偏遠農村地區用電高峰期的供電補償控制

李佳俊，皮大能，代燦威

(湖北師范大學 電氣工程與自動化學院，湖北 黃石 435002)

0 引言

我國地緣遼闊，部分偏遠地區由于地理位置的限制，造成了當地電網建設十分落后并且電能的質量得不到保證[1，2]。同時這些偏遠地區電網的基礎建設也存在著許多問題。例如，電源點不足，線路由于地理因素過于迂回等。此外，偏遠地區電網管理薄弱，從而造成了供電不穩定經常停電的現象。所以文章針對偏遠農村地區用電高峰期時常常斷電的情況，提出了一種基于AVR處理器和SIM900A模塊通過控制繼電器來投切電容器接入電網系統進行供電補償的方法。這種方法不僅避免了電能的浪費，且電網工作人員可以通過設置定時補償方式或短信補償方式，從而使偏遠地區用電高峰期電能得到充足的保證。

1 供電補償系統硬件結構的設計

供電補償系統的硬件結構由7大模塊組成：微處理器模塊、實時時鐘模塊、供電模塊、數據信號提示模塊、控制信號模塊、串口通信模塊、SIM900A模塊。這些模塊共同組成了供電補償系統，并且通過相互之間的協調工作來實現復雜的功能從而滿足用戶的需求。供電補償系統硬件的框圖如圖1所示[3]。

微處理模塊采用的是8位AVR微控制器ATmega168來作為整個供電補償系統的核心控制處理單元對整個系統的數據進行處理，并控制各模塊完成對應的指令。供電模塊通過外接USB給3.3V電源電路提供輸入，得到3.3V的輸出給8位AVR微控制器ATmega168，使其正常工作。DS3231是一個帶有溫度補償功能的高精度時鐘元器件，它能夠提供秒、分、小時、日、月、年等信息。SIM900A模塊與串口通信模塊連接，當接收到串口發過來的數據時，就通過編寫的AT指令給用戶發送短信，當SIM900A模塊接受到用戶發送的短信時，就會給串口通信模塊發送數據。數據信號提示模塊是根據串口通信模塊的不同狀態顯示不同顏色的LED，從而有利于檢測故障。控制信號模塊，AVR微控制器ATmega168接收到多功能電力儀表發送的實時數據并從中取出功率因數。用取出的功率因數與設定的目標功率因數計算出補償的電容器容量，并根據電容器容量計算出投切電容組的個數，然后轉化成控制幾組繼電器的控制信號[4～6]。

圖1 供電補償系統硬件的框圖

1.1 處理器模塊

ATmega168具有高性能、低功率、數據處理能力強等特點，如圖2所示。此外，還具有充足的程序存儲空間以及一整套的編程與開發環境，大大方便了我們編程與調試從而縮短了開發周期。所以8位AVR微控制器ATmega168是一款足夠滿足本控制系統功能需求的核心處理器。

圖2 處理器模塊

1.2 實時時鐘模塊

DS3231模塊如圖3所示，它設計有備用電源。此外，它還可以通過編寫程序來調整自己的時間，同時也可以根據需要，通過AM/PM來設置是24小時格式還是12小時格式。DS3231實時時鐘模塊是針對定時供電補償方式設計的，當可以確定某一段時間為用電高峰期時，就可以通過設置定時時間，使在這一段時間里將供電補償裝置接入供電系統，從而使供電電能得到保證。

圖3 DS3231模塊

1.3 SIM900A模塊

SIM900A模塊如圖4所示，它是一款支持2G/3G/4G所有移動以及聯通SIM卡的高性能GSM/GPRS.模塊上設計有可以兼容各種單片機的電平接口，通過這些設計，該模塊可以和許多單片機連接。SIM900A模塊識別的指令為 AT 指令，可以通過電腦或者通過單片機發送AT指令來控制模塊，只要將 AT指令通過串口發給模塊，就可以執行相對應的功能。

圖4 SIM900A模塊

1.4 串口通信模塊

該模塊是利用ATmega168控制器的串口中斷與SIM900A模塊串口進行數據傳輸，從而實現兩模塊之間的通信，如圖5所示。當采用短信補償時，用戶通過手機發送短信給SIM900A模塊，當SIM900A模塊接收到與之匹配的信息時就會給串口通信模塊發送數據，ATmega168控制器就會根據接收的數據控制繼電器動作使得電容器接入電網系統。

圖5 串口通信模塊

1.5 數據信號提示模塊

根據串口是接收還是發送狀態顯示對應顏色的LED，如圖6所示，從而達到提示的目的，通過這樣的設計在系統出現故障的時候，能夠快速檢測出故障原因，大大節省開發者的時間與精力。

圖6 數據信號提示模塊

1.6 控制信號模塊

該模塊主要通過控制繼電器通斷狀態的個數來控制投切到電網系統中電容組的個數。本文中電網系統補償采用的是并聯電容器進行無功補償，同時與用戶側的多功能電力儀表配合使用。

1.6.1 功率因數 在電力系統中功率因數一般用cosφ表示，在對電網系統進行補償時，常常根據所需的cosφ來計算補償的電容容量。

1.6.2 計算補償電容的容量和電容器組數 假設在補償線路中的有功功率為P1，電網補償前的功率因數為cosφ1，電網補償后的功率因數為cosφ2，補償電容容量計算公式如下[5]：

(1)

式中，QC表示需要補償的電容容量。

假設一組電容器的容量為Q，補償電容容量為QC,電容器組數計算公式如下：

(2)

