一種農(nóng)網(wǎng)智能終端系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鐘 峰 唐緒偉

（懷化職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 懷化 418000）

隨著我國電力系統(tǒng)的快速發(fā)展，農(nóng)村配變電網(wǎng)系統(tǒng)處于深度建設(shè)、發(fā)展和改造的新歷程。國家需打造信息化、自動(dòng)化、互動(dòng)化特征的智能電網(wǎng)系統(tǒng)，對(duì)農(nóng)村配變電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)發(fā)展提出了更高、更新的要求[1]。

目前，我國農(nóng)村電網(wǎng)的運(yùn)行優(yōu)化和建設(shè)規(guī)劃缺乏依據(jù)，一旦臺(tái)區(qū)變漏電保護(hù)裝置閉鎖，則手動(dòng)合閘。因漏電保護(hù)裝置頻繁動(dòng)作，觸電事故或者長時(shí)間停電事件經(jīng)常發(fā)生。臺(tái)區(qū)變燒損率高、無功控制方式落和配電變壓器防盜技術(shù)及運(yùn)行監(jiān)控方式落后、監(jiān)控裝置功能單一、全套采購安裝成本太高等缺點(diǎn)，為了改善農(nóng)村低壓配變電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的自動(dòng)化管理水平[1]，結(jié)合當(dāng)前我國農(nóng)村供配變電系統(tǒng)的現(xiàn)狀和管理特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種農(nóng)網(wǎng)供電臺(tái)區(qū)變綜合監(jiān)控系統(tǒng)[2]。對(duì)推動(dòng)農(nóng)村供配變電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的健康發(fā)展具有十分重大的現(xiàn)實(shí)意義和推廣價(jià)值[3]。

1 系統(tǒng)總體規(guī)劃與結(jié)構(gòu)

通過實(shí)地調(diào)研，聽取和分析相關(guān)電力部門專業(yè)人員所指出的當(dāng)前農(nóng)村地區(qū)低壓配電網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀況及存在的問題，得出該終端應(yīng)具備：三相電網(wǎng)參數(shù)的采集、計(jì)算、存儲(chǔ)及統(tǒng)計(jì)、無功補(bǔ)償與電容器保護(hù)、漏電保護(hù)器控制、配電變壓器保護(hù)、負(fù)荷投切控制、故障報(bào)警、遠(yuǎn)程通信與控制、參數(shù)設(shè)置等功能。系統(tǒng)功能圖如圖1所示。

系統(tǒng)程序由10 個(gè)功能模塊組成：①系統(tǒng)初始化模塊，用于CPU 系統(tǒng)資源初始化、變量定義及初始化、各硬件模塊初始化等；②電源管理單元模塊，用于對(duì)CPU、LCD 液晶節(jié)電模式管理；③人機(jī)交互界面模塊，用于按鍵功能、LCD 液晶顯示界面內(nèi)容及界面切換設(shè)計(jì)；④GPRS 通信模塊，用于數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收、完成設(shè)備的編碼與譯碼等功能；⑤時(shí)鐘DS1302 集成模塊，用于系統(tǒng)時(shí)間的提供，完成DS1302 芯片驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)；⑥鐵電存儲(chǔ)器模塊，鐵電存儲(chǔ)器驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)，用于保存系統(tǒng)重要參數(shù)與標(biāo)志；⑦功率計(jì)量ATT7022B 模塊，用于采集三相電網(wǎng)電壓、電流及其他電氣參數(shù)的計(jì)算，完成ATT7022B 功率計(jì)量芯片的接口程序設(shè)計(jì)；⑧參數(shù)處理及監(jiān)測(cè)模塊，用于電量參數(shù)、數(shù)字IO 狀態(tài)量等參數(shù)的采樣、處理和監(jiān)測(cè)；⑨無功功率管理模塊，用于電容器的投入、切斷控制和保護(hù)；⑩預(yù)警保護(hù)模塊，根據(jù)參數(shù)監(jiān)測(cè)及處理模塊的輸出結(jié)果，完成相關(guān)保護(hù)動(dòng)作[3]。

系統(tǒng)是針對(duì)變壓器的遠(yuǎn)程智能監(jiān)控（即農(nóng)村低壓配電網(wǎng)絡(luò)），為了驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性、可靠性及穩(wěn)定性，文章還搭建配電網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)?zāi)M平臺(tái)。該平臺(tái)由變壓器、交流接觸器、漏電保護(hù)器及模擬負(fù)載構(gòu)成。整體框圖如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)功能圖

