基于PIC18F87J60的微網電能質量監測網絡系統設計與實現

滕贏，夏明超

（北京交通大學 電氣工程學院，北京 100044）

隨著用電需求的增加和電力系統規模的擴大，傳統的大電網在給我們帶來許多益處的同時，其弊端也日益顯現：運行成本大，控制難度高，難以適應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，使得傳統電網建設模式很難適應現代能源需求[1-4]。

人們很早就對分布式發電技術進行過認真的研究。隨著研究的深入，人們發現分布式電源的間歇性、復雜性、多樣性和不穩定性限制了它的大規模應用。為協調大電網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發電的規模化應用的電網——微網（Micro-Grid）。微網通過有效的協調控制，使主要基于新能源和可再生能源的分布式電源并網所產生的負面問題都在微網內得到解決，減少了分布式電源并網對大電網產生的各種擾動。微網有并網運行和獨立運行2種運行方式，對大電網可以起到削峰填谷的作用。微網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發電規模化應用具有重要意義[5-7]。

近年來，隨著對微網研究的深入，微網投入并網發電的應用范圍越來越廣，微網中微電源的種類越來越多，數量也越來越大，進而不可避免地造成微網中產生許多由于微電源自身特殊性質而引發的電能質量問題，嚴重影響全網的穩定、正常運行。因此，改善微網的電能質量對于整個電網和電氣設備的安全、經濟運行，提高電網的運營效益等均有重要意義，而對電能質量各項指標進行監測則是改善電能質量的基礎和前提。因此，開發一種新型的、實時性好、應用范圍廣的電能質量監測裝置，對于保證電力系統運行的安全性、經濟性和可靠性都具有重要意義。

1 系統功能簡介

利用PIC18F87J60單片機設計開發了基于GPS或互聯網對時的微網電能質量監測系統。該電能質量監測系統主要面向微網系統，可實現關鍵電能質量數據，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時采集，并通過以太網發送、傳輸數據至數據中心，使電能質量監管人員能夠實時地查看各監測站點的電能質量狀況，以便迅速查找各種電能質量問題的發生地點及原因，并做出相應對策及時排除，從而有利于全網電能質量的優化調度和集中管理。

具體來說，基于GPS或互聯網對時的微網電能質量監測網絡系統有如下特性：

1）可通過GPS或互聯網進行對時，電能質量信息可以通過互聯網直接發送或經過串行口傳送至PC機后由PC機通過互聯網發送。

2）可監測電壓合格率、供電可靠率、電壓波動和閃變、暫時和瞬態過電壓、各次諧波含量、總諧波畸變率（THD）、區域電網頻率等關鍵電能質量參數。

3）對380 V微網進行監測，可監測380 V/220 V電源，并方便地構成監測網絡。

4）可通過互聯網/局域網實現帶時標信息的數據收集，并在網上發布數據。

2 硬件電路設計

PIC18F87J60單片機是由Microchip公司開發的網絡單片機，它具有嵌入式以太網控制器模塊。這是一個完整的網絡連接解決方案，完全實現了介質訪問控制（Media Access Control，MAC）和物理層收發器（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直接與以太網相連。以太網模塊符合IEEE 802.3中所有關于雙絞線網絡10-BaseT連接的規定。它在內部實現了一些數據包過濾機制，用以限制傳入的數據包。它還提供了一個用于實現快速數據吞吐的內置DMA模塊，以及硬件IP校驗和計算。另外它還提供了2個用于指示鏈路和網絡活動的LED輸出[8]。

系統的整體結構如圖1所示。根據系統的功能，可將該系統大致可分為4個模塊，分別是：電源模塊、數據采集及處理模塊、通信模塊和數據庫模塊。

圖1 系統的整體結構

為了便利快速的進行數據采集和傳輸，該系統可實現直接由監測點供電。具體實現過程是，將監測點的三相電源正弦工頻380 V交流電引入系統后，把A相電壓經過2個220 V/6 V變壓器降壓后得到兩路6 V交流信號，一路經過整流、穩壓后作為單片機的工作電源，另一路則作為測壓測頻的輸入信號接入單片機中。另外兩相則各自經一個變壓器降壓后輸出6 V交流電，經電阻分壓后作為測壓輸入信號接入單片機中。這樣便構成了系統的電源模塊，并且為數據的采集做好了前期工作。

