014)05-0996-04

收稿日期:2014-01-03修改日期:2014-01-22