一種農網智能終端系統設計

鐘 峰 唐緒偉

（懷化職業技術學院，湖南 懷化 418000）

隨著我國電力系統的快速發展，農村配變電網系統處于深度建設、發展和改造的新歷程。國家需打造信息化、自動化、互動化特征的智能電網系統，對農村配變電網絡系統發展提出了更高、更新的要求[1]。

目前，我國農村電網的運行優化和建設規劃缺乏依據，一旦臺區變漏電保護裝置閉鎖，則手動合閘。因漏電保護裝置頻繁動作，觸電事故或者長時間停電事件經常發生。臺區變燒損率高、無功控制方式落和配電變壓器防盜技術及運行監控方式落后、監控裝置功能單一、全套采購安裝成本太高等缺點，為了改善農村低壓配變電網絡系統的自動化管理水平[1]，結合當前我國農村供配變電系統的現狀和管理特點，設計了一種農網供電臺區變綜合監控系統[2]。對推動農村供配變電網絡系統的健康發展具有十分重大的現實意義和推廣價值[3]。

1 系統總體規劃與結構

通過實地調研，聽取和分析相關電力部門專業人員所指出的當前農村地區低壓配電網絡的運行狀況及存在的問題，得出該終端應具備：三相電網參數的采集、計算、存儲及統計、無功補償與電容器保護、漏電保護器控制、配電變壓器保護、負荷投切控制、故障報警、遠程通信與控制、參數設置等功能。系統功能圖如圖1所示。

系統程序由10 個功能模塊組成：①系統初始化模塊，用于CPU 系統資源初始化、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CPU、LCD 液晶節電模式管理；③人機交互界面模塊，用于按鍵功能、LCD 液晶顯示界面內容及界面切換設計；④GPRS 通信模塊，用于數據的發送和接收、完成設備的編碼與譯碼等功能；⑤時鐘DS1302 集成模塊，用于系統時間的提供，完成DS1302 芯片驅動程序設計；⑥鐵電存儲器模塊，鐵電存儲器驅動程序設計，用于保存系統重要參數與標志；⑦功率計量ATT7022B 模塊，用于采集三相電網電壓、電流及其他電氣參數的計算，完成ATT7022B 功率計量芯片的接口程序設計；⑧參數處理及監測模塊，用于電量參數、數字IO 狀態量等參數的采樣、處理和監測；⑨無功功率管理模塊，用于電容器的投入、切斷控制和保護；⑩預警保護模塊，根據參數監測及處理模塊的輸出結果，完成相關保護動作[3]。

系統是針對變壓器的遠程智能監控（即農村低壓配電網絡），為了驗證系統設計的正確性、可靠性及穩定性，文章還搭建配電網絡實驗模擬平臺。該平臺由變壓器、交流接觸器、漏電保護器及模擬負載構成。整體框圖如圖2所示。

圖1 系統功能圖

圖2 整體框圖

結合系統功能，采用微控制器為核心，配合電能參數計量芯片和存儲芯片，完成相關電能參數的采集、處理與儲存，通過光電耦合器控制4 路繼電器，實現3 路饋線及無功線路的投切控制，另外需要將線路中有關的開關信號量（交流接觸器輔助觸點的連通狀態）引入微控制器中，以便微控制器做出相應判斷與合理動作。

系統以C8051F020 單片機為主控制器，它具有高速、流水線結構的8051 兼容的CIP-51 內核，指令速度可達25MIPS，64kb 的可在系統編程的Flash存儲存器，4kb 的片內RAM[4]。最重要的是其指令集系統與傳統的MCS-51 指令集完全兼容，大大縮短了開發周期。

以ATT7022B 為三相電能計量芯片。它是一顆高精度三相電能專用計量芯片，適用于三相三線和三相四線應用，能夠測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，所測參數齊全，且有功測量滿足0.2s、0.5s 級，支持IEC 62053-22，GB/T 17883-1998，無功測量滿足2 級、3 級，支持IEC 62053-23，GB/T 17882-1999，精度滿足系統要求[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，且附帶有上位機配置軟件，操作簡單方便。運行測試表明，其穩定性好。

2 系統硬件設計

系統由C8051F020 主控制器模塊、ATT7022B三相電能計量模塊、GR100E GPRS 無線通信模塊、鐵電存儲器模塊、時鐘模塊、液晶顯示模塊與電源模塊等構成。

ATT7022B 電能計量芯片硬件電路設計：

ATT7022B 是一款精度高、功能強的防竊電基波諧波三相電能專用計量芯片。它集成七路二階sigma-delta ADC，其中三路用于三相電壓參數采樣，三路用于三相電流參數采樣，最后一路用于零線電流或其他防竊電參數采樣。可輸出并顯示實時采樣數據及有效值，使用方便。該芯片適合在三相三線制和三相四線制電網電路中的應用[5]。系統集成了參考電壓電路和各項電參數測量的數字信號處理電路，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量。同時還可測量頻率、相電流和相電壓的有效值、功率因數、相位角等參數，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]。系統還集成了一個SPI 接口，可方便與外部MCU 之間的計量參數和校表參數傳遞。