式中，N表示需要投切的電容器組數。

根據計算出的數據控制繼電器動作來控制投切到電網系統中電容器的組數。

2 供電補償系統軟件結構的設計

基于供電補償系統的硬件結構，設計了供電補償系統的軟件系統以便能夠很好地依托硬件達到用戶的需求。以ATmega168控制器為核心處理器，當供電補償系統的工作方式為定時補償時，需要提前設置好定時時間段。當實時時鐘模塊到達設置的投入時間段時，ATmega168控制器根據接收到多功能電力儀表的功率因數以及設置的目標功率因數，進行計算接入電容器組的個數。計算出數據后控制繼電器閉合使電容器接入電網系統。當實時時鐘的時間超過切除時間段時，ATmega168控制器就會控制繼電器斷開，從而使電容器與電網系統斷開連接，補償線路恢復到平常狀態。

當補償系統的工作方式為短信補償時，用戶通過手機給SIM900A模塊發送短信，當SIM900A模塊接收到信息后就進行解析，通過解析的數據來判斷給ATmega168控制器串口發送什么樣的數據命令。當用戶發送的是供電補償系統接入電網系統的信息時，SIM900A模塊接收并解析后就通過串口發送，將繼電器閉合的數據命令給ATmega168控制器，在該命令下結合功率因數算出的電容器組數，控制繼電器把電容器接入電網系統中。當用戶發送的是供電補償系統與電網系統斷開的信息時，SIM900A模塊接收并解析后就通過串口發送并把繼電器斷開的數據命令給ATmega168控制器，在該命令下控制繼電器將電容器與電網系統斷開。 供電補償系統的軟件結構主要由實時時鐘、串口通信、SIM900A模塊通信繼電器控制組成，程序流程圖如圖7所示。

圖7 軟件系統流程圖

2.1 實時時鐘

DS3231模塊主要目的是用來進行定時補償，在進行編程時主要針對投入時間的設置、切除時間的設置以及備份投入時間、切除時間。進行定時時間的設置時，通常會判斷補償器的控制狀態，若處于定時補償的狀態，才能進行時間的設置，否則返回一個提示信息。當把定時數據通過串口中斷傳送給ATmega168控制器，DS3231模塊通過數據接收/發送通道與ATmega168進行數據交換。DS3231模塊有兩種工作模式，一種是12小時計數模式下，另一種則是工作在24小時模式下，所以當DS3231模塊獲取到定時數據后需要根據在不同的模式下重新計算定時時間。

2.2 串口通信

串口模塊的目的主要是實現SIM900A模塊與ATmega168控制器之間的通信數據的交換。對串口模塊編程時，首先要對串口中斷進行配置，配置完成后為了接收與發送數據的準確性，必須編寫一套通信協議，在此串口模塊中發送一幀數據包含幀頭0X40、數據、校驗位、幀位0X0D、0X0A.當接收數據時，首先判斷接收的一幀數據格式是否正確，如果正確再調用解析數據的函數進行解析得到需要的數據，否則重新等待接收。

2.3 SIM900A模塊通信

SIM900A模塊主要是用來進行短信補償，在進行編程時主要考慮如何把收到的用戶數據解析并把數據通過串口模塊傳送給ATmega168控制器。首先SIM900A模塊要想接收到用戶的短信，需要把用戶的手機號通過AT指令設置好。此外，SIM900A模塊短信格式設置為UCS2、發送漢字模式以及PDU格式。當用戶發送“補償投入”，SIM900A模塊接收到后，進行數據處理。首先判斷補償系統狀態若為短信補償，則發送給串口“補償器投入”數據指令。否則發送“是定時模式不能執行短信補償操作”數據指令。

2.4 繼電器控制

在兩種不同的供電補償控制方式下，繼電器的控制是相同的，都是ATmega168控制器控制連接繼電器IO口的高低電平來閉合/斷開繼電器從而投入/切除補償器[6]。

3 上位機與下位機的聯調

實際生活中為了方便工作人員對供電補償系統操作，常常開發一款與之對應的上位機，工作人員只需在上位機上操作就可以對供電補償系統進行配置，使其正常工作，同時方便維護[7]。

3.1 基于定時控制的聯調

圖8中AVR處理器通過串口與圖9中上位機連接，通過上位機設置定時方式并設置定時時間。當運行到投入時間點，AVR處理器通過電容器組數數據控制繼電器動作，電容器組接入電網系統。當運行到切除時間點AVR處理器控制繼電器動作，使電容器組與電網系統斷開[8]。

圖8 AVR處理器運行圖

圖9 上位機定時設置界面

3.2 基于短信控制的聯調

圖8中AVR處理器通過串口與圖9中上位機連接，通過上位機設置短信補償方式并設置電話號碼。當用電高峰期來臨時工作人員通過圖10短信發送界面發送短信指令，圖11中的SIM900A模塊接收指令并解析出對應的數據，然后通過串口把數據發送給AVR處理器。AVR處理器接收到數據后結合計算出的電容器組個數，控制繼電器動作使電容器組接入電網系統。當用電高峰期退去時，工作人員通過手機發送短信指令，SIM900A模塊接收指令并解析出對應的數據，然后通過串口把數據發送給 AVR處理器。AVR處理器接收到數據后，控制繼電器動作，使電容器組與電網系統斷開[9]。

圖10 短信發送界面

圖11 SIM900A模塊運行圖

4 結語

本文主要介紹供電補償系統的應用背景、供電補償系統的硬件設計、軟件設計以及在進行正常工作前通過與上位機連接進行初始化配置。通過不斷的測試根據不同的工作方式，最終實現對偏遠地區用電高峰期時電網系統的供電補償。