圖2 整體框圖

結(jié)合系統(tǒng)功能，采用微控制器為核心，配合電能參數(shù)計(jì)量芯片和存儲(chǔ)芯片，完成相關(guān)電能參數(shù)的采集、處理與儲(chǔ)存，通過光電耦合器控制4 路繼電器，實(shí)現(xiàn)3 路饋線及無功線路的投切控制，另外需要將線路中有關(guān)的開關(guān)信號(hào)量（交流接觸器輔助觸點(diǎn)的連通狀態(tài)）引入微控制器中，以便微控制器做出相應(yīng)判斷與合理動(dòng)作。

系統(tǒng)以C8051F020 單片機(jī)為主控制器，它具有高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051 兼容的CIP-51 內(nèi)核，指令速度可達(dá)25MIPS，64kb 的可在系統(tǒng)編程的Flash存儲(chǔ)存器，4kb 的片內(nèi)RAM[4]。最重要的是其指令集系統(tǒng)與傳統(tǒng)的MCS-51 指令集完全兼容，大大縮短了開發(fā)周期。

以ATT7022B 為三相電能計(jì)量芯片。它是一顆高精度三相電能專用計(jì)量芯片，適用于三相三線和三相四線應(yīng)用，能夠測(cè)量各相以及合相的有功功率、無功功率、視在功率、有功能量及無功能量等參數(shù)，所測(cè)參數(shù)齊全，且有功測(cè)量滿足0.2s、0.5s 級(jí)，支持IEC 62053-22，GB/T 17883-1998，無功測(cè)量滿足2 級(jí)、3 級(jí)，支持IEC 62053-23，GB/T 17882-1999，精度滿足系統(tǒng)要求[10]。

GPRS 通信模塊選用成品模塊，此模塊留有通信接口與固定插針，易于集成至主板上，且附帶有上位機(jī)配置軟件，操作簡單方便。運(yùn)行測(cè)試表明，其穩(wěn)定性好。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由C8051F020 主控制器模塊、ATT7022B三相電能計(jì)量模塊、GR100E GPRS 無線通信模塊、鐵電存儲(chǔ)器模塊、時(shí)鐘模塊、液晶顯示模塊與電源模塊等構(gòu)成。

ATT7022B 電能計(jì)量芯片硬件電路設(shè)計(jì)：

ATT7022B 是一款精度高、功能強(qiáng)的防竊電基波諧波三相電能專用計(jì)量芯片。它集成七路二階sigma-delta ADC，其中三路用于三相電壓參數(shù)采樣，三路用于三相電流參數(shù)采樣，最后一路用于零線電流或其他防竊電參數(shù)采樣?？奢敵霾@示實(shí)時(shí)采樣數(shù)據(jù)及有效值，使用方便。該芯片適合在三相三線制和三相四線制電網(wǎng)電路中的應(yīng)用[5]。系統(tǒng)集成了參考電壓電路和各項(xiàng)電參數(shù)測(cè)量的數(shù)字信號(hào)處理電路，可以完成有功功率、無功功率、視在功率、有功能量以及無功能量的測(cè)量。同時(shí)還可測(cè)量頻率、相電流和相電壓的有效值、功率因數(shù)、相位角等參數(shù)，提供兩種視在電能，充分滿足三相多功能電能表以及基波諧波電能表制作的需求[6]。系統(tǒng)還集成了一個(gè)SPI 接口，可方便與外部MCU 之間的計(jì)量參數(shù)和校表參數(shù)傳遞。

ATT7022B 三相電能計(jì)量芯片的采樣電壓輸入有3 種方法：①直接采用電阻分壓；②利用電壓互感器變壓；③先將輸入電壓轉(zhuǎn)換成電流，經(jīng)過電流互感器將電流轉(zhuǎn)換成電壓[6]。其中方法②和方法③都需要配備一款精度高的電壓或電流互感器，增加了制作成本，故系統(tǒng)直接使用電阻分壓方式。其電路圖如圖3所示。