ATT7022B 三相電能計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先將輸入電壓轉換成電流，經過電流互感器將電流轉換成電壓[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，FU201為耐壓600V、熔斷電流為160mA 的自恢復保險電阻，RMY2001 為471K 的壓敏電阻，他們的主要功能是防過流與過壓，提高系統工作的穩定性與安全性。R2001 與R2009 夠成電壓分壓網絡，保證a 點電壓在0.5V 左右，因為根據ATT7022B 三相電能計量的芯片模擬輸入端的要求，電壓通道有效值在10mV 至1V 的范圍內時，其線性誤差小于0.5%，故取樣信號選擇0.5V。R2012 與C2001 構成了抗混疊濾波器，保證輸入信號的“純度”。其結構參數要求對稱，并采用溫度性能較好的元器件，從而保證系統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，同時要求VxP、VxN 迭加2.4V 左右直流偏置電壓[7]，以保證輸入信號波形不失真。該偏置電壓可以由芯片的參考電壓輸出引腳REFOUT 獲得，也可以由外部基準電壓提供。本系統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，然后再將電流信號轉換成符合采樣芯片要求的電壓信號，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 點的電壓值大小，即輸入至ADC 端口的采樣電壓，根據三相電能計量芯片要求，電流通道ADC 的輸入端采樣信號選擇0.1V，故電阻R1002 的阻值選擇為20。

3 系統軟件設計

3.1 程序設計思路

系統采用了可向控制器中嵌入實時操作系統uC/OS-II 并以其為核心，通過將相應功能子模塊程序合理的劃分為多個子任務方式來編程系統軟件。

系統軟件以實時操作系統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、故障響應、負荷管理及GPRS 通信等7 個子任務組成。在調用啟動操作系統任務函數OSStart()之前全部創建好，最后由系統任務調度器統一調度，完成整個系統功能。

3.2 系統軟件初始化部分流程圖

系統初始化程序是整個系統軟件中最核心的部分之一。是完成對操作系統、控制器及相關外圍輔助芯片的初始化，是保證系統能夠正確運行的前提。初始化程序流程圖如圖5所示。

圖5 初始化程序流程圖

操作系統初始化部分是通過調用uC/OS-II 中的OSInit()函數來完成。該函數主要功能是初始化uC/OS-II 中所有的變量和數據結構，并建立一個空閑任務，且讓該任務一直處于就緒狀態（這是因為uC/OS-II 規定，在啟動任務調度之前，至少要先建立一個任務，否則系統會崩潰）。

控制器初始化主要完成系統時鐘與管腳的配置、端口狀態的設定、系統變量、函數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量芯片ATT7022B 初始化、EEPROM 存儲器的讀寫測試、時鐘芯片的檢測和液晶顯示初始化等操作。部分程序實現如下：

4 系統運行及調試

系統測試：

本文從中選取跳閘報警、遠程合閘操作為例。預設變壓器名稱為象形老變，低壓饋線為象胡線，終端編號設定為91010001。象胡線人為漏電時，監控終端檢測到漏電現象，立即跳閘并將該事件通過通信模塊發送到通信服務器，服務器處理后在信息管理中心系統顯示。顯示界面如圖6所示。

圖6 漏電跳閘事件報警界面

漏電跳閘報警完成且漏電條件取消前，若保護器已經滿足了合閘條件，信息管理中心就會發出合閘指令。

圖7 系統象胡線現狀

圖8 遠程合閘操作界面

圖9 遠程合閘成功界面

系統終端在完成自動跳閘、遠程合閘后，再進行遠程跳閘檢測，界面如圖10 所示。

圖10 遠程跳閘操作界面

5 結論

該終端在功能上具有以下特點：①C8051F020保證了系統高速的運行速度；②高精度專用電能計量芯片ATT7022B 保證了相關電能參數的準確性；③在主控制器中嵌入實時操作系統uC/OS-II，保證了本產品運行的可靠性等；④GPRS 模塊的運用，實現遠程操作與監控，無需相關人員去現場，大大提高了操作的安全性；⑤系統人機界面友好，實現了相電壓、相電流、有功功率、無功功率、功率因 數、無功總量、有功總量、系統功率因數、電度用量、零序電流等參數的顯示，顯示齊全，方便維護與檢修；⑥四個按鍵可以完成參數查閱、現場點動、參數設置等所有操作，操作簡單方便。

[1] 陳維鐵,周一平.配電自動化的發展與網絡改造技術[J].電工技術,1999(9): 10-12.

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