【文章內容簡介】 基于配電變壓器為主的智能監(jiān)測終端 而進行的一項設計。 課題背景 研究意義 電力系統(tǒng)和電網投入運行年月已久，各項參數整定參數和維護經驗已經非常成熟，作為當今能量流動最龐大的系統(tǒng)，其能否穩(wěn)定、可靠、安全運行影響著一整個國家的民用教育醫(yī)療乃至工業(yè)國防，是一項綜合國力的體現(xiàn)。但電網運營要求顯然不能局限于穩(wěn)定，隨著時代變遷，要求也日新月異。智能電網是定是未來的電力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，在能可靠供配電的同時，更智能化更人性化是順水成渠的，其發(fā)展越來越得到我國有關部門的重視 。而作為智能電網實現(xiàn)的重要一環(huán) —終端檢測，目前的電表還欠缺諸多功能，對電能質量分析和數據傳輸等方面還表現(xiàn)平庸。因此本設計的研究具 有明確意義和目的性，旨在能準確記錄配電網實時數據并進行相關的電能質量分析和故障處理。 智能電網可以通過電子終端將用戶之間、用戶和電網公司之間形成網絡互動和即時連接，實現(xiàn)電力數據讀取的實時、高速、雙向，實現(xiàn)電力、電訊、電視、智能家電控制和電池集成充電等的多用途開發(fā)以及用戶富裕電能的回售；整合系統(tǒng)中的數據，完善中央電力體系的集成作用，實現(xiàn)有效的臨界負荷保護，實現(xiàn)各種電源和客戶終端與電網的無縫互連，提高整個電網的可靠性、可用性和綜合效率。 智能配電網 現(xiàn)狀 智能配電網的發(fā)展目標是充分利用現(xiàn)代化管理理念， 采用先進的計算機、電力電子、數字控制，通信、信息和傳感器等技術，實現(xiàn)配電網的高度融合，使配電網可靠性、運行效率、供電質量和主要技術裝備達到更搞水平。目前我國用戶的停電時間 90%以上是由于配電網引起的，有一半的輸電損耗都發(fā)生在配電網，所以建設高效穩(wěn)定的智能配電網成為發(fā)展智能電網的關鍵環(huán)節(jié)。而早建設好智能配電網，研制和利用好配電智能終端系統(tǒng)是至關重要的環(huán)節(jié)，目前配電系統(tǒng)中已有成熟的配電自動化終端，這些終端一般具備串行接口或者網絡接口，支持多種協(xié)議并可實現(xiàn)遙測遙控。但是這些終端一般不具備保護功能也不具備分布式智能 ，故障的的隔離和轉供依賴于主站。國家電網公司 2021年頒布的《智能電網關鍵設備系統(tǒng)研制規(guī)劃》明確規(guī)定了只能終端的研發(fā)內容以及預期目標，研發(fā)內容為實現(xiàn)對配電網的全景數據采集、保護與控制：語氣目標為研制出具有狀態(tài)監(jiān)測、電能質量監(jiān)控、測量、控制與保護全功能的配電網智能裝置，實現(xiàn)裝置與一次設備的高度集成?，F(xiàn)有電網總體上是一個剛性系統(tǒng)，智能化程度仍然較低。電源的接入與退出、電能量的傳出等都缺乏較好的靈活性，電網的協(xié)調控制能力不理想，系統(tǒng)自鄧裕峰：智能配電網監(jiān)測終端的設計 12 愈及自恢復能力完全依賴于物理冗余，對用戶的服務形式簡單，信息簡單，缺乏良好的信息 共享機制。 智能配電網 發(fā)展趨勢 電網是經濟社會發(fā)展的重要基礎設施，近年來電網的安全運行的客觀環(huán)境正在發(fā)生著巨大的變化，電網的負荷快速增長，電力市場運行因素對電網運行的影響正日益加深，加上收到全球氣候變暖等各種非人為因素，對電網的正常工作提出了很多新挑戰(zhàn)。