基于W5200的电能质量远程监控系统设计

夏 文 冯国伟 夏 武

（江苏省现代电力无功控制工程技术研究中心，江苏 南通 226006）

随着电力电子技术的不断发展，电力电子设备得到了广泛应用，使得电网负荷中的感性负载占很大比例，如变压器，电动机等，同时也产生了电网谐波[1]。无功功率会增加设备容量以及线路损耗，同时冲击性无功功率负载还可能引起电压剧烈波动，使得电网质量严重降低[2]。而谐波的危害更大，谐波使得元器件产生附加的损耗，此外谐波可能影响各种电气设备的正常运行，如机械振动、噪声和过电压，使得变压器、电容器局部过热、绝缘老化，寿命缩短，严重时发生爆炸，发生事故。同时也可能影响邻近系统的数据通信，严重时系统无法正常通信[3-4]。

为了保证电网安全稳定运行，必须综合治理这些影响电网的关键因素。治理的关键是对电网参数的实时准确的监测与分析。电网参数的通信方式比较多，主要有串口通信接口，USB接口，GPRS以及网络接口等[5]。以太网通信传输速率高，便于实时数据通信，从而进行数据分析，减轻现场工作强度，对电网长期运行评估预测意义重大[6]。

本文基于ARM和W5200设计了一种无功补偿控制器，其具有无功补偿，电压电流谐波等参数测量，数据统计存储以及以太网接口等功能，使用该控制器和后台 PC软件可构建远程监控系统，实现电能质量的远程监控。

1 总体设计方案

1.1 远程监控系统设计

远程监控系统的组成结构如图1所示。

图1 系统组成结构图

系统主要由4个部分组成，无功补偿控制器，以太网模块，远程PC终端以及输出控制单元部分。控制输出单元是TDS系列智能电力电容器，可实现就地无功补偿。以太网模块主要实现电网数据的网络传输。远程 PC终端实现了远程数据的监视，远程设置参数，历史数据采集，远程电容器控制等功能。无功补偿控制器的设计是本文的重点。

1.2 无功补偿控制器设计

如图2所示，无功补偿控制器主要由以下8个模块组成，各模块的主要作用分别为：

图2 无功补偿控制器组成框图

1）电源模块。将电网电压转换成芯片可用的工作电源，通信电源等。

2）数据采集模块。完成电网数据信号的采集，主要包括三相电压，三相电流。

3）数据处理模块。主要完成电网有功、无功、功率因数，谐波总含量以及3～25次谐波分量的计算处理，谐波的计算采用FFT算法[7]。

4）显示模块。采用128×64点阵液晶，主要显示电网参数以及工作状态，电容状态等。

5）数据存储模块。将电网参数的整点数据存储起来，便于现场运行情况的分析处理。这些数据既可通过上位机软件招测，也可连接U盘将数据读取出来，导入上位机。

6）网络接口模块。主要实现与网络模块的通信，这是实现远程监控的关键。

7）RS485模块。主要实现了与 TDS智能电容器的通信，从而实现电容器状态和信息的实时监测与本体控制。

8）报警输出模块。为保证系统的安全稳定运行，当过压、欠压、谐波过大等情况下，通知用户发生故障及自动及时切除已投入电容。

2 硬件设计方案

无功补偿控制器的主控芯片选择意法半导体公司基于 ARM Cortex-M3内核的 32位处理器STM32F103。硬件总体设计包括电源设计，复位电路，晶振模块，JTAG/SWD接口，人机接口，采集部分，RS485，SPI网络接口及存储设备等。

2.1 主控芯片

STM32F103最高可工作在 72MHz,包含 5个USART，两个DMA控制器，3路SPI，3个ADC，ADC包含16路通道，提供电压检测器，提高了抗干扰能力，可保证系统的稳定运行[8]。

2.2 晶振模块

晶振主要提供主控芯片的时钟信号，W5200的工作时钟是由 STM32的软件控制的。STM32内部虽自带RC振动器，可产生8 MHz时钟，但精度较差。因此选用外接独立晶振提供8 MHz时钟源。

2.3 电源设计

运行现场不可能直接提供芯片的工作电源，就需要进行电源转换。设计采用传统电源设计模式：220V交流电压通过变压器变压，整流桥整流，电容滤波，最后稳压芯片稳压后输出直流电源。稳压芯片选用ASM1117，电压转换成3.3 V直接给STM32与W5200供电。

2.4 采集部分

由于STM32具有12位ADC采样，采样速度最快可达到 1μs采集一次，精度也可保证，因此，直接将电网信号准换成 STM32口线可以采集的信号接到STM32口线上。

采集的具体流程图如图3所示。

图3 电网信号采样流程图

电信号经过互感器采样后，加上滤波放大电路和电压转换电路后转换为电压信号，由于 STM32采集的模拟量范围是 0～3.3V，所以要再经过一个电压偏移电路，加上基准电压，就形成 STM32所能处理的模拟量信号。滤波电路选用最简单的 RC滤波电路，主要滤除外界对电网信号造成的干扰。电网信号的检测采用电流、电压互感器实现。

