低压配电网智能监测与控制终端软硬件设计

许加柱，李晓芳，黄际元，姚新丽，向 博，廖闻迪

(湖南大学电气与信息工程学院，湖南 长沙 410082）

低压配电网智能监测与控制终端软硬件设计

许加柱，李晓芳，黄际元，姚新丽，向 博，廖闻迪

(湖南大学电气与信息工程学院，湖南 长沙 410082）

针对我国农网供电台区变在电量参数监控、无功控制和在线监测等方面的严重不足，提出一种基于GPRS的低压配电网智能控制及监测终端，终端采用混合信号 ISP FLASH微控制器C8051F020，硬件分为系统和接口两部分。系统部分主要包括CPU、存储器、实时时钟芯片、键盘/液晶显示器、复位及外围等电路;接口部分包括三相电流互感器、功率计量芯片、RS-485通讯、GPRS模块、状态量监测、温度及变压器油位检测等。终端软件基于 μC/OS-Ⅱ嵌入式操作系统设计，程序采用多任务多缓冲区结构。该终端既可实现对无功功率的快速检测和实时动态补偿，又能够准确测量出配电变压器的各种参数，实现监控终端与上位机之间准确的数据传输，该装置精度高、可靠性高、价格低廉，便于推广。

无功补偿;微控制器C8051F 020;智能终端;GPRS;RS-485

1 引言

随着我国国民经济的发展，大量的阻感负载接入电网，在运行时产生谐波、电压波动和闪变，造成电网电压波形畸变，三相负荷不平衡，供电质量下降，影响电网及用户设备安全和经济运行，减小无功和消除谐波是提高电能质量的必要因素［1-4］。

由于农村地理位置的复杂性，目前全国大部分农村电网存在以下问题:①农村电网分布广、距离远、早晚负荷变化大，运行参数以及用电情况统计不全，农网规划建设缺乏依据。②农村电网低压绝缘状况差，漏电保护装置频繁跳闸，农网送电及电容器投切尚未实现远程自动化控制。③农村用电常识差，变压器及低压线路损坏、被盗情况严重。

为解决或缓解上述问题，考虑到农网台变数量众多，在满足基本功能的基础上，为便于推广，本文提出一种基于无线分组业务GPRS的低压配电网智能控制及监测终端，该终端与主站监测计算机依照《Q/GDW130—2005电力负荷管理系统数据传输规约》通过GPRS网络与主站进行数据交换。实时传输电能量、功率因数、峰值、峰值发生时间、参数等。主站监测机根据所获得的数据监测配变运行工况［5-7］。

终端的功能主要包括以下三方面。首先是对低压馈电线路的电压电流进行监测，记录每日峰值电压，过载、欠压等数据，实现对配电台区工况的监测;其次是对状态量的监测与控制，终端实时记录漏电保护开关及TSC投切开关的动作时间及频率，并采用电压-无功综合自适应控制方法自动调整相关控制系统参数实现先投先切和循环投切功能;再次就是防盗监测功能，终端通过液位传感器和数字式温度传感器采集配变的油位和油温，判断是否正常运行。监测到的数据将按照规约格式生成事件通过GPRS无线网络上传到主站。

2 系统硬件设计

考虑到硬件成本，该智能终端的CPU选用混合ISP FLASH信号微控制器80C51F020，充分运用其高速、流水线结构的CIP-51内核和扩展的中断系统来完成无功功率动态补偿及配变监测与控制功能。本系统结合功能需求，主要由CUP基本模块、功率计量模块、补偿电容器投切控制驱动模块、状态量采集模块、存储模块、键盘/液晶显示模块、日历时钟、RS-485和GPRS通讯模块等部分组成。硬件总体框图如图1所示。

