基于W5200的電能質量遠程監控系統設計

2012-06-22 07:29:34馮國偉

電氣技術 2012年8期

夏文馮國偉夏武

（江蘇省現代電力無功控制工程技術研究中心，江蘇南通 226006）

隨著電力電子技術的不斷發展，電力電子設備得到了廣泛應用，使得電網負荷中的感性負載占很大比例，如變壓器，電動機等，同時也產生了電網諧波[1]。無功功率會增加設備容量以及線路損耗，同時沖擊性無功功率負載還可能引起電壓劇烈波動，使得電網質量嚴重降低[2]。而諧波的危害更大，諧波使得元器件產生附加的損耗，此外諧波可能影響各種電氣設備的正常運行，如機械振動、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，嚴重時發生爆炸，發生事故。同時也可能影響鄰近系統的數據通信，嚴重時系統無法正常通信[3-4]。

為了保證電網安全穩定運行，必須綜合治理這些影響電網的關鍵因素。治理的關鍵是對電網參數的實時準確的監測與分析。電網參數的通信方式比較多，主要有串口通信接口，USB接口，GPRS以及網絡接口等[5]。以太網通信傳輸速率高，便于實時數據通信，從而進行數據分析，減輕現場工作強度，對電網長期運行評估預測意義重大[6]。

本文基于ARM和W5200設計了一種無功補償控制器，其具有無功補償，電壓電流諧波等參數測量，數據統計存儲以及以太網接口等功能，使用該控制器和后臺 PC軟件可構建遠程監控系統，實現電能質量的遠程監控。

1 總體設計方案

1.1 遠程監控系統設計

遠程監控系統的組成結構如圖1所示。

圖1 系統組成結構圖

系統主要由4個部分組成，無功補償控制器，以太網模塊，遠程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，可實現就地無功補償。以太網模塊主要實現電網數據的網絡傳輸。遠程 PC終端實現了遠程數據的監視，遠程設置參數，歷史數據采集，遠程電容器控制等功能。無功補償控制器的設計是本文的重點。

1.2 無功補償控制器設計

如圖2所示，無功補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 無功補償控制器組成框圖

1）電源模塊。將電網電壓轉換成芯片可用的工作電源，通信電源等。

2）數據采集模塊。完成電網數據信號的采集，主要包括三相電壓，三相電流。

3）數據處理模塊。主要完成電網有功、無功、功率因數，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點陣液晶，主要顯示電網參數以及工作狀態，電容狀態等。

5）數據存儲模塊。將電網參數的整點數據存儲起來，便于現場運行情況的分析處理。這些數據既可通過上位機軟件招測，也可連接U盤將數據讀取出來，導入上位機。

6）網絡接口模塊。主要實現與網絡模塊的通信，這是實現遠程監控的關鍵。

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

8）報警輸出模塊。為保證系統的安全穩定運行，當過壓、欠壓、諧波過大等情況下，通知用戶發生故障及自動及時切除已投入電容。

2 硬件設計方案

無功補償控制器的主控芯片選擇意法半導體公司基于 ARM Cortex-M3內核的 32位處理器STM32F103。硬件總體設計包括電源設計，復位電路，晶振模塊，JTAG/SWD接口，人機接口，采集部分，RS485，SPI網絡接口及存儲設備等。

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，可保證系統的穩定運行[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內部雖自帶RC振動器，可產生8 MHz時鐘，但精度較差。因此選用外接獨立晶振提供8 MHz時鐘源。

2.3 電源設計

運行現場不可能直接提供芯片的工作電源，就需要進行電源轉換。設計采用傳統電源設計模式：220V交流電壓通過變壓器變壓，整流橋整流，電容濾波，最后穩壓芯片穩壓后輸出直流電源。穩壓芯片選用ASM1117，電壓轉換成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，采樣速度最快可達到 1μs采集一次，精度也可保證，因此，直接將電網信號準換成 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 電網信號采樣流程圖

電信號經過互感器采樣后，加上濾波放大電路和電壓轉換電路后轉換為電壓信號，由于 STM32采集的模擬量范圍是 0～3.3V，所以要再經過一個電壓偏移電路，加上基準電壓，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信號造成的干擾。電網信號的檢測采用電流、電壓互感器實現。

2.5 復位電路

復位電路可靠性是整個系統運行正常的關鍵。本系統采用了常規的阻容復位和芯片MAX706S結合的復位方式。系統采用了雙看門狗方式，一個為STM32的內部獨立看門狗，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提供的低電壓復位信號起作用，這樣就保證了系統的正常運行。

2.6 SWD接口

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

圖4 SWD接口電路

2.7 SPI網絡接口

由于W5200集成了TCPIP協議的網絡控制器，對軟件設計人員水平要求不高，通過SPI接口就可實現網絡連接，比較適合單芯片實現TCPIP協議棧、10/100M以太網MAC和PHY。W5200 內部有32K的存儲器用于通信數據的存儲，通過簡單的端口編程，用戶可實現以太網通信，而不必要處理復雜的以太網控制。W5200的SPI接口可以支持高達80MHz的時鐘[9]。

圖5 網絡模塊結構圖

模塊的結構如圖5所示，ARM芯片提供了時鐘信號，復位信號，控制信號，RJ45接口提供了以太網通信接口，網絡指示燈指示網絡的工作狀態。

W5200支持8個獨立的端口同時工作，可以實現同一無功控制器通過網絡交換機受控于多臺上位機終端。

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及其電容器信息，同時實現電容器的實時控制，為保證數據通信的可靠性，采用傳統的RS485通信。

同時，無功補償控制器備用了兩個RS232接口，可用來連接GPRS模塊實現遠程數據采集和電表數據采集。

3 軟件設計方案

3.1 開發環境（MDK）

MDK開發平臺是一個針對ARM處理器的專用集成開發環境。可以使用 C/C++和匯編語言方便開發應用程序。MDK的在線調試與仿真，對軟件開發具有很大的幫助。

3.2 軟件設計

整個系統的軟件流程圖如圖6所示。

圖6 軟件流程圖

本系統的軟件設計主要包括 ARM 的應用程序的開發和 μC/OS-Ⅱ操作系統[10]的移植兩個基本部分。ARM的應用程序主要包括數據測量、顯示程序、數據存儲程序、USB數據讀取程序、按鍵掃描處理程序、電容器通信、網絡通信程序、電容器控制和程序和報警輸出程序等。μC/OS-Ⅱ操作系統是協調STM32對程序的任務管理和調度。

3.3 終端PC軟件

上位機遠程監控 PC軟件開發環境采用 C++Builder和SQL數據庫結合設計。C++ Builder集成開發環境提供了可視化窗體設計器，集成編輯器和調試器等系列可視化快速應用程序開發估計，程序員可輕松建立和管理自己的程序和資源。SQL數據庫用來將采集的數據實時存儲起來，便于以后查詢與現場故障分析等[11]。

PC與無功補償控制器之間采用標準的電網101規約進行通信，便于接入已成型的智能電網中，實現了電網數據的遙測，設定參數的遙調和電容器狀態遠程顯示及遠程控制。

如圖7所示，PC與無功控制器聯機正常運行的實際情況，可見實時現場的電網參數基本上都可以監測到，三相功率因數均達到0.93以上，也取得較好的補償效果。