基于PIC18F87J60的微网电能质量监测网络系统设计与实现

滕赢，夏明超

（北京交通大学 电气工程学院，北京 100044）

随着用电需求的增加和电力系统规模的扩大，传统的大电网在给我们带来许多益处的同时，其弊端也日益显现：运行成本大，控制难度高，难以适应用户越来越高的安全、可靠性的要求和多样化的供电需求以及一次能源终将枯竭等难题，使得传统电网建设模式很难适应现代能源需求[1-4]。

人们很早就对分布式发电技术进行过认真的研究。随着研究的深入，人们发现分布式电源的间歇性、复杂性、多样性和不稳定性限制了它的大规模应用。为协调大电网与分布式电源间的矛盾，引入了一种可以让新能源及可再生能源并网发电的规模化应用的电网——微网（Micro-Grid）。微网通过有效的协调控制，使主要基于新能源和可再生能源的分布式电源并网所产生的负面问题都在微网内得到解决，减少了分布式电源并网对大电网产生的各种扰动。微网有并网运行和独立运行2种运行方式，对大电网可以起到削峰填谷的作用。微网中的能量来源多为新型能源及可再生能源，对于新能源以及可再生能源并网发电规模化应用具有重要意义[5-7]。

近年来，随着对微网研究的深入，微网投入并网发电的应用范围越来越广，微网中微电源的种类越来越多，数量也越来越大，进而不可避免地造成微网中产生许多由于微电源自身特殊性质而引发的电能质量问题，严重影响全网的稳定、正常运行。因此，改善微网的电能质量对于整个电网和电气设备的安全、经济运行，提高电网的运营效益等均有重要意义，而对电能质量各项指标进行监测则是改善电能质量的基础和前提。因此，开发一种新型的、实时性好、应用范围广的电能质量监测装置，对于保证电力系统运行的安全性、经济性和可靠性都具有重要意义。

1 系统功能简介

利用PIC18F87J60单片机设计开发了基于GPS或互联网对时的微网电能质量监测系统。该电能质量监测系统主要面向微网系统，可实现关键电能质量数据，如电压频率、幅值、各次谐波、三相不平衡度、电压波动及闪变的实时采集，并通过以太网发送、传输数据至数据中心，使电能质量监管人员能够实时地查看各监测站点的电能质量状况，以便迅速查找各种电能质量问题的发生地点及原因，并做出相应对策及时排除，从而有利于全网电能质量的优化调度和集中管理。

具体来说，基于GPS或互联网对时的微网电能质量监测网络系统有如下特性：

1）可通过GPS或互联网进行对时，电能质量信息可以通过互联网直接发送或经过串行口传送至PC机后由PC机通过互联网发送。

2）可监测电压合格率、供电可靠率、电压波动和闪变、暂时和瞬态过电压、各次谐波含量、总谐波畸变率（THD）、区域电网频率等关键电能质量参数。

3）对380 V微网进行监测，可监测380 V/220 V电源，并方便地构成监测网络。

4）可通过互联网/局域网实现带时标信息的数据收集，并在网上发布数据。

2 硬件电路设计

PIC18F87J60单片机是由Microchip公司开发的网络单片机，它具有嵌入式以太网控制器模块。这是一个完整的网络连接解决方案，完全实现了介质访问控制（Media Access Control，MAC）和物理层收发器（Physical Layer Transceiver，PHY）模块。只需使用2个脉冲变压器和一些无源元件就可以将单片机直接与以太网相连。以太网模块符合IEEE 802.3中所有关于双绞线网络10-BaseT连接的规定。它在内部实现了一些数据包过滤机制，用以限制传入的数据包。它还提供了一个用于实现快速数据吞吐的内置DMA模块，以及硬件IP校验和计算。另外它还提供了2个用于指示链路和网络活动的LED输出[8]。

