基于單片機的配電管理系統研究

新鄉職業技術學院 翟秀麗 孫錫保

1.引言

隨著社會科技化、信息化、現代化的不斷發展，供電系統變得越來越重要，這樣也就推動了電力事業的迅猛發展及各種用電設備的相繼出現，用戶對電源的供電質量要求也愈來愈高，從而使得供電電源的可靠性已成為許多場合、許多設備的基本要求。因此，配電管理系統在電力管理控制中具有不可缺少的基礎地位，其工作的可靠性直接影響整個電力系統的可靠性。

2.系統需求分析

配電管理需要監測負載的電力參數，并根據控制中心的限定值來判斷負載支路是否異常，從而達到保證供電正常工作的目的，這樣配電管理系統性能的可靠性是很必要的，同時一定的數據計算能力也是必需的；考慮到配電管理必須要具備一定的擴展功能，以方便整個系統的更新升級。

針對上述要求，本系統的設計所采用的芯片均為工業級芯片，且增加抗干擾硬件及軟件設計；硬件核心選用MCU控制器，盡量選用低功耗芯片，合理控制外圍電路；支持串行通信和無線通信功能，預留一定的I/O控制端口方便以后擴展。

通過對現有配電自動化系統的需求分析，確定配電管理系統所需完成的基本功能，如下所述：

1)遙測功能：實時監測負載電流、電壓等模擬量，從而計算出其負載功率，從而獲得控制中心所需的各支路電力參數。

2)遙控功能：通過無線傳輸接收控制中心命令，并進行返送校核，根據設定額定值判斷是否需要開啟或是閉合繼電器輸出開關。

3)數據存儲與上傳功能：定時進行數據存儲并通過無線通信的方式傳輸到控制中心。

4)保護功能：當支路負載電流超過配置的額定電流時，主動切斷該支路的供電，以保護用戶用電安全和電源的正常工作，并存儲該信息以便控制中心查詢。

5)通信功能：具有RS485接口，可與其他設備之間進行通信，以達到整個系統的整體協作。

3.系統總體設計思想

本系統由配電管理和無線通信兩部分構成。配電管理部分又包含主控制器模塊、支路電流輸入模塊、支路輸出繼電器控制模塊、電源模塊。該系統是由控制中心將各支路的配電信息通過無線通信模塊與主控制模塊進行交互，由主控制模塊完成對各支路的負載額定功率的設定。同時主控制器通過支路電流值采集模塊獲取各支路的負載電流值，如果發現哪個支路的負載電流大于設定的額定值，則通過輸出繼電器控制模塊來切斷該支路的供電，以達到保護該支路的作用。并通過無線通信模塊將負載支路的信息告知供電中心，供電中心解決該支路的故障后再通知主控制器重新供電給該支路。

基于以上原則，所設計的配電管理系統由配電管理和無線通信兩部分組成。無線通信模塊直接采用已經非常成熟的ZigBee模塊?？紤]配電管理對功能性接口要求較高，而且存在著少量的計算任務，我們引入了一種高檔8位AVR單片機ATmega128。配電管理系統以ATmega128單片機和無線通信模塊為核心，配以適當的外圍接口電路來完成各項功能，主要包括：電流模擬信號采集及調理電路、支路輸出繼電器控制電路、系統電源與串行接口電路以及無線通信模塊等，如圖1所示。

4.系統詳細設計

配電管理系統采用RS485總線來實現與其它設備之間的串行通信。本次設計選用TI公司的SN75176完成RS485通信收發功能。主控制器的I/O口控制SN75176發送器和接收器的使能。當RS485接口發送數據時，主控制器通過設置I/O口的電平位來控制SN75176驅動器的輸出使能；反之，當RS485接收數據時，主控制器控制SN75176接收器的輸出使能。為了防雷和抗干擾，我們將SN75176的TXD引腳通過光耦隔離后與ATmega