隨著時代進步，電網也在不斷吸納工業(yè)化、信息化成果，使得各種先進技術在電網中得到集成應用，與傳統(tǒng)電力技術有機融合，極大提升了電力系統(tǒng)功能。目前電力技術的發(fā)展已經使電網主見呈現(xiàn)出諸多新特征諸如自愈、兼容、集成、優(yōu)化等，而電力市場的邊個，又對電網的自動化、信息化水平提出了更高的要求。可以預見，隨 著各行業(yè)的技術更新，電網智能化是必然趨勢。 國內外配電檢測技術的發(fā)展及研究現(xiàn)狀 配電檢測技術是從傳統(tǒng)電磁測控等裝置的技術基礎上發(fā)展而來的。電測量理論及儀表技術的發(fā)展經歷了很多個重要階段。 在早期階段，電測量技術主要是以模擬量測量為主，通過基于電磁通量原理的指針式儀器，如指針式電壓表、電流表、功率表等。在線測量出電電網的各種電力參數。但其機械結構和電磁通量結構一般比較復雜，測量的精度也是很難提高，并且無法提供諸如有功功率、功率因數等電矢量，難以輸出數字化信號，電網智能化工作因此很難 鋪展開來。 20 世紀 50 年代 ,隨著數字電子技術和微電子技術的引入 ,促進了電測量及其儀表技術的發(fā)展 ,模擬式電測儀表逐漸被數字式儀表所代替。這一階段 ,以直流采樣為主 ,對被測直流對象的測量 ,是先量化為恒定電壓值 ,再經過電壓頻率變換后進行計數而隨時間變化的量 ,則是經過整流、濾波 ,轉化成相應的直流量后 ,通過測量平均值來測量電參量的有效值。此方法軟件設計簡單 ,計算速度快 ,對采樣值只需作比例變換即可得到被測量的數值。但是 ,直流采樣方法存在一些問題 ,如測量準確度直接受整流電路的準確度和穩(wěn)定性的影響 ,整流電路參數調整困難等。 20 世紀 80 年代中期以來 ,電測與儀表技術進入了迅猛發(fā)展的近期階段。大規(guī)模集成電路技術的發(fā)展使得芯片體積縮小到可以置入儀器內部 ,使儀器具有控制、存儲、運算、邏輯判斷及自動操作等智能化特點 ,并在測量準確度、靈敏度、可靠 性、自動化程度及解決測量問題的廣度和深度等方面均有了明顯的進步 。隨著微機技術的不斷發(fā)展以及電力參數實時測量要求的提高 ,交流采樣技術己經逐步取代了傳統(tǒng)的直流采樣方法。到了90 年代中期 ,計算機和微電子技術的發(fā)展以及配電網自動化系統(tǒng)的實施 ,都進一步促進了電能質量問題的研究及其監(jiān)測裝置的研制。以往一般采 用多個采樣保持器加上多路轉換開關和高速高分辨率的模擬數字轉換器來構成一個同步采樣模塊的方式逐漸為專于電力系統(tǒng)的高精度同步采樣模塊所取代如 TI 公司的 AD7864,AD 公司 ad73360 的等 ,尤其是帶功能的電能計量芯片出現(xiàn)以及嵌入式芯片從位發(fā)展到 16 位、 32 位 ,處理速度與集成度越來越高 ,為裝置的設計提供 了強大的技術支持。 安徽工程大學畢業(yè)設計（論文） 13 本文的主要內容與結構 本文在闡述了我國配電網現(xiàn)狀和實現(xiàn)配電監(jiān)控自動化的目的和意義的基礎上 ,分析了國內 配電監(jiān)測技術的發(fā)展和現(xiàn)狀 ,比較了目前各種配電監(jiān)測終端實現(xiàn)方法 ,針對實際應用中存在的精度 、價格、通信、可靠性等問題 ,提出了一種高精度、高可靠性的配變監(jiān)測系統(tǒng)設計方案 ,并完成了樣機的制作與調試。 