圖3 電壓采樣電路

圖3中，Vx 接相線，Vncom 接零線，F(xiàn)U201為耐壓600V、熔斷電流為160mA 的自恢復(fù)保險(xiǎn)電阻，RMY2001 為471K 的壓敏電阻，他們的主要功能是防過流與過壓，提高系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性與安全性。R2001 與R2009 夠成電壓分壓網(wǎng)絡(luò)，保證a 點(diǎn)電壓在0.5V 左右，因?yàn)楦鶕?jù)ATT7022B 三相電能計(jì)量的芯片模擬輸入端的要求，電壓通道有效值在10mV 至1V 的范圍內(nèi)時(shí)，其線性誤差小于0.5%，故取樣信號(hào)選擇0.5V。R2012 與C2001 構(gòu)成了抗混疊濾波器，保證輸入信號(hào)的“純度”。其結(jié)構(gòu)參數(shù)要求對(duì)稱，并采用溫度性能較好的元器件，從而保證系統(tǒng)獲得良好的溫度特性。每路ADC 的交流輸入由管腳VxP 和VxN 輸入，同時(shí)要求VxP、VxN 迭加2.4V 左右直流偏置電壓[7]，以保證輸入信號(hào)波形不失真。該偏置電壓可以由芯片的參考電壓輸出引腳REFOUT 獲得，也可以由外部基準(zhǔn)電壓提供。本系統(tǒng)直接采用芯片參考電壓輸出引腳提供此偏置電壓。

電流采樣電路直接使用電流互感器，將輸入的大電流變換成小電流信號(hào)，然后再將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成符合采樣芯片要求的電壓信號(hào)，電路如圖4所示。

圖4 電流采樣電路

圖4中，Vx 接相線，Vncom 接零線，CT 為輸入額定電流1.5A（最大6A）、輸出電流為5mA 的電流互感器，電阻R1002 控制a 點(diǎn)的電壓值大小，即輸入至ADC 端口的采樣電壓，根據(jù)三相電能計(jì)量芯片要求，電流通道ADC 的輸入端采樣信號(hào)選擇0.1V，故電阻R1002 的阻值選擇為20。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 程序設(shè)計(jì)思路

系統(tǒng)采用了可向控制器中嵌入實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)uC/OS-II 并以其為核心，通過將相應(yīng)功能子模塊程序合理的劃分為多個(gè)子任務(wù)方式來編程系統(tǒng)軟件。

系統(tǒng)軟件以實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)uC/OS-II 為核心，由LCD 界面顯示、按鍵掃描、無功控制、三相電能采樣與故障檢測(cè)、故障響應(yīng)、負(fù)荷管理及GPRS 通信等7 個(gè)子任務(wù)組成。在調(diào)用啟動(dòng)操作系統(tǒng)任務(wù)函數(shù)OSStart()之前全部創(chuàng)建好，最后由系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度器統(tǒng)一調(diào)度，完成整個(gè)系統(tǒng)功能。

3.2 系統(tǒng)軟件初始化部分流程圖

系統(tǒng)初始化程序是整個(gè)系統(tǒng)軟件中最核心的部分之一。是完成對(duì)操作系統(tǒng)、控制器及相關(guān)外圍輔助芯片的初始化，是保證系統(tǒng)能夠正確運(yùn)行的前提。初始化程序流程圖如圖5所示。

圖5 初始化程序流程圖

操作系統(tǒng)初始化部分是通過調(diào)用uC/OS-II 中的OSInit()函數(shù)來完成。該函數(shù)主要功能是初始化uC/OS-II 中所有的變量和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并建立一個(gè)空閑任務(wù)，且讓該任務(wù)一直處于就緒狀態(tài)（這是因?yàn)閡C/OS-II 規(guī)定，在啟動(dòng)任務(wù)調(diào)度之前，至少要先建立一個(gè)任務(wù)，否則系統(tǒng)會(huì)崩潰）。

控制器初始化主要完成系統(tǒng)時(shí)鐘與管腳的配置、端口狀態(tài)的設(shè)定、系統(tǒng)變量、函數(shù)的聲明和看門狗初始化等。

外圍輔助芯片的初始化主要包括功率計(jì)量芯片ATT7022B 初始化、EEPROM 存儲(chǔ)器的讀寫測(cè)試、時(shí)鐘芯片的檢測(cè)和液晶顯示初始化等操作。部分程序?qū)崿F(xiàn)如下：