图1 核心控制器硬件结构Fig.1 Hardware structure of controller kernel

2.1 信号采集与功率计量

本系统采用的电压互感器为LCTV3JCF型精密电压互感器，额定输入220V/50Hz，额定输出0.5V。功率计量芯片为多功能防窃电基波、谐波三相电能专用计量芯片ATT7022C，它集成了六路二阶sigmadelta ADC、参考电压电路以及所有功率、能量、有效值、功率因数的数字信号处理等电路。ATT7022C还提供一个SPI接口，方便与外部MCU之间进行计量参数以及校验表参数的传递，所有计量参数都可以通过SPI接口读出。电网电压和电流分别通过电压电流互感器以及放大电路后采用差分方式输入给功率计量芯片的电压电流通道，测量电网电压、电流、功率、功率因数、谐波含量等电参数，单片机通过串行外围设备接口SPI读取功率芯片中的电参数。

2.2 状态量采集与控制策略

该模块主要是用来采集开关状态，以及控制电容器和馈电回路的投/切。电容器的投切采用三种补偿控制方案—电压判据方案、新型电压/无功功率判据方案、新型电压/功率因数判据方案;补偿方式有循环投切及编码投切。“循环投切”方式是先投入运行的电容组先退出，后投的后切除，从而使各组电容及投切开关使用机率均等，降低了电容组的平均运行温度，减少了投切开关的动作次数，延长了投切开关的动作次数，延长了其使用寿命。“编码投切”方式下补偿电容器可采用不等容量分组方式，按数字编码组合配置。构成多级电容器投切，投切时按所需补偿电容量对应的编码组合实现一次补偿到位，不需要逐级投切，从而有利于提高补偿精度。同时还避免了“投切振荡”现象。馈电回路开关控制采取的是过流轮切、短路全切的方式，大大提高了供电可靠性及安全性。单片机得到的投/切控制策略通过单相动态光电晶闸管驱动器TLP521输出控制快速复合继电器，实现对电容器以及馈电回路的投/切，由于输入和输出采用光电隔离，绝缘电压可达5000V。

2.3 信息存储

为了记录每相电压、电流、有功功率、无功功率、功率因素、电容器投切时间和次数以及运行异常信息等，系统采用两片FM24V05来保存终端的运行参数。在传统的电子电表中，多采用电可擦可编程只读存储器(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory，EEPROM）器件来保存电量值。但此类器件的缺点是:写入速度慢、擦写次数有限，以往为解决这两个问题，设计者多采用增大写周期时间、加入掉电监测线路等方法。本设计中的新型铁电存储器FM24V05解决了上述两个问题。FM24V05具有容量大、数据掉电保存、写数据无延时(以总线速度执行写操作）、擦除次数无限制、价格与普通的EEPROM芯片接近等优点。该装置能保存一周的采样数据及故障信息数据，为维护及查询提供便利。采用本设计方案，不仅有利于系统的硬件电路简化，还可以提高电量计量的精度，减少累积误差。

2.4 远程通讯

SIM300是一款 GSM/GPRS模块，可在全球范围内 的 EGSM900MHz、DCS1800MHz、PCS1900MHz三种频率下工作，能够提供GPRS多信道类型多达10个，并且支持CS-1、CS-2、CS-3和CS-4四种GPRS编码方案。SIM300内部集成了TCP/IP协议栈，并且扩展了TCP/IP AT指令，使终端的数据传输变得非常简单方便。SIM300从VBAT采用单电压供电，电压为3.4～4.5V。考虑到当电流消耗升至典型峰值2A时，SIM300的传输脉冲波形可能导致电压下降，所以设计中采用高电流、高精度、低压差的MIC3930BT稳压芯片供电，确保电源能够提供足够到2A的电流，选用100μF的钽电容(低阻抗、低成本）并联一个小的10μF瓷介电容作为 VBAT引脚的旁路电容。电路板布局时，电容放置尽可能靠近SIM300的VBAT引脚。SIM300的电源设计原理图如图2所示。取 R1=2.2kΩ，R2=1kΩ，则可得到 VBAT=3.952V。

