基于互感原理的智能配电数据采集系统

孙飞显，赵景海，符耐芳，强世军，赵成龙

(1.河南职业技术学院 电子与物联网学院，河南 郑州 450046；2.河南财政金融学院 计算机与人工智能学院，河南 郑州 450046; 3.河南省中原智能电气科技有限公司，河南 郑州 450100)

0 引言

随着我国电力、电气自动化水平的不断提高，用电安全、用电质量、用电节能、用电智能等要求日渐增强。在智能低压配电系统中，配电系统普遍需要架设监测系统，以便监测和控制用电设备的运行，提高设备稳定性、降低运营成本、保证人身安全，有效保障用电可靠性等。现有的配电监测系统大多需要智能电力监控仪表、带智能接口的低压断路器、中压综合保护继电器、直流屏等多种独立设备/设置，独立采集电压、电流等电量参数并呈现，存在设备数量多、系统实现复杂、监控成本较高、适用范围有限等问题[1]。当今，数字技术发展如火如荼，针对现实生活中的电气设备打火、过载、三相平衡监控困难及电气数据独立采集系统等问题，采用数字方式实时采集和上传设备状态信息，将电气设备以全数字化方式接入监控管理系统，实现仪表保护、自动化控制系统共享数据源，是人工智能背景下数据共享平台设计和实现的常用做法[2-3]。此外，基于互感器的电气状态监测技术与应用，如基于互感原理的潜油泵绝缘工况实时监测[4]、基于双耦合互感原理的风电场安全监测[5]等系统应用相继被报道。

1 系统设计

1.1 设计思路

在当下数字时代，电气设备监控逐步进入数智化管理阶段，通过互感原理将高电压转化为低电压，将大电流降低为小电流，将本地测量结果实时上传并实现远程控制，已成为智能电气测量与管控的必然发展趋势。有鉴于此，本文基于互感原理，将380 V的三相交流电压转换为数据采集模块额定工作电压，将配电系统的三相交流电压信号分别转换为弱电压信号的3个电压互感器；将三相用电设备的一次回路电流信号分别转换成弱电流信号的3个电流互感器；电源模块、电压和电流互感器分别与专用三相电能计量芯片相连，该芯片对电压、电流信号编码后输送给微控单元，再进行本地呈现或者编码后远程传输。

1.2 设计架构

本系统由电压互感器(记为U)、电流互感器(记为I)、计量芯片(记为ATT)、微控单元(记为MCU)、E2PROM、通信模块、显示模块、电源模块、振荡器(记为OSC)及辅助电路组成，设计架构如图1所示。

图1 基于互感原理的智能配电数据采集系统设计架构

在本系统中，电压互感器U包括UA、UB、UC，用于将被采集配电系统的A、B、C三相交流电压转换为弱电压信号；UA、UB、UC输出端线圈的两端各串接1个1.2 K电阻、连接1个33 nf电容(另一端接地)后，与计量芯片ATT(可选用ATT7022E、ATT7026E或ATT7028E)的电压通道相连。与U类似，电流互感器I也分为IA、IB和IC，分别用于采集A、B、C三相交流电流信号，I的两个输出端分别串接1个1.2 K电阻、33 nf电容后连接ATT电流通道；此外，I输出端线圈的两端之间还串接2个贴片电阻5R1(公共端接地)。

设N表示采样谐波次数，φ表示相角，系统的视在功率S、能量计算方法分别如式(1)、(2)所示。

(1)

(2)

其中，Ep、Eq分别表示单相有功和无功能量，合相有功和无功能量采用绝对值加模式计算。

微控单元MCU按照式(1)方法计算电工，实现电功图生成功能；按照指定算法压缩电功图数据，并将压结果通过LoRa通信模块通过网关上到传远程服务器。需要说明的是，MCU自带E2PROM，也可增配显示模块及温湿度、烟雾传感器。

本系统ATT的电源模块负责对AVCC(模拟电源)实时连续监控，应对电源去耦，确保(3.30±0.05)V；OSC频率5.529 6 MHz；SPI(软件复位接口)被写入0XD3后，系统软复位；Reset是硬件复位开关；通信模块可通过LoRa、ModBus或485方式传输。

2 系统实现

本系统基于STM32f10X系列MCU，在Keil下用C语言编程，主要包括main.c、modbus.c、ATT7022EU.c等程序，主要实现代码如下：

int main(void){

RCC_cfg();

GPIO_cfg();

KEY_Init();

TIM2_Configuration();

F103_Flash_cfg();

PWR_cfg();

init_param();

ATT7022E_Init();

UART_addr=sys_param_1[1];

baudRate_Selection=sys_param_1[2];

USART_cfg(baudRate_Selection);

NVIC_cfg();

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);

GPIO_PinRemapConfig(GPIO_Remap_SWJ_JTAGDisable, ENABLE);

while(1){

GenVoltageFreqency_CaiJi();//采集频率参数设定

if(UARTU1_RX_bit==1)checkComm0Modbus();//查询UART数据，用以设备间数据传输

if(save_parm_bit==1){

write_to_flash();

save_parm_bit=0;//清楚保存参数标志

if(baudRate_Selection != sys_param_1[2]){baudRate_Selection = sys_param_1[2]; USART_cfg(baudRate_Selection);}

}}}

结果表明，该系统能够正常采集三相交流电压、电流、功率、能量等参数。系统已经应用于河南省中原智能电气科技有限公司的“ZYA终端数据采集”系列产品，并已获得实用新型专利授权。

3 结语

本系统分别用3个电压互感器和3个电流互感器采集三相交流电压、电流信号，ATT7022E芯片根据互感到的电压电流数据由SMT32微控单元生成初始电功图数据，将数据压缩后通过LoRa技术传输至监测终端供用户查阅并帮助进行故障分析与处理。基于电工图数据表，可以多种形式在前端大屏呈现和展示，使得三相交流配电数据变得更加简单、便捷，实现基于小规模装置动态、实时监测配电系统的电压、电流、相序、相角、功率、能量、失压等信息的功能，为电气数字化、智能化监测提供技术支撑。然而，本系统还存在不少的提升空间，如MCU尚可通过接入烟雾传感器以感知电气工作环境失火问题，连接温度传感器、继电器、空调(或风机)以实现过温控制等功能。这些都是下一步研究、设计和开发的重点。