翟亞芳,李正斌,張修太,張?zhí)禊i

(安陽工學院 電子信息與電氣工程學院,河南安陽,455000)

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基于ARM的智能三相電力監(jiān)控儀表設計

翟亞芳,李正斌,張修太*,張?zhí)禊i

(安陽工學院 電子信息與電氣工程學院,河南安陽,455000)

摘要:介紹了一種電力監(jiān)控系統(tǒng)智能三相電力監(jiān)控儀表的設計方案,敘述了監(jiān)控儀表的總體結構,給出了信號調理電路、開關量輸入/輸出電路和通信接口電路的設計方案,并說明了監(jiān)控儀表的硬件配置圖、監(jiān)控界面和典型的應用電路。監(jiān)控儀表以32位ARM處理器MB9BF218為控制核心,以ATT7022D為測量元件,實現(xiàn)了對電壓、電流、頻率、功率因數(shù)、有功功率、無功功率等三相電力參數(shù)的測量,具有RS485和以太網(wǎng)RJ45兩種通信接口,可以方便地與其它設備一起構成電力監(jiān)控系統(tǒng)。

關鍵詞:電力監(jiān)控系統(tǒng);監(jiān)控儀表;電力參數(shù)測量;ATT7022D;遠程控制

智能電網(wǎng)是當今世界電力系統(tǒng)的發(fā)展方向,電力監(jiān)控系統(tǒng)是電力系統(tǒng)數(shù)字化和信息化的產(chǎn)物,是智能電網(wǎng)的重要組成部分。隨著電力系統(tǒng)自動化、智能化程度的不斷提高,電力監(jiān)控系統(tǒng)中各種裝置的數(shù)字化、智能化趨勢日益明顯,并具有功能多樣化、通信接口豐富化、高可靠性和高性能指標等特點[1-2]。三相電力監(jiān)控儀表是電力監(jiān)控系統(tǒng)中的前端元件,主要用于工礦企業(yè)、醫(yī)院、智能建筑等領域的中低壓(10 kV或0.4 kV)配電場所(配電站、分支箱等),具備電力參數(shù)測量、數(shù)據(jù)通信和遠程控制功能,可以取代傳統(tǒng)的指針式儀表,成為電力監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分。

1　監(jiān)控儀表的總體設計

所設計的智能三相電力監(jiān)控儀表具有強大的數(shù)據(jù)采集和處理功能,不僅能夠測量電壓、電流、頻率等常用電力參數(shù),而且可以進行有功功率、無功功率、視在功率、有功電度和無功電度的計算,并具開關量輸入/輸出、故障錄波和網(wǎng)絡通信等功能。智能三相電力監(jiān)控儀表主要由測量模塊、開關量輸入/輸出模塊、數(shù)據(jù)處理與控制模塊、數(shù)據(jù)通信模塊和人機接口模塊構成,其結構框圖如圖1所示[3-4]。

測量模塊負責進行實時測量電壓、電流、頻率等電力參數(shù),主要由模擬量輸入接口、信號調理電路和測量電路構成。開關量輸入模塊負責采集負荷開關位置信號、低壓斷路器位置信號、熔斷器熔斷信號等開關量信號的狀態(tài),由開關量接口電路構成;開關量輸出模塊負責控制信號的輸出,用于對負荷開關或低壓斷路器的分合控制,主要由繼電器輸出接口電路構成。數(shù)據(jù)處理與控制模塊是整個系統(tǒng)的核心,主要負責測量數(shù)據(jù)處理、電氣量計算、開關量輸入信號狀態(tài)判斷、開關量輸出控制、故障錄波信息處理、數(shù)據(jù)通信控制等,主要由ARM微處理器、數(shù)據(jù)存儲器、晶振電路和復位電路等構成。數(shù)據(jù)通信模塊負責與其它智能設備進行信息交換,如定值參數(shù)信息的修改、測量數(shù)據(jù)的上傳、故障錄波文件上傳等,主要由RS485總線和以太網(wǎng)接口電路構成。人機接口模塊負責與外界進行信息交換,由按鍵電路和顯示電路構成,主要作用是鍵盤操作和數(shù)據(jù)顯示[5]。

圖1　監(jiān)控儀表的結構框圖

2　監(jiān)控儀表的硬件設計

監(jiān)控儀表在設計時選用富士通Cortex-M3家族的32位ARM處理器MB9BF218作為數(shù)據(jù)處理與控制核心。MB9BF218具有如下特點:時鐘頻率最高可達144 MHz;片內集成有1 024 kbyte的FLASH ROM和128 kbyte的SRAM;含有24通道12位A/D轉換器;含有8個多功能串行口,每個通道支持UATR、I2C、SPI和LIN 4種功能配置;含有16個基本定時器和3單元多功能定時器;內部集成有1路以太網(wǎng)控制器。MB9BF218具有足夠多的I/O接口和快速處理數(shù)據(jù)能力,能夠滿足智能三相電力監(jiān)控儀表的設計需要。