系统的整体结构如图1所示。根据系统的功能，可将该系统大致可分为4个模块，分别是：电源模块、数据采集及处理模块、通信模块和数据库模块。

图1 系统的整体结构

为了便利快速的进行数据采集和传输，该系统可实现直接由监测点供电。具体实现过程是，将监测点的三相电源正弦工频380 V交流电引入系统后，把A相电压经过2个220 V/6 V变压器降压后得到两路6 V交流信号，一路经过整流、稳压后作为单片机的工作电源，另一路则作为测压测频的输入信号接入单片机中。另外两相则各自经一个变压器降压后输出6 V交流电，经电阻分压后作为测压输入信号接入单片机中。这样便构成了系统的电源模块，并且为数据的采集做好了前期工作。

作为该系统的核心部分，单片机PIC18F87J60承担所有的数据采集和处理任务，并且协调各个模块的工作。EEPROM则用来储存电能质量信息以及系统运行过程中产生的各类关键信息。为了便于构成监测网络，该系统设有2种通信方式：一方面可通过RS232接口与计算机建立连接后，将数据通过计算机发布至搭建于互联网的数据中心；另一方面，可通过RJ45接口直接接入互联网进行数据的传输和发布，从而为实现网络化的数据中心和电能质量信息的实时性传输提供了条件。由于涉及电能质量的各项参数对时间的要求精度较高，所以引入了GPS模块用于对时，为每一项数据添加时标信息，满足数据信息在时间上的精确和有序。除此之外，为保证数据的方便有效的储存、查看和管理，可利用Microsoft公司的SQL Server软件以时间为主键，数据点编号为外键，为每一个数据采集点建立数据表，进而构成网络数据库。可分按时间、按地点或两者结合设计查询程序。通过设定用户权限，可将用户分为若干等级，限定查询程序使用权限。另外，还可通过GPS模块取得地理位置信息，实现与地图上各点的数据链接。

3 软件设计

由于篇幅所限，本文只就本系统的核心部分——PIC18F87J60单片机的开发过程作简要阐述。

3.1 开发工具

3.1.1 集成开发环境

由Microchip公司提供的MPLAB IDE v8.40集成开发环境为PIC18F87J60芯片的开发提供了更多的便利。由于是用C语言对芯片进行编程开发，所以还需要用到C语言编译器MPLAB C18，这是专门针对PIC18系列单片机设计研发的编译器，通过使用MPLAB C18，可以直接在MPLAB IDE中对C语言程序进行编写和修改。

3.1.2 在线调试器ProICD2

开发过程使用Microchip公司提供的在线调试器——ProICD2。ProICD2是Microchip公司在MPLAB ICD2的框架上，改进设计而来的更高版本的在线调试器。ProICD2除了能实现ICD2的全部功能外，还进一步增强了保护电路，稳定性更好，无须外接电源，并且解决了MPLAB ICD2使用过程中80%可能遇到的问题。

3.1.3 Microchip TCP/IP协议栈

Microchip TCP/IP协议栈是一套程序，它服务于标准的、基于TCP/IP的应用程序，或者使用在定制的、基于TCP/IP的应用程序中。在本系统的开发过程中，使用的是该协议的5.10版本。通过使用该协议栈，大大简化了该系统以太网通信模块的开发。

类似于TCP/IP参考模型，Microchip TCP/IP协议栈将TCP/IP协议栈分为多层（如图2所示）。每层的实现代码△留在一个独立的源文件中，而服务和应用程序编程接口（API）是通过头文件或包含文件定义的。与TCP/IP参考模型不同的是，Microchip TCP/IP协议栈中的许多层可以直接访问没有正好在它下面的一层或多层。另外，Microchip TCP/IP协议栈添加了2个新模块：“StackTask”和“ARPTask”。其中“StackTask”是用来管理协议栈及其所有模块的操作，而“ARPTask”则是用于管理地址解析协议（ARP）层的服务[9-10]。协议栈采用模块化设计，可根据需求进行裁剪，结合本系统欲实现的功能，仅需保留TCP/IP栈的核心层（MAC，ARP，TCP，UDP）和应用模块（HTTP，SNMP）。