結論與展望第 2 章 系統(tǒng)總體設計第 1 章 緒 論 第四章 表模塊電路設計第五章 系統(tǒng)軟件設計第 3 章 主控電路設計 圖 11 論文主體框架 論文的結構如圖所示 ,共分五 個部分 ,第一部分首先闡述了配電變壓器監(jiān)測在配電自動化系統(tǒng)中的重要地位以及本課題研究的背景 ,分析了國內外配電自動化監(jiān)測系統(tǒng)的研究與應用現(xiàn)狀 ,提出了課題研究的具體內容與目標。第二部分探討了配電變壓器監(jiān)測終端的設計目標、功能需求以及性能需求 ,分析了配變監(jiān)測終端的組成結構與工作原理 ,提出了一種采用以“數據處理和通信模塊”為主 ,外加“采集計量模塊”的配電變壓器智能監(jiān)測終端設計方案第三部分著重論述了配變監(jiān)測終端的主控硬件電路設計 ,尤其對電源部分的設計和整機硬件抗干擾的具體措施進行了研究與探索第四部分對硬件設計的關鍵 ,采 集計量表模塊的工作原理與設計方法進行了詳細的闡述和分析 ,對配變監(jiān)測系統(tǒng)中保證高精度數據采集的方法進行了深入研究第五部分結合硬件設計要求 ,分析了主控模塊與表模塊間的自定義通訊協(xié)議的設計思想 ,給出了表模塊的軟件結構和設計流程 。 最后 ,總結了本課題的設計成果 ,并對今后的研究工作進行了展望 ,探討了下一步研究工作的具體目標與方向。 鄧裕峰：智能配電網監(jiān)測終端的設計 14 第 2 章 系統(tǒng)總體設計 主控方案選擇 經過查閱大量有關文獻，綜合我國農電網供電臺區(qū)域在點亮參數測控、無加工控制和在線監(jiān)測等方面的嚴重不足，綜合篩選，得出較為符合實際情況的 主控 方案如下。 德州儀器 TMS320F28335 TMS320F28335 是德州儀器 (TI)推出的一款浮點型高性能 32 位數字信號處理器，主頻可達 150 MHz ，具有單精度浮點運算單元。片上資源豐富，具有 256 k 16 bit 的 Flash 存儲器 ， 34k 16bit 的 SRAM ， 3 個 32 位 CPU 定 時 器 ， 3 個 SCI(UART)模塊 ， 1 SPI 模塊 ， 1 路 I2C 總線 ， 2 通道 CAN 總線和 2 個多通道 Mc BSP 模塊等 。本系統(tǒng) TMS320F28335 為控制核心，控制外圍芯片工作，主要完成配電網實時運行數據的二次處理、事件記錄 、 能質量分析、電網數據存儲、遠程通信以及開關量輸出等工作。 ADE7878 主 要完成對配電網 時運行數據的采集和一次計算工作，將采集到的配電網實時運行數據通過 SPI 接 TMS320F28335 連接 。配 電 網 電 流 信 號 采 集 是 通 過 LCTA21CE (40 A/20 m A)微型精密電 流變 換 器 ，再配合一定的外圍采樣電路，轉換成差分電壓信號送入 ADE7878 的電流信號輸入端。電壓信號采集是通過 LCTV31CE(2 m A/2 m A)精密電流型電壓變換器后直接送入 ADE7878 的電壓信號輸入端。外圍電路模塊包括實時時鐘電路、數據存儲電路、看門狗電路以及 RS485 通信電路 。該方案的總結構圖如下： 圖 21 基于 TMS320F2835DSP 芯片的監(jiān)測裝置結構圖 DSP TMS320F28335 電能計量 ADE7878 電流輸入通道 電流互感器 電壓輸入通道 電壓互感器 實時時鐘 數據儲存 看門狗 RS485 通信 計時誤差信號 安徽工程大學畢業(yè)設計（論文） 15 AT91SAM7S256 單片機 該芯片為 Atmel 公司生產的基于 ARM7TDMI 的高性能 32 位 RISC 微機處理器，擁有高達 64KB 的 SRAM， 256KB 的片內高速 Flash；可單獨被屏蔽的 8 級優(yōu)先級斷向量；2 個外部中斷源和一個快速中斷源，； 3 通道 16 位定時器； 32 個編程復用 I/O，每個 I/O最多支持兩個外設； 1 個 8 通道 10 位 SAR 型模數轉換器； 2 個 UART、 1 個 SPI 以及 1個 WEI 接口等豐富的片內資源，并且提供 JT 和 DEBUG 兩種調試方式。 