2.1信號采樣和調理電路

電力參數(shù)采集電路主要由輸入采樣電路、信號調理電路和測量芯片ATT7022D構成。在設計電路時,將監(jiān)控儀表的額定輸入電壓設定為380 V(線電壓),額定輸入電流為5 A,而測量芯片ATT7022D內部ADC采用雙端差分信號輸入,最大輸入電壓是1.5 V,即可以輸入最大的正弦信號有效值為1 V,因此需要將輸入的電壓信號和電流信號經(jīng)過信號調理電路之后送入ATT7022D的輸入端。

輸入電壓信號的額定電壓為220 V(相電壓),在信號采樣時使其先經(jīng)過一個110 kΩ電阻,將電壓信號變換為-2 mA～2 mA的電流信號,然后使用2 mA/2 mA電流互感器進行采樣,采樣后的信號經(jīng)過信號調理電路后,送給ATT7022D的差分信號輸入端。輸入電壓信號的額定電流為5 A,設計時直接使用5 A/5 mA的電流互感器進行采樣,采樣后的信號經(jīng)過調理電路后,送給ATT7022D的差分信號輸入端。輸入電壓和輸入電流的采樣和信號調理電路如圖2所示,圖2中的UAP、UAN為輸入電壓UA經(jīng)采樣和信號調理后的差分輸出端子,同理,輸入電壓UB的差分輸出端為UBP和UBN,輸入電壓UC的差分輸出端為UCP和UCN;IAP、IAN為輸入電流IA經(jīng)采樣和信號調理后的差分輸出端子,同理輸入電流IB的差分輸出端為IBP和IBN,輸入電流IC的差分輸出端為ICP和ICN;ACOM為直流偏置電壓,其作用是將信號調理后的信號抬高一個固定的電壓值,使其能夠還原輸入信號交變的特點[6]。

圖2　信號采樣和調理電路

2.2開關量輸入/輸出電路

該監(jiān)控儀表配置有2路固定的外部開關量輸入接口,適用于檢測斷路器的位置信號、刀閘位置信號等狀態(tài)量信息。當開關量輸入的外部節(jié)點閉合時,監(jiān)控儀表的監(jiān)控界面顯示對應的開關量閉合,同時內部相應的狀態(tài)信息被置成1;當外部節(jié)點斷開時,監(jiān)控儀表的監(jiān)控界面顯示對應的開關量斷開,同時內部相應的狀態(tài)信息被置成0。此外,裝置可根據(jù)需要將開關量輸入接口進行擴展,最多可達10路。監(jiān)控儀表配置有2路繼電器開關量輸出接口,當內部相應的狀態(tài)信息被置成1時,繼電器閉合輸出,監(jiān)控見面顯示對應的繼電器閉合;當內部相應的狀態(tài)信息被置成0時,繼電器斷開,監(jiān)控見面顯示對應的繼電器斷開。

開關量輸入/輸出電路如圖3所示。在開關量輸入電路中,當有開入輸入信號時,開入電源+24 V通過DI1流入回路,通過10 kΩ、15 kΩ和0.1 μF組成的限流和濾波電路后,驅動光電耦合器TLP181導通,DIN1處輸出低電平,通知微處理器有外部開關量輸入。在開關量輸出電路中,當DO1輸出低電平時,光電耦合器TLP127導通,驅動繼電器導通,輸出繼電器動作[7]。

圖3　開關量輸入/輸出電路

2.3通信接口電路

該監(jiān)控儀表具有數(shù)據(jù)通信和遠程控制功能,監(jiān)控儀表可以將采集到的電壓、電流、功率、頻率等電參數(shù)或開關量信號的狀態(tài)上傳至遠程監(jiān)控中心,也可以與其它智能設備之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換,同時,遠程監(jiān)控中心可以向監(jiān)控儀表發(fā)出控制命令或進行參數(shù)配置,實現(xiàn)遠程控制功能。該監(jiān)控儀表設置有RS485總線通信接口和以太網(wǎng)RJ45通信接口,RS485總線接口電路如圖4所示[8]。圖中ISO3082是一種帶隔離功能的半雙工差分總線式收發(fā)器,其內部集成有隔離裝置,具有很好的隔離特性,隔離電壓高達DC2500V,廣泛應用于電力監(jiān)控、樓宇自動化等領域。RXD、TXD分別為微控制器的異步串口的接收端和發(fā)送端,SCK是ISO3082的收/發(fā)使能控制端,當SCK為高電平時發(fā)送使能,SCK為低電平時接收使能;兩個20 Ω電阻起阻抗匹配作用,兩個3.3 kΩ分別為下拉電路和上拉電阻。

圖4　RS485總線接口電路

3　監(jiān)控儀表的硬件配置和監(jiān)控界面

3.1監(jiān)控儀表的硬件配置

該監(jiān)控儀表配置有2路固定的無源開關量輸入接口、8路可擴展開關量輸入接口、2路繼電器開出接口、2路4 mA～20 mA電流輸出接口、1路RS485總線接口、1路RJ45接口、3路電流輸入接口和4路電壓輸入接口,其硬件配置圖如圖5所示[9]。圖中的端子23(L/+)、24(N/-)為監(jiān)控儀表的電源輸入端,當電源為直流時,23端子接電源正極,24端子接電源負極;端子1(AO1+)和端子2(AO1-)為第1路4 mA～20 mA電流輸出端子,端子3(AO2+)和端子4(AO2-)為第2路4 mA～20 mA電流輸出端子;端子19(DO11)和端子20(DO12)為第1路繼電器開出接口,端子21(DO21)和端子22(DO22)為第2路繼電器開出接口,兩路繼電器輸出均為常開觸點,分段電流能力為5 A。