4 系統(tǒng)運(yùn)行及調(diào)試

系統(tǒng)測(cè)試：

本文從中選取跳閘報(bào)警、遠(yuǎn)程合閘操作為例。預(yù)設(shè)變壓器名稱為象形老變，低壓饋線為象胡線，終端編號(hào)設(shè)定為91010001。象胡線人為漏電時(shí)，監(jiān)控終端檢測(cè)到漏電現(xiàn)象，立即跳閘并將該事件通過通信模塊發(fā)送到通信服務(wù)器，服務(wù)器處理后在信息管理中心系統(tǒng)顯示。顯示界面如圖6所示。

圖6 漏電跳閘事件報(bào)警界面

漏電跳閘報(bào)警完成且漏電條件取消前，若保護(hù)器已經(jīng)滿足了合閘條件，信息管理中心就會(huì)發(fā)出合閘指令。

圖7 系統(tǒng)象胡線現(xiàn)狀

圖8 遠(yuǎn)程合閘操作界面

圖9 遠(yuǎn)程合閘成功界面

系統(tǒng)終端在完成自動(dòng)跳閘、遠(yuǎn)程合閘后，再進(jìn)行遠(yuǎn)程跳閘檢測(cè)，界面如圖10 所示。

圖10 遠(yuǎn)程跳閘操作界面

5 結(jié)論

該終端在功能上具有以下特點(diǎn)：①C8051F020保證了系統(tǒng)高速的運(yùn)行速度；②高精度專用電能計(jì)量芯片ATT7022B 保證了相關(guān)電能參數(shù)的準(zhǔn)確性；③在主控制器中嵌入實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)uC/OS-II，保證了本產(chǎn)品運(yùn)行的可靠性等；④GPRS 模塊的運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作與監(jiān)控，無需相關(guān)人員去現(xiàn)場，大大提高了操作的安全性；⑤系統(tǒng)人機(jī)界面友好，實(shí)現(xiàn)了相電壓、相電流、有功功率、無功功率、功率因 數(shù)、無功總量、有功總量、系統(tǒng)功率因數(shù)、電度用量、零序電流等參數(shù)的顯示，顯示齊全，方便維護(hù)與檢修；⑥四個(gè)按鍵可以完成參數(shù)查閱、現(xiàn)場點(diǎn)動(dòng)、參數(shù)設(shè)置等所有操作，操作簡單方便。

[1] 陳維鐵,周一平.配電自動(dòng)化的發(fā)展與網(wǎng)絡(luò)改造技術(shù)[J].電工技術(shù),1999(9): 10-12.

[2] 管愛東,鄭建國.低壓配電網(wǎng)無線遠(yuǎn)程監(jiān)控管理信息系統(tǒng)研究[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展,2007,17(11): 201-204.

[3] 王曉梅.淺析農(nóng)網(wǎng)通信系統(tǒng)特點(diǎn)與通信方式[J].河北電力技術(shù),2005,24(5): 52-54.

[4] 肖瑤,凌玉華.新型箱式變遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]． 電力系統(tǒng)通信,2007,28(5): 19-23.

[5] 王明俊,于爾鏗,劉廣一.配電系統(tǒng)自動(dòng)化及其發(fā)展[M].北京: 中國電力出版社,1998: 4-13.

[6] 牛斗,曲廣強(qiáng),曲潔,等.基于GPRS 的電力系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)計(jì)與研究[J].電子測(cè)量技術(shù),2006,29(5): 167-169,173.

[7] 高吉祥.全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽系列教程,基本技能訓(xùn)練與單元電路設(shè)計(jì)篇[M].北京: 電子工業(yè)出版社,2004: 1-66.

[8] 任哲.嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) uC/OS-II 原理及應(yīng)用[M].2 版.北京: 北京航空航天大學(xué)出版社,2009: 1-277.

[9] 潘琢金譯.C8051F020/1/2/3 混合信號(hào)ISP FLASH 微控制器數(shù)據(jù)手冊(cè)[Z].沈陽新華龍電子有限公司,2002.

[10] 炬力集成電路設(shè)計(jì)有限公司.多功能防竊電基波諧波三相電能專用計(jì)量芯片ATT7022B 用戶手冊(cè)[Z].炬力集成電路設(shè)計(jì)有限公司,2005: 1-48.