图2 Microchip TCP/IP协议栈的层状结构

3.2 软件开发过程

PIC18F87J60单片机模块的软件开发主要包含数据采样、数值计算、数据记录和通信以及系统的对时。

为了尽可能满足实时性的要求，系统的软件设计可按优先级分为2大类：一类是包括A/D转换启动、数据的实时采集等程序在内的对实时性要求较高的程序，这些程序应赋予较高优先级，在中断模块中处理完成。另一类是包括电能质量参数的运算、结果存储和通信等程序在内的对实时性要求相对较低的程序，它们可放置在主程序模块中完成。

该系统的中断模块主要负责对原始数据进行采样及转换，其中断由PIC18F87J60单片机内部自带的10位A/D转换器模块触发产生。在中断产生后，需在中断服务程序内读取A/D采样结果，并保存到内存中。在数据采集的间隔时间内，利用内存中的采样数据，进行数值计算，从而达到并行处理的目的，程序流程如图3，首先在主程序中配置硬件，对相关参数进行初始化，随后运行检测程序，顺利通过之后便开放中断，进入数据采集程序。当完成原始数据采集的中断到来以后，主程序便首先调用A/D转换子程序进行数模转换，随后将转换完成的数字量数据送入电能质量参数运算子程序中进行运算，并将结果以数据包的形式封装储存，然后根据不同的连接情况，或者调用TCP/IP协议栈，将运算结果直接通过以太网发送至数据中心，或者通过RS232接口将数据输出至计算机端，再利用计算机将数据传输至网络数据中心。最后系统再调用对时子程序，对整个系统的时间进行校验。通过以上过程，完成一次带时标信息数据的处理和发送。

图3 程序流程图

在软件程序开发中需要注意，应合理设置数据采集间隔。若时间间隔太小，则可能在数据计算或发送还未完成时触发中断便打断主程序的运行，使得数据计算或发送无法完成。若时间间隔太大，则可能错过瞬时的关键信息，降低系统监测的精度。实际设定时，应根据采集数据转换精度、数值计算精度等因素综合考虑。我们将该系统应用于北京交通大学电气工程楼风光互补微网试验平台，对该微网内380 V电源和220 V电源构成监测网络，实际运行情况良好。

4 结语

随着对微网研究的深入及其应用范围的扩大,对微网电能质量的关注也越来越多。为了尽可能提高微网的电能质量，减小微网对大电网的不利影响，对微网电能质量的监测必不可少。本文探讨的基于PIC18F87J60的微网电能质量监测网络系统通过对各个微网监测点的实时监测，构成具有一定规模的监测网络，为整体把握全网电能质量水平提供了有效的技术平台，有利于全网电能质量的优化调度和集中管理。

[1]刘海昌，刘豪，王姣侠，等.电能质量远程监测系统的设计与实现[J].电力系统保护与控制，2009（13）：109-111.

[2]高玉洁.风电场接入电网后的电能质量问题分析[J].南方电网技术,2009,3（4）:68-72.

[3]杨显军.法国电网电能质量承诺和电能质量评估[J].南方电网技术,2009,3（3）:7-14.

[4]雷之力，鲁希娟.微网电能质量特点及有源滤波补偿方式研究综述[J].湖南电力，2009（5）：59-62.

[5]李鹏，张玲，盛银波.新能源及可再生能源并网发电规模化应用的有效途径——微网技术[J].华北电力大学学报，2009（1）：11-14.

[6]严居斌.基于扰动功率法的短期电能质量扰动源判定[J].南方电网技术,2010（5）:79-81.

[7]赵俊,杨洪耕,李伟.利用S变换与变尺度模板标准化的短时电能质量扰动分类[J].南方电网技术,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]师恩培，韩桂丽.网络单片机PIC18F97J60的开发与应用[J].单片机与嵌入式系统应用，2008（1）：48-50.