基于W5200的電能質(zhì)量遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

夏 文 馮國偉 夏 武

（江蘇省現(xiàn)代電力無功控制工程技術(shù)研究中心，江蘇 南通 226006）

隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，電力電子設(shè)備得到了廣泛應(yīng)用，使得電網(wǎng)負(fù)荷中的感性負(fù)載占很大比例，如變壓器，電動機(jī)等，同時也產(chǎn)生了電網(wǎng)諧波[1]。無功功率會增加設(shè)備容量以及線路損耗，同時沖擊性無功功率負(fù)載還可能引起電壓劇烈波動，使得電網(wǎng)質(zhì)量嚴(yán)重降低[2]。而諧波的危害更大，諧波使得元器件產(chǎn)生附加的損耗，此外諧波可能影響各種電氣設(shè)備的正常運(yùn)行，如機(jī)械振動、噪聲和過電壓，使得變壓器、電容器局部過熱、絕緣老化，壽命縮短，嚴(yán)重時發(fā)生爆炸，發(fā)生事故。同時也可能影響鄰近系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信，嚴(yán)重時系統(tǒng)無法正常通信[3-4]。

為了保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，必須綜合治理這些影響電網(wǎng)的關(guān)鍵因素。治理的關(guān)鍵是對電網(wǎng)參數(shù)的實時準(zhǔn)確的監(jiān)測與分析。電網(wǎng)參數(shù)的通信方式比較多，主要有串口通信接口，USB接口，GPRS以及網(wǎng)絡(luò)接口等[5]。以太網(wǎng)通信傳輸速率高，便于實時數(shù)據(jù)通信，從而進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，減輕現(xiàn)場工作強(qiáng)度，對電網(wǎng)長期運(yùn)行評估預(yù)測意義重大[6]。

本文基于ARM和W5200設(shè)計了一種無功補(bǔ)償控制器，其具有無功補(bǔ)償，電壓電流諧波等參數(shù)測量，數(shù)據(jù)統(tǒng)計存儲以及以太網(wǎng)接口等功能，使用該控制器和后臺 PC軟件可構(gòu)建遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)電能質(zhì)量的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

1 總體設(shè)計方案

1.1 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)主要由4個部分組成，無功補(bǔ)償控制器，以太網(wǎng)模塊，遠(yuǎn)程PC終端以及輸出控制單元部分。控制輸出單元是TDS系列智能電力電容器，可實現(xiàn)就地?zé)o功補(bǔ)償。以太網(wǎng)模塊主要實現(xiàn)電網(wǎng)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸。遠(yuǎn)程 PC終端實現(xiàn)了遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的監(jiān)視，遠(yuǎn)程設(shè)置參數(shù)，歷史數(shù)據(jù)采集，遠(yuǎn)程電容器控制等功能。無功補(bǔ)償控制器的設(shè)計是本文的重點(diǎn)。

1.2 無功補(bǔ)償控制器設(shè)計

如圖2所示，無功補(bǔ)償控制器主要由以下8個模塊組成，各模塊的主要作用分別為：

圖2 無功補(bǔ)償控制器組成框圖

1）電源模塊。將電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)換成芯片可用的工作電源，通信電源等。

2）數(shù)據(jù)采集模塊。完成電網(wǎng)數(shù)據(jù)信號的采集，主要包括三相電壓，三相電流。

3）數(shù)據(jù)處理模塊。主要完成電網(wǎng)有功、無功、功率因數(shù)，諧波總含量以及3～25次諧波分量的計算處理，諧波的計算采用FFT算法[7]。

4）顯示模塊。采用128×64點(diǎn)陣液晶，主要顯示電網(wǎng)參數(shù)以及工作狀態(tài)，電容狀態(tài)等。

5）數(shù)據(jù)存儲模塊。將電網(wǎng)參數(shù)的整點(diǎn)數(shù)據(jù)存儲起來，便于現(xiàn)場運(yùn)行情況的分析處理。這些數(shù)據(jù)既可通過上位機(jī)軟件招測，也可連接U盤將數(shù)據(jù)讀取出來，導(dǎo)入上位機(jī)。

6）網(wǎng)絡(luò)接口模塊。主要實現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)模塊的通信，這是實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的關(guān)鍵。