作為該系統的核心部分，單片機PIC18F87J60承擔所有的數據采集和處理任務，并且協調各個模塊的工作。EEPROM則用來儲存電能質量信息以及系統運行過程中產生的各類關鍵信息。為了便于構成監測網絡，該系統設有2種通信方式：一方面可通過RS232接口與計算機建立連接后，將數據通過計算機發布至搭建于互聯網的數據中心；另一方面，可通過RJ45接口直接接入互聯網進行數據的傳輸和發布，從而為實現網絡化的數據中心和電能質量信息的實時性傳輸提供了條件。由于涉及電能質量的各項參數對時間的要求精度較高，所以引入了GPS模塊用于對時，為每一項數據添加時標信息，滿足數據信息在時間上的精確和有序。除此之外，為保證數據的方便有效的儲存、查看和管理，可利用Microsoft公司的SQL Server軟件以時間為主鍵，數據點編號為外鍵，為每一個數據采集點建立數據表，進而構成網絡數據庫。可分按時間、按地點或兩者結合設計查詢程序。通過設定用戶權限，可將用戶分為若干等級，限定查詢程序使用權限。另外，還可通過GPS模塊取得地理位置信息，實現與地圖上各點的數據鏈接。

3 軟件設計

由于篇幅所限，本文只就本系統的核心部分——PIC18F87J60單片機的開發過程作簡要闡述。

3.1 開發工具

3.1.1 集成開發環境

由Microchip公司提供的MPLAB IDE v8.40集成開發環境為PIC18F87J60芯片的開發提供了更多的便利。由于是用C語言對芯片進行編程開發，所以還需要用到C語言編譯器MPLAB C18，這是專門針對PIC18系列單片機設計研發的編譯器，通過使用MPLAB C18，可以直接在MPLAB IDE中對C語言程序進行編寫和修改。

3.1.2 在線調試器ProICD2

開發過程使用Microchip公司提供的在線調試器——ProICD2。ProICD2是Microchip公司在MPLAB ICD2的框架上，改進設計而來的更高版本的在線調試器。ProICD2除了能實現ICD2的全部功能外，還進一步增強了保護電路，穩定性更好，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協議棧

Microchip TCP/IP協議棧是一套程序，它服務于標準的、基于TCP/IP的應用程序，或者使用在定制的、基于TCP/IP的應用程序中。在本系統的開發過程中，使用的是該協議的5.10版本。通過使用該協議棧，大大簡化了該系統以太網通信模塊的開發。

類似于TCP/IP參考模型，Microchip TCP/IP協議棧將TCP/IP協議棧分為多層（如圖2所示）。每層的實現代碼△留在一個獨立的源文件中，而服務和應用程序編程接口（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協議棧添加了2個新模塊：“StackTask”和“ARPTask”。其中“StackTask”是用來管理協議棧及其所有模塊的操作，而“ARPTask”則是用于管理地址解析協議（ARP）層的服務[9-10]。協議棧采用模塊化設計，可根據需求進行裁剪，結合本系統欲實現的功能，僅需保留TCP/IP棧的核心層（MAC，ARP，TCP，UDP）和應用模塊（HTTP，SNMP）。

圖2 Microchip TCP/IP協議棧的層狀結構

3.2 軟件開發過程

PIC18F87J60單片機模塊的軟件開發主要包含數據采樣、數值計算、數據記錄和通信以及系統的對時。

為了盡可能滿足實時性的要求，系統的軟件設計可按優先級分為2大類：一類是包括A/D轉換啟動、數據的實時采集等程序在內的對實時性要求較高的程序，這些程序應賦予較高優先級，在中斷模塊中處理完成。另一類是包括電能質量參數的運算、結果存儲和通信等程序在內的對實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。

