配電網智能監測終端的設計與實現

王 康 ，章國寶

（東南大學 自動化學院，江蘇 南京 210096）

隨著我國城市和農村智能電網改造的不斷深化，智能配電技術也在迅猛發展，掌握配電網實時運行參數，了解當前配電網的實時運行情況已經逐漸成為眾多企業和居民較為關心的問題[1]。目前，掌握配電網實時運行參數主要通過電能表來獲得。但一般電能表不能提供諸如正向有功電能、反向有功電能、四象限無功電能以及最大需量等電能量參數[2]。并電能表在電能質量分析方面功能還十分欠缺。在配電網發生失壓、斷相、失流、電壓波動和閃變等情況時，電表也不能做出相應的事件記錄或者遠程報警等[3]。針對如何準確獲得配電網實時運行數據，并進行相關的電能質量分析和故障處理等問題，文中以TMS320F28335和ADE7878為核心，提出一種配電網智能監測終端的設計方法。

1 總體方案設計

1.1 核心芯片介紹

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個 SPI模塊，1路 I2C總線，2通道 CAN總線和2個多通道McBSP模塊等[4]。

ADE7878是亞德諾半導體（ADI）推出的一款高精度、三相電能計量芯片，內置多個二階型模數轉換器、數字積分器、基準電壓源電路以及所必須的信號處理電路以實現對電能量參數計算。同時ADE7878可以提供電網三相電壓和電流的瞬時波形值輸出，方便控制器進行諧波分析[5]。

1.2 系統總體架構

本系統以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、電能質量分析、電網數據存儲、遠程通信以及開關量輸出等工作。ADE7878主要完成對配電網實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接口與TMS320F28335連接。配電網電流信號采集是通過LCTA21CE（40 A/20 mA）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（2mA/2mA）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。系統總體設計框圖如圖1所示。

2 系統主要硬件電路設計

2.1 電壓信號采集電路設計

圖1 系統總體設計框圖Fig．1 System structure

電壓信號采集有電壓互感器和電阻分壓兩種方法[6]。電阻分壓的方式雖然不會存在相位延遲的問題，但缺少隔離，會使得系統的電磁兼容性和穩定性變差。電壓互感器雖然帶來相位延遲的問題，但可以提高系統的電磁兼容性和穩定性。而針對相位延遲問題，可以在軟件上進行校準。因此，本系統選擇電壓互感器的方式對電壓信號進行采集。圖2所示電壓互感器接線方法，可以使得電壓信號的相位誤差在5°以內。

圖2 電壓信號采集電路Fig．2 Voltage sample

其中，以電網頻率f=50 Hz來計算C1的取值如下：

由于ADE7878的電壓信號輸入電壓范圍為±500mV，因此，一次側的限流電阻取值為249 kΩ，二次側的采樣電阻取值249Ω，這樣可以測量的交流電壓信號范圍上限可以接近500V。

2.2 電流信號采集電路設計

由于配電網運行環境較為復雜，有時會有瞬時大電流經過，為了保證檢測裝置的可靠性，電流互感器選擇LCTA21CE（40 A/20mA）微型精密電流變換器，其二次額定電流有效值為20mA，峰值電流為28．28mA，電流輸入通道的采樣信號范圍為峰值±0．5 V， 可得采樣電阻的阻值為 R=0．5/（28．28×10-3）≈17．68Ω，為了留有余量，采樣電阻選擇 15Ω 的金屬膜電阻。電流互感器二次總負載為30Ω，遠低于LCTA21CE（40 A/20mA）所要求的額定負載值100Ω，可以獲得較好的線性。詳細電路設計如圖3所示。

圖3 電流信號采集電路Fig．3 Current sample

2.3 ADE7878電路設計

ADE7878具有 12路信號輸入端，分別是 IAP、IAN、IBP、IBN、ICP、ICN、INP、INN、VAP、VBP、VCP、VN。 其中三相電流和零線電流信號是以差分電壓信號的形式輸入，三相電壓信號經過適當變換直接輸入。ADE7878的滿量程輸入電壓信號為±500 mV。ADE7878具有四種電源選擇模式，通過將PM0引腳拉高，PM1引腳拉低，可始終保持ADE7878工作在PSM0模式。ADE7878通過4線SPI接口與DSP相連接，同時/IRQ0和/IRQ1引腳連接在DSP的GPIO上以便于DSP對ADE7878發出的中斷信號進行檢測。ADE7878自帶三個脈沖輸出端口CF1、CF2、CF3通過光電耦合芯片 TLP521接出，用于芯片校準。ADE7878的詳細電路設計如圖4所示。