7）RS485模塊。主要實現(xiàn)了與 TDS智能電容器的通信，從而實現(xiàn)電容器狀態(tài)和信息的實時監(jiān)測與本體控制。

8）報警輸出模塊。為保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，當(dāng)過壓、欠壓、諧波過大等情況下，通知用戶發(fā)生故障及自動及時切除已投入電容。

2 硬件設(shè)計方案

無功補(bǔ)償控制器的主控芯片選擇意法半導(dǎo)體公司基于 ARM Cortex-M3內(nèi)核的 32位處理器STM32F103。硬件總體設(shè)計包括電源設(shè)計，復(fù)位電路，晶振模塊，JTAG/SWD接口，人機(jī)接口，采集部分，RS485，SPI網(wǎng)絡(luò)接口及存儲設(shè)備等。

2.1 主控芯片

STM32F103最高可工作在 72MHz,包含 5個USART，兩個DMA控制器，3路SPI，3個ADC，ADC包含16路通道，提供電壓檢測器，提高了抗干擾能力，可保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行[8]。

2.2 晶振模塊

晶振主要提供主控芯片的時鐘信號，W5200的工作時鐘是由 STM32的軟件控制的。STM32內(nèi)部雖自帶RC振動器，可產(chǎn)生8 MHz時鐘，但精度較差。因此選用外接獨(dú)立晶振提供8 MHz時鐘源。

2.3 電源設(shè)計

運(yùn)行現(xiàn)場不可能直接提供芯片的工作電源，就需要進(jìn)行電源轉(zhuǎn)換。設(shè)計采用傳統(tǒng)電源設(shè)計模式：220V交流電壓通過變壓器變壓，整流橋整流，電容濾波，最后穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓后輸出直流電源。穩(wěn)壓芯片選用ASM1117，電壓轉(zhuǎn)換成3.3 V直接給STM32與W5200供電。

2.4 采集部分

由于STM32具有12位ADC采樣，采樣速度最快可達(dá)到 1μs采集一次，精度也可保證，因此，直接將電網(wǎng)信號準(zhǔn)換成 STM32口線可以采集的信號接到STM32口線上。

采集的具體流程圖如圖3所示。

圖3 電網(wǎng)信號采樣流程圖

電信號經(jīng)過互感器采樣后，加上濾波放大電路和電壓轉(zhuǎn)換電路后轉(zhuǎn)換為電壓信號，由于 STM32采集的模擬量范圍是 0～3.3V，所以要再經(jīng)過一個電壓偏移電路，加上基準(zhǔn)電壓，就形成 STM32所能處理的模擬量信號。濾波電路選用最簡單的 RC濾波電路，主要濾除外界對電網(wǎng)信號造成的干擾。電網(wǎng)信號的檢測采用電流、電壓互感器實現(xiàn)。

2.5 復(fù)位電路

復(fù)位電路可靠性是整個系統(tǒng)運(yùn)行正常的關(guān)鍵。本系統(tǒng)采用了常規(guī)的阻容復(fù)位和芯片MAX706S結(jié)合的復(fù)位方式。系統(tǒng)采用了雙看門狗方式，一個為STM32的內(nèi)部獨(dú)立看門狗，一個為MAX706S提供的硬件看門狗。由于W5200的工作電源需要3V以上，而STM32只需2V就可正常工作，此時MAX706S提供的低電壓復(fù)位信號起作用，這樣就保證了系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

2.6 SWD接口

為便于主控芯片程序的調(diào)試和下載，就需要設(shè)計調(diào)試接口。較JTAG接口，SWD接口簡單，只需兩根口線就可以實現(xiàn)，接口電路如圖4所示。

圖4 SWD接口電路

2.7 SPI網(wǎng)絡(luò)接口

由于W5200集成了TCPIP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)控制器，對軟件設(shè)計人員水平要求不高，通過SPI接口就可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接，比較適合單芯片實現(xiàn)TCPIP協(xié)議棧、10/100M以太網(wǎng)MAC和PHY。W5200 內(nèi)部有32K的存儲器用于通信數(shù)據(jù)的存儲，通過簡單的端口編程，用戶可實現(xiàn)以太網(wǎng)通信，而不必要處理復(fù)雜的以太網(wǎng)控制。W5200的SPI接口可以支持高達(dá)80MHz的時鐘[9]。