基本結構參數如下 ： 核心處理器： ARM7 芯體尺寸： 16/32位 速度： 55MHz 連通性： I178。C， SPI， SSC， U ART/USART， USB 外圍設備：欠壓檢測 /復位， DMA， POR， PWM， WDT 輸入 /輸出數： 32 程序存儲器容量： 256KB (256K x 8) 程序存儲器類型： FLASH RAM 容量： 64K x 8 電壓 電源 (Vcc/Vdd)： V ~ V 數據轉換器： A/D 8x10b 振蕩器型：內部 工作溫度： 40℃ ~ 85℃ 封裝 /外殼： 64LQFP 包裝：托盤 綜上所述，由于 德州儀器 TMS320F28335 系列芯片價格相對較貴，并且通用性和兼容性相對較差，決定選擇 AT91 系列單片機作為本設計的主控芯片。 配電終端設計需求 監(jiān)測系統(tǒng)需要監(jiān)測顯示的電網電量參數包括電壓有效值、電流有效值、三相總有功功率和實時頻率 。根據設計目標，本設計中的配電網智能監(jiān)測終端的具體功能需求應如下： （ 1） 對測量的數據饋入具有實時傳輸能力 可以整點或者定時記錄三相交流點的測量數據包括三相電壓、三相電流、視在功率、頻率以及諧波等物理量，并且統(tǒng)計各參數的峰值、平均值和超標時間等等的數據，并可以在主站需要時及時發(fā)送。 （ 2） 故障監(jiān)測和報警功能 鄧裕峰：智能配電網監(jiān)測終端的設計 16 能自動檢測變壓器輸出掉相、掉電、失壓 ,電流、電壓越限等異常工況 ,并將故障事項和異常報警信息 ,上報主站 。 （ 3） 數據通信和傳輸功能 通過 RS485 實現(xiàn)近程有線通訊， GPRS 無線模塊用于主站的遠程控制，定是上傳各種測量和統(tǒng)計數據，實現(xiàn)遠方參數設置功能和對時功能。 （ 4） 設備診斷及恢復功能 具備監(jiān)測設備自診斷、掉電數據保護和故障自恢復功能。 （ 5） 開關狀態(tài)監(jiān)測與控制功能 能對三相開關狀態(tài)量進行采集，開關狀態(tài)發(fā)生變化時，記錄并且可以上報基站當前的狀態(tài)和發(fā)生時間，并且可以通過繼電器控制開關組合。此外，要求能讀取 1 路外部脈沖電能表的數據信息 配電網監(jiān)測終端的總結 和工作原理 根據所學知識和查閱相關文獻，在借鑒了國內外眾多的 TRU、 FTU 等技術方案的基礎上，決定采用高精度電能計量芯片 ADE7878 采集交流電信號，活的三相電流、三相電壓、無功功率和功率因數等物理量，而主控板方面澤采用 AT91SAM7S256 單片機、通訊模塊。按鍵與及顯示模塊等組成。 由配變監(jiān)測終端兩大主要功能電力參數采集和智能監(jiān)測與數據通信管理以及本文配電監(jiān)測終端三層結構的設計思想 ,下章 將分別對主控板及表模塊的功能設計與實現(xiàn)進行詳細深入的闡述 。 配變監(jiān)測終端利用信號及數據采集電路實時地采集供配電系統(tǒng)的各項電力參數如三相電壓、三相電流、有功功率、無功功率、功率因數、線頻率等。及狀態(tài)信息斷路器、隔離開關等設備的工況以及告警之類信