孫飛顯，趙景海，符耐芳，強世軍，趙成龍

(1.河南職業(yè)技術學院 電子與物聯(lián)網(wǎng)學院，河南 鄭州 450046；2.河南財政金融學院 計算機與人工智能學院，河南 鄭州 450046; 3.河南省中原智能電氣科技有限公司，河南 鄭州 450100)

0 引言

隨著我國電力、電氣自動化水平的不斷提高，用電安全、用電質量、用電節(jié)能、用電智能等要求日漸增強。在智能低壓配電系統(tǒng)中，配電系統(tǒng)普遍需要架設監(jiān)測系統(tǒng)，以便監(jiān)測和控制用電設備的運行，提高設備穩(wěn)定性、降低運營成本、保證人身安全，有效保障用電可靠性等?，F(xiàn)有的配電監(jiān)測系統(tǒng)大多需要智能電力監(jiān)控儀表、帶智能接口的低壓斷路器、中壓綜合保護繼電器、直流屏等多種獨立設備/設置，獨立采集電壓、電流等電量參數(shù)并呈現(xiàn)，存在設備數(shù)量多、系統(tǒng)實現(xiàn)復雜、監(jiān)控成本較高、適用范圍有限等問題[1]。當今，數(shù)字技術發(fā)展如火如荼，針對現(xiàn)實生活中的電氣設備打火、過載、三相平衡監(jiān)控困難及電氣數(shù)據(jù)獨立采集系統(tǒng)等問題，采用數(shù)字方式實時采集和上傳設備狀態(tài)信息，將電氣設備以全數(shù)字化方式接入監(jiān)控管理系統(tǒng)，實現(xiàn)儀表保護、自動化控制系統(tǒng)共享數(shù)據(jù)源，是人工智能背景下數(shù)據(jù)共享平臺設計和實現(xiàn)的常用做法[2-3]。此外，基于互感器的電氣狀態(tài)監(jiān)測技術與應用，如基于互感原理的潛油泵絕緣工況實時監(jiān)測[4]、基于雙耦合互感原理的風電場安全監(jiān)測[5]等系統(tǒng)應用相繼被報道。

1 系統(tǒng)設計

1.1 設計思路

在當下數(shù)字時代，電氣設備監(jiān)控逐步進入數(shù)智化管理階段，通過互感原理將高電壓轉化為低電壓，將大電流降低為小電流，將本地測量結果實時上傳并實現(xiàn)遠程控制，已成為智能電氣測量與管控的必然發(fā)展趨勢。有鑒于此，本文基于互感原理，將380 V的三相交流電壓轉換為數(shù)據(jù)采集模塊額定工作電壓，將配電系統(tǒng)的三相交流電壓信號分別轉換為弱電壓信號的3個電壓互感器；將三相用電設備的一次回路電流信號分別轉換成弱電流信號的3個電流互感器；電源模塊、電壓和電流互感器分別與專用三相電能計量芯片相連，該芯片對電壓、電流信號編碼后輸送給微控單元，再進行本地呈現(xiàn)或者編碼后遠程傳輸。

1.2 設計架構

本系統(tǒng)由電壓互感器(記為U)、電流互感器(記為I)、計量芯片(記為ATT)、微控單元(記為MCU)、E2PROM、通信模塊、顯示模塊、電源模塊、振蕩器(記為OSC)及輔助電路組成，設計架構如圖1所示。

圖1 基于互感原理的智能配電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計架構

在本系統(tǒng)中，電壓互感器U包括UA、UB、UC，用于將被采集配電系統(tǒng)的A、B、C三相交流電壓轉換為弱電壓信號；UA、UB、UC輸出端線圈的兩端各串接1個1.2 K電阻、連接1個33 nf電容(另一端接地)后，與計量芯片ATT(可選用ATT7022E、ATT7026E或ATT7028E)的電壓通道相連。與U類似，電流互感器I也分為IA、IB和IC，分別用于采集A、B、C三相交流電流信號，I的兩個輸出端分別串接1個1.2 K電阻、33 nf電容后連接ATT電流通道；此外，I輸出端線圈的兩端之間還串接2個貼片電阻5R1(公共端接地)。

設N表示采樣諧波次數(shù)，φ表示相角，系統(tǒng)的視在功率S、能量計算方法分別如式(1)、(2)所示。

(1)

(2)

其中，Ep、Eq分別表示單相有功和無功能量，合相有功和無功能量采用絕對值加模式計算。

微控單元MCU按照式(1)方法計算電工，實現(xiàn)電功圖生成功能；按照指定算法壓縮電功圖數(shù)據(jù)，并將壓結果通過LoRa通信模塊通過網(wǎng)關上到傳遠程服務器。需要說明的是，MCU自帶E2PROM，也可增配顯示模塊及溫濕度、煙霧傳感器。

本系統(tǒng)ATT的電源模塊負責對AVCC(模擬電源)實時連續(xù)監(jiān)控，應對電源去耦，確保(3.30±0.05)V；OSC頻率5.529 6 MHz；SPI(軟件復位接口)被寫入0XD3后，系統(tǒng)軟復位；Reset是硬件復位開關；通信模塊可通過LoRa、ModBus或485方式傳輸。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

本系統(tǒng)基于STM32f10X系列MCU，在Keil下用C語言編程，主要包括main.c、modbus.c、ATT7022EU.c等程序，主要實現(xiàn)代碼如下：

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();//采集頻率參數(shù)設定

if(UARTU1_RX_bit==1)checkComm0Modbus();//查詢UART數(shù)據(jù)，用以設備間數(shù)據(jù)傳輸

if(save_parm_bit==1){

write_to_flash();

save_parm_bit=0;//清楚保存參數(shù)標志

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

}}}

結果表明，該系統(tǒng)能夠正常采集三相交流電壓、電流、功率、能量等參數(shù)。系統(tǒng)已經(jīng)應用于河南省中原智能電氣科技有限公司的“ZYA終端數(shù)據(jù)采集”系列產(chǎn)品，并已獲得實用新型專利授權。

3 結語

本系統(tǒng)分別用3個電壓互感器和3個電流互感器采集三相交流電壓、電流信號，ATT7022E芯片根據(jù)互感到的電壓電流數(shù)據(jù)由SMT32微控單元生成初始電功圖數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)壓縮后通過LoRa技術傳輸至監(jiān)測終端供用戶查閱并幫助進行故障分析與處理。基于電工圖數(shù)據(jù)表，可以多種形式在前端大屏呈現(xiàn)和展示，使得三相交流配電數(shù)據(jù)變得更加簡單、便捷，實現(xiàn)基于小規(guī)模裝置動態(tài)、實時監(jiān)測配電系統(tǒng)的電壓、電流、相序、相角、功率、能量、失壓等信息的功能，為電氣數(shù)字化、智能化監(jiān)測提供技術支撐。然而，本系統(tǒng)還存在不少的提升空間，如MCU尚可通過接入煙霧傳感器以感知電氣工作環(huán)境失火問題，連接溫度傳感器、繼電器、空調(diào)(或風機)以實現(xiàn)過溫控制等功能。這些都是下一步研究、設計和開發(fā)的重點。