圖5 網(wǎng)絡(luò)模塊結(jié)構(gòu)圖

模塊的結(jié)構(gòu)如圖5所示，ARM芯片提供了時鐘信號，復(fù)位信號，控制信號，RJ45接口提供了以太網(wǎng)通信接口，網(wǎng)絡(luò)指示燈指示網(wǎng)絡(luò)的工作狀態(tài)。

W5200支持8個獨(dú)立的端口同時工作，可以實現(xiàn)同一無功控制器通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)受控于多臺上位機(jī)終端。

2.8 串口通信模塊

為了實時采集多臺電容器的實時工作狀態(tài)及其電容器信息，同時實現(xiàn)電容器的實時控制，為保證數(shù)據(jù)通信的可靠性，采用傳統(tǒng)的RS485通信。

同時，無功補(bǔ)償控制器備用了兩個RS232接口，可用來連接GPRS模塊實現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和電表數(shù)據(jù)采集。

3 軟件設(shè)計方案

3.1 開發(fā)環(huán)境（MDK）

MDK開發(fā)平臺是一個針對ARM處理器的專用集成開發(fā)環(huán)境。可以使用 C/C++和匯編語言方便開發(fā)應(yīng)用程序。MDK的在線調(diào)試與仿真，對軟件開發(fā)具有很大的幫助。

3.2 軟件設(shè)計

整個系統(tǒng)的軟件流程圖如圖6所示。

圖6 軟件流程圖

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括 ARM 的應(yīng)用程序的開發(fā)和 μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)[10]的移植兩個基本部分。ARM的應(yīng)用程序主要包括數(shù)據(jù)測量、顯示程序、數(shù)據(jù)存儲程序、USB數(shù)據(jù)讀取程序、按鍵掃描處理程序、電容器通信、網(wǎng)絡(luò)通信程序、電容器控制和程序和報警輸出程序等。μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)是協(xié)調(diào)STM32對程序的任務(wù)管理和調(diào)度。

3.3 終端PC軟件

上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控 PC軟件開發(fā)環(huán)境采用 C++Builder和SQL數(shù)據(jù)庫結(jié)合設(shè)計。C++ Builder集成開發(fā)環(huán)境提供了可視化窗體設(shè)計器，集成編輯器和調(diào)試器等系列可視化快速應(yīng)用程序開發(fā)估計，程序員可輕松建立和管理自己的程序和資源。SQL數(shù)據(jù)庫用來將采集的數(shù)據(jù)實時存儲起來，便于以后查詢與現(xiàn)場故障分析等[11]。

PC與無功補(bǔ)償控制器之間采用標(biāo)準(zhǔn)的電網(wǎng)101規(guī)約進(jìn)行通信，便于接入已成型的智能電網(wǎng)中，實現(xiàn)了電網(wǎng)數(shù)據(jù)的遙測，設(shè)定參數(shù)的遙調(diào)和電容器狀態(tài)遠(yuǎn)程顯示及遠(yuǎn)程控制。

如圖7所示，PC與無功控制器聯(lián)機(jī)正常運(yùn)行的實際情況，可見實時現(xiàn)場的電網(wǎng)參數(shù)基本上都可以監(jiān)測到，三相功率因數(shù)均達(dá)到0.93以上，也取得較好的補(bǔ)償效果。

圖7 上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件運(yùn)行圖

經(jīng)過一段時間的實際運(yùn)行，運(yùn)行情況良好，電網(wǎng)功率因數(shù)達(dá)標(biāo)，證明該設(shè)計方案是切實可行的。

4 結(jié)論

本文以 STM32為主控芯片，設(shè)計了一種控制器，具有無功補(bǔ)償功能。同時，通過驅(qū)動W5200網(wǎng)絡(luò)控制芯片實現(xiàn)了電網(wǎng)參數(shù)的實時遠(yuǎn)程監(jiān)控與電容器的遠(yuǎn)程控制。該網(wǎng)絡(luò)接口硬件設(shè)計簡單，成本低，開發(fā)周期短，便于應(yīng)用。而電網(wǎng)的長期在線監(jiān)測，有利于電網(wǎng)的維護(hù)與故障分析。

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