2.5 复位电路

复位电路可靠性是整个系统运行正常的关键。本系统采用了常规的阻容复位和芯片MAX706S结合的复位方式。系统采用了双看门狗方式，一个为STM32的内部独立看门狗，一个为MAX706S提供的硬件看门狗。由于W5200的工作电源需要3V以上，而STM32只需2V就可正常工作，此时MAX706S提供的低电压复位信号起作用，这样就保证了系统的正常运行。

2.6 SWD接口

为便于主控芯片程序的调试和下载，就需要设计调试接口。较JTAG接口，SWD接口简单，只需两根口线就可以实现，接口电路如图4所示。

图4 SWD接口电路

2.7 SPI网络接口

由于W5200集成了TCPIP协议的网络控制器，对软件设计人员水平要求不高，通过SPI接口就可实现网络连接，比较适合单芯片实现TCPIP协议栈、10/100M以太网MAC和PHY。W5200 内部有32K的存储器用于通信数据的存储，通过简单的端口编程，用户可实现以太网通信，而不必要处理复杂的以太网控制。W5200的SPI接口可以支持高达80MHz的时钟[9]。

图5 网络模块结构图

模块的结构如图5所示，ARM芯片提供了时钟信号，复位信号，控制信号，RJ45接口提供了以太网通信接口，网络指示灯指示网络的工作状态。

W5200支持8个独立的端口同时工作，可以实现同一无功控制器通过网络交换机受控于多台上位机终端。

2.8 串口通信模块

为了实时采集多台电容器的实时工作状态及其电容器信息，同时实现电容器的实时控制，为保证数据通信的可靠性，采用传统的RS485通信。

同时，无功补偿控制器备用了两个RS232接口，可用来连接GPRS模块实现远程数据采集和电表数据采集。

3 软件设计方案

3.1 开发环境（MDK）

MDK开发平台是一个针对ARM处理器的专用集成开发环境。可以使用 C/C++和汇编语言方便开发应用程序。MDK的在线调试与仿真，对软件开发具有很大的帮助。

3.2 软件设计

整个系统的软件流程图如图6所示。

图6 软件流程图

本系统的软件设计主要包括 ARM 的应用程序的开发和 μC/OS-Ⅱ操作系统[10]的移植两个基本部分。ARM的应用程序主要包括数据测量、显示程序、数据存储程序、USB数据读取程序、按键扫描处理程序、电容器通信、网络通信程序、电容器控制和程序和报警输出程序等。μC/OS-Ⅱ操作系统是协调STM32对程序的任务管理和调度。

3.3 终端PC软件

上位机远程监控 PC软件开发环境采用 C++Builder和SQL数据库结合设计。C++ Builder集成开发环境提供了可视化窗体设计器，集成编辑器和调试器等系列可视化快速应用程序开发估计，程序员可轻松建立和管理自己的程序和资源。SQL数据库用来将采集的数据实时存储起来，便于以后查询与现场故障分析等[11]。

PC与无功补偿控制器之间采用标准的电网101规约进行通信，便于接入已成型的智能电网中，实现了电网数据的遥测，设定参数的遥调和电容器状态远程显示及远程控制。

如图7所示，PC与无功控制器联机正常运行的实际情况，可见实时现场的电网参数基本上都可以监测到，三相功率因数均达到0.93以上，也取得较好的补偿效果。

图7 上位机远程监控软件运行图

经过一段时间的实际运行，运行情况良好，电网功率因数达标，证明该设计方案是切实可行的。

4 结论

本文以 STM32为主控芯片，设计了一种控制器，具有无功补偿功能。同时，通过驱动W5200网络控制芯片实现了电网参数的实时远程监控与电容器的远程控制。该网络接口硬件设计简单，成本低，开发周期短，便于应用。而电网的长期在线监测，有利于电网的维护与故障分析。

[1]李加升,戴瑜兴,黄文清.电能质量扰动及其在线监测装置的设计[J].电力系统保护与控制,2008,36(18):69-72.

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[5]王广维, 张浩然.基于ARM和W5100的嵌入式以太网通信接口设计[J].微型机与应用,2011,30(5): 50-53.

[6]顾樱华,顾春艳. 采用DSP技术的电能质量在线监测[J].电测与仪表,2004, 41(3):14-16.

[7]赵兵,刘春明. 基于DSP与GPRS的电能质量监测系统[J].电网与清洁能源.2009,25(2):13-16.

[8]ST. STM32F 105xx datasheet.2010.

[9]WIZnet.W5200 datasheet version1 .0. 2011.

[10]苏娟.基于 uC/OS-Ⅱ的工业嵌入式控制平台的研究[D].西北工业大学.西北工业大学.2007.

[11]侯祥勇.基于 TCP/IP的计算机远程监控[J].重庆师范学院学报(自然科学版).2001,18(3):71-73.