GPRS模块实现IP地址设定、终端数据无线抄读和定时存储、远程I/O端口控制、报警通知、实时时钟等功能。另外，电路设计上还提供一个锂电池备用电源专供给 SIM300模块，用于终端掉电时的数据传送与保护。

图2 SIM300的电源设计原理图Fig.2 Power circuit of SIM300

3 系统软件设计方案

终端的通信基于负控规约，且其数据采集、存储、传输等流程复杂，传统的单任务系统无法满足终端的功能要求，须引入操作系统，设计多任务并行执行的软件。μC/OS-Ⅱ是一种基于优先级的抢占式多任务调度操作系统，最多可管理64个任务，并提供信号量、邮箱、消息、内存管理等丰富的系统功能，是一个功能齐全的实时操作系统［8-9］。电网的各项参数可由ATT7022C中直接读出，CPU不涉及采样数据的处理，这使CPU运算量大大减少。但终端流程复杂，传统的单任务系统无法满足终端功能要求，须引入操作系统，设计多任务并行执行的软件，本系统选择了源代码公开的嵌入式实时操作系统μC/OS-Ⅱ作为整个系统的执行软件。

系统软件主要由人机交互模块、ATT7022C功率计量模块、预警及保护模块、无功管理模块、GPRS通信模块、存储模块、状态检测模块等组成。ATT7022C功率计量模块完成控制器所需各项原始数据的采集及处理;预警及保护模块在数据的基础上实现系统所需的各种控制及保护操作，例如越限报警、防盗预警等;存储模块完成各项历史数据的存储工作;GPRS通信模块实现控制器与外部的数据交换。控制器软件体系结构图如3所示。

程序中的主程序，所要完成的功能仅仅是初始化硬件和各种实时变量，并建立所需的全部任务，然后启动系统内核，把CPU控制权交给操作系统，然后永远不会返回至主程序，这是与传统的软件结构的最大区别，大大提高了工作效率。

图3 软件总体框图Fig.3 Software overall architecture

4 现场测试

本装置在湖南湘潭某农村台变10kV/380V低压电网运行效果良好，TSC投入运行后，电网功率因数提高，负荷电流随之下降，现场应用数据见表1。本装置不但能够提高功率因数、实现TSC的自动投切，达到无功自动跟踪补偿作用，而且还可以实时监测变压器的工况，确保农村台区变电站安全运行。

表1 电网参数和变压器油温表Tab.1 Network parameters and oil temperature of transformer

5 结论

本文首先通过对农网台区变的智能终端进行了详细的需求分析，在此基础上，综合考虑硬件成本和软件开发周期等多方面因素，完成了该智能终端的硬件设计，并对其各个功能模块进行了相关的校表测试;测试通过后，对各功能模型进行了软件编程;并完成了电能检测、LCD液晶显示、按键控制、数据存储、利用GPRS与基站进行通讯等功能的实现。

最后，在实验室建立的各个功能测试实验平台上，该智能终端系统有效地解决了自动重合闸及远程投切问题，实现了电力设备的远程监控。该系统的使用可大幅度地降低电工的工作量及维护成本，提高电力部门的自动化管理水平及工作效率，为农村电网供电可靠性、供电质量以及规划建设提供了最基本的资料，对农村电网的智能化建设做出了重要贡献。

References）:

［1］王兆安，刘进军 (Wang Zhaoan，Liu Jinjun）.电力电子装置谐波抑制及无功补偿技术的发展(Advances of harmonic suppression and reactive power compensation technique for power electronic equipment）［J］.电力电子技术(Power Electronic Technology），1997，(2）:100-104.

［2］涂春鸣 (Tu Chunming）.新型谐振阻抗型混合有源滤波器RITHAF研究 (The study of a new resonant impedance type hybrid active filter—RITHAF）［D］.长沙:中南大学 (Changsha:Central South University），2003.