該系統的中斷模塊主要負責對原始數據進行采樣及轉換，其中斷由PIC18F87J60單片機內部自帶的10位A/D轉換器模塊觸發產生。在中斷產生后，需在中斷服務程序內讀取A/D采樣結果，并保存到內存中。在數據采集的間隔時間內，利用內存中的采樣數據，進行數值計算，從而達到并行處理的目的，程序流程如圖3，首先在主程序中配置硬件，對相關參數進行初始化，隨后運行檢測程序，順利通過之后便開放中斷，進入數據采集程序。當完成原始數據采集的中斷到來以后，主程序便首先調用A/D轉換子程序進行數模轉換，隨后將轉換完成的數字量數據送入電能質量參數運算子程序中進行運算，并將結果以數據包的形式封裝儲存，然后根據不同的連接情況，或者調用TCP/IP協議棧，將運算結果直接通過以太網發送至數據中心，或者通過RS232接口將數據輸出至計算機端，再利用計算機將數據傳輸至網絡數據中心。最后系統再調用對時子程序，對整個系統的時間進行校驗。通過以上過程，完成一次帶時標信息數據的處理和發送。

圖3 程序流程圖

在軟件程序開發中需要注意，應合理設置數據采集間隔。若時間間隔太小，則可能在數據計算或發送還未完成時觸發中斷便打斷主程序的運行，使得數據計算或發送無法完成。若時間間隔太大，則可能錯過瞬時的關鍵信息，降低系統監測的精度。實際設定時，應根據采集數據轉換精度、數值計算精度等因素綜合考慮。我們將該系統應用于北京交通大學電氣工程樓風光互補微網試驗平臺，對該微網內380 V電源和220 V電源構成監測網絡，實際運行情況良好。

4 結語

隨著對微網研究的深入及其應用范圍的擴大,對微網電能質量的關注也越來越多。為了盡可能提高微網的電能質量，減小微網對大電網的不利影響，對微網電能質量的監測必不可少。本文探討的基于PIC18F87J60的微網電能質量監測網絡系統通過對各個微網監測點的實時監測，構成具有一定規模的監測網絡，為整體把握全網電能質量水平提供了有效的技術平臺，有利于全網電能質量的優化調度和集中管理。

[1]劉海昌，劉豪，王姣俠，等.電能質量遠程監測系統的設計與實現[J].電力系統保護與控制，2009（13）：109-111.

[2]高玉潔.風電場接入電網后的電能質量問題分析[J].南方電網技術,2009,3（4）:68-72.

[3]楊顯軍.法國電網電能質量承諾和電能質量評估[J].南方電網技術,2009,3（3）:7-14.

[4]雷之力，魯希娟.微網電能質量特點及有源濾波補償方式研究綜述[J].湖南電力，2009（5）：59-62.

[5]李鵬，張玲，盛銀波.新能源及可再生能源并網發電規模化應用的有效途徑——微網技術[J].華北電力大學學報，2009（1）：11-14.

[6]嚴居斌.基于擾動功率法的短期電能質量擾動源判定[J].南方電網技術,2010（5）:79-81.

[7]趙俊,楊洪耕,李偉.利用S變換與變尺度模板標準化的短時電能質量擾動分類[J].南方電網技術,2010（3）:72-76.

[8]Microchip Technology Inc.PIC18F97J60 Family Data Sheet[EB/OL].（2009-10-02）[2010-02-02].http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/39762e.pdf.

[9]Microchip Technology Inc.AN833-Microchip TCP/IP Stack Application Note[EB/OL].（2008-08-05）[2010-02-02].http://www.microchip.com/stellent/idcplg?IdcService= SS_GET_PAGE&nodeId=1824&appnote=en011993.

[10]師恩培，韓桂麗.網絡單片機PIC18F97J60的開發與應用[J].單片機與嵌入式系統應用，2008（1）：48-50.