圖4 ADE7878電路設計Fig．4 Design of ADE7878 circuit

2.4 I2C接口電路設計

本系統中，實時時鐘電路和數據存儲電路均采用I2C總線通信方式。

時鐘芯片選擇上海貝嶺公司的一款低功耗實時時鐘芯片 BL5372，具有標準的 I2C通信接口，外加 32．768 kHz時鐘晶振，具有兩套報時系統，內置一個低功耗穩壓電源，因此在惡劣環境下仍能保持振蕩器正常工作在低功耗模式。BL5372內置數字時間調整電路，可以保證時鐘走時的高精度。并且具有兩路可編程脈沖信號輸出，INTRA和INTRB，最小可以設置為1 Hz方波脈沖輸出。詳細電路設計如圖5所示。

圖5 時鐘模塊電路設Fig．5 Real-time clock circuit

數據存儲采用 Atmel公司的 AT24C512，3．3 V供電，具有64 kB的數據存儲空間，內部有512頁，每一頁為128 Byte。具有標準的I2C通信接口。詳細電路設計如圖6所示。

圖6 數據存儲模塊電路設計Fig．6 Data Storage Circuit

2.5 復位電路

復位芯片選擇德州儀器（TI）的TPS3823。當主控制器供電電壓跌落至2．93 V以下或主控制器未在1．6 s內向芯片的WDI口輸出高電平，表明系統運行出現異常，此時TPS3823的/RESET引腳會向主控制器的/RST口發出一個200 ms的低電平復位信號，使得主控制器復位。詳細電路如圖7所示。

圖7 看門狗電路設計Fig．7 Watchdog circuit

2.6 通信模塊設計

配電網智能監測終端在對配電網進行實時監測的同時，還要將檢測和處理后的數據按照DLT645-2007通信規約發送到上一級主站，從通信穩定性、可靠性和系統成本方面綜合考慮，終端和主站之間采用RS485通信方式。RS485芯片采用德州儀器（TI）的 SN65HVD11D ，3．3 V 供電，最高通信速率可達10Mbit/s。完全可以滿足系統通信要求。其中，為了增強通信過程中的抗干擾性，在TXD、RXD以及/RE、DE均采用了HCPL2601高速光電耦合芯片對信號進行光電隔離。詳細電路設計如圖8和圖9所示。

圖8 RS485通信電路設計Fig．8 RS485 communication circuit

3 軟件設計

配電網智能監測終端主要完成對配電網實時運行參數的檢測以及電能質量分析，需要檢測的物理量有三相電壓、三相電流、正反向有功電能、四象限無功電能、最大需量、功率因數、電網頻率等，電能質量分析方面主要包括檢測三相電壓和電流不平衡度、失流、電壓和電流的2～19次諧波分析等。其中，配電網基本電能量數據檢測主要通過ADE7878完成，TMS320F28335通過SPI接口與ADE7878通信，將配電網基本電能量數據捕獲后進行數據處理和分析，同時完成帶時間標志的數據存儲、與主站進行485通信以及故障處理等功能。

圖9 RS485光耦隔離電路Fig．9 RS485 light coupling Isolation circuit

系統每次運行時，在完成基本初始化工作后，會先讀取EEPROM中存儲的校表參數，并對ADE7878進行參數校準。之后通過與主站通信，對配電終端進行校時。系統自帶3個CPU定時器，其中Timer0用于定時與ADE7878進行通信，讀取三相電能量數據。Timer1用于與主站通信時間間隔計時，正常情況下，配電終端與主站每隔15 min必定會有一次通信，如果15min還為接收到來自主站的命令，則通信故障。軟件具體流程如圖10所示。

圖10 軟件流程圖Fig．10 Software flow chart

4 結 論

文中結合當前配電網終端行業發展的實際情況，提出了一種配電網智能監測終端的設計方案，并對電網實時運行參數檢測，電能量數據的處理和計算、數據存儲和通信方面做了詳細說明。經過一段時間的實際運行，整個系統在電網實時運行參數檢測以及電能質量分析方面的準確性、快速性以及系統運行的穩定性方面均具有良好表現。

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