［3］唐欣 (Tang Xin）.新型大功率串联谐振注入式混合有源滤波器的研究 (High power series resonant injecting type hybrid active filter）［D］.长沙:中南大学 (Changsha:Central South University），2005.

［4］王晓明 (Wang Xiaoming）.无功补偿装置的现状和发展趋势 (Statement and development trend of reactive power compensation equipment）［J］.应用能源技术(Applying Energy Sources Technology），2006，(4）:31-32.

［5］王伟峰 (Wang Weifeng）.对《电力负荷管理系统数据传输规约》内容的讨论(The discussion on the content of data transmission protocol for electric power load control systems）［J］.电力系统自动化 (Automation of Electric Power Systems），2006，30(6）:96-99.

［6］程晓东，刘万顺 (Cheng Xiaodong，Liu Wanshun）.配电补偿电容器的模糊控制 (Electric power automation equipment fuzzy control of compensation capacitors in distribution networks）［J］.现代电力(Modem Electric Power），200l，18(3）:52-56.

［7］张敏，罗安 (Zhang Min，Luo An）.包含静止无功发生器的电力系统吸引域(The domain of attraction for power system with STATCOM）［J］.中国电机工程学报(Proceedings of the CSEE），2003，23(6）:25-28.

［8］刘教瑜，吴美玲，谭杰 (Liu Jiaoyu，Wu Meiling，Tan Jie）.GPRS DTU的设计及研究 (Design and research on GPRS DTU）［J］.电力自动化设备(Electric Power Automation Equipment），2006，26(3）:89-91.

［9］李文进，韩晓萍 (Li Wenjin，Han Xiaoping）.基于ARM平台的变电站远程抄表系统 (Substation meter reading system based on ARM）［J］.电力自动化设备(ElectricPowerAutomationEquipment）， 2005， 25(11）:85-88.

［10］杨耿杰，郭谋发，丁国兴，等 (Yang Gengjie，Guo Moufa，Ding Guoxing，et al.）.基于嵌入式操作系统的GPRS配变抄表及监测终端 (Distribution transformer meter-reading and monitoring terminal with embedded operating system based on GPRS）［J］.电力自动化设备(Electric Power Automation Equipment），2009，29(8）:118-123.

Software and hardware design of intelligent monitor and control terminal for low-voltage distribution system

XU Jia-zhu，LI Xiao-fang，HUANG Ji-yuan，YAO Xin-li，XIANG Bo，LIAO Wen-di
(Institute of Electrical and Information Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China）

An intelligent monitor and control terminal for low-voltage distribution system based on GPRS is presented for the rural power distribution area where the parameter calculation，intelligent var compensation and remote monitoring are famine.The terminal adopts mixed-signal ISP FLASH MCU C8051F020.Its hardware is composed of system and interface.The system is composed of modules:CPU，memory，clock chip，keyboard/liquid crystal display，reset and peripheral circuit，and the interface circuits include three-phase current/voltage transformer，energy measurement IC，RS-485communication，GPRS module，switch state detection，temperature and oil liquid of transformer and so on.Its software is based on μC/OS-Ⅱembedded operating system，with multi-task and multi-buffer framework.The terminal not only can rapidly detect and real-time dynamically compensate var，but also can measure the diversified parameter of transformer accurately，and thus satisfies exact data transmission between control terminal and host computer.The device is easy to be popularized because of its high accuracy，good reliability and low prices.

reactive power compensation;MCU C8051F 020;intelligent terminal;GPRS;RS-485

TM93

A

1003-3076(2012）04-0079-04

2011-09-19

许加柱 (1980-），男，安徽籍，副教授，博士，主要从事现代电气设备的设计，优化及仿真研究，高压直流输电新技术和电能质量管理研究及相关教学工作;

李晓芳 (1985-），女，湖南籍，硕士研究生，主要从事电网智能自动化设备，无功补偿技术和高压直流输变电新技术研究。