圖5　監(jiān)控儀表的硬件配置圖

圖6　監(jiān)控儀表的監(jiān)控界面

3.2監(jiān)控儀表的監(jiān)控界面

監(jiān)控儀表的監(jiān)控界面由數(shù)值顯示區(qū)、功能指示區(qū)和按鍵區(qū)構成,如圖6所示。數(shù)值顯示區(qū)用于顯示三相電力參數(shù),功能指示區(qū)用于指示所顯示數(shù)據(jù)代表的含義,按鍵區(qū)用于切換測量顯示界面和編程設置。其中功能指示區(qū)中的M代表測量結果以兆為計量單位,K代表以千為計量單位,A/T用于顯示平均值和累加值,I代表相電流,U代表相電壓,UL代表線電壓,F代表頻率,COM代表數(shù)據(jù)通信,P代表有功功率,Q代表無功功率,E代表電度提示符,PF代表功率因數(shù),S1、S2代表開關量輸入提示符,DO1、DO2代表開關量輸出提示符,以上各符號處于點亮狀態(tài)時,表示監(jiān)控儀表工作于該狀態(tài)下。單擊按鍵區(qū)的CR鍵系統(tǒng)將進入編程模式,可以對監(jiān)控儀表的初始運行狀態(tài)進行設置,設置完成后,再次單擊CR鍵,即可保存設置,如果不想保存設置,可以單擊ESC鍵退出。

4　監(jiān)控儀表的應用及測試

4.1監(jiān)控儀表的應用電路

所設計的智能三相電力監(jiān)控儀表在三相四線制系統(tǒng)中的典型應用電路如圖7所示,圖中假設輸入電壓和輸入電流均超過該監(jiān)控儀表的額定值,此時需要選擇合適的電壓互感器和電流互感器,并需要對測控儀表的互感器變比參數(shù)進行配置。如果輸入電壓和輸入電流均未超過額定值,則可以不使用電壓互感器和電流互感器。

圖7　監(jiān)控儀表的典型應用電路

4.2監(jiān)控儀表的測試結果

為了驗證監(jiān)控儀表測量結果的可靠性,分別對電壓、電流、頻率、功率因數(shù)、無功功率和有功功率等電力參數(shù)進行了測試,部分測量結果如表1所示。

表1　監(jiān)控儀表的測試結果

將測量結果同儀器輸出參數(shù)對比可知,監(jiān)控儀表的測量結果具有較高的準確性,其中電壓、電流、頻率和頻率因數(shù)的測量誤差在0.2%以內,滿足了電力系統(tǒng)對電力參數(shù)測量結果的需要。

5　結論

隨著電力系統(tǒng)自動化程度的提高,電力市場對電力監(jiān)控儀表的需求不斷變化,本文所設計的智能三相電力監(jiān)控儀表不僅能夠滿足常規(guī)電力參數(shù)測量的需要,還具有RS485總線、以太網(wǎng)RJ45、遠程控制等功能,與其它同類儀表相比,具有多功能、高精度、超小型設計、易學易用、接線靈活等優(yōu)點。該智能三項電力監(jiān)控儀表設計思想較先進,功能可靠,更符合電力市場的需求。

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翟亞芳(1979-),女,河北保定,安陽工學院電子信息與電氣工程學院,碩士,講師,主要研究方向為電力系統(tǒng)繼電保護、微控制器技術應用,zhaiyafangwin@163.com,電話:15824625510。

DesignofIntelligentThree-phasePowerMonitoringInstrumentBasedonARM

ZHAIYafang,LIZhengbin,ZHANGXiutai*,ZHANGTianpeng

(School of Electronic Information & Electrical Engineering,Anyang Institute of Technology,Anyang,Henan,455000)

Abstract:The design of intelligent three-phase power monitoring instrument for power monitoring system is introduced.The overall structure,the schematic diagrams of signal modulated circuit,switch signal input/output,and communication interface are given,and the hardware configuration,the monitoring interface and the typical application circuit are also set up.The 32-bit ARM processor MB9BF218 is used as a core component in this device,and the ATT7022D is used as the measuring units,it could realize the measurement of voltage,current,frequency,power factor,active power and reactive power.The device has two communication interfaces which are RS485 and Ethernet RJ45,and it could constitute power monitoring system easily together with other instruments.

Key words:power monitoring system;monitoring instrument;electric power parameter measurement;ATT7022D;remote control

doi:EEACC:7210;811010.3969/j.issn.1005-9490.2014.05.042

中圖分類號:TM932;TM764

文獻標識碼:A

文章編號:1005-9490(2014)05-0996-04

收稿日期:2014-01-03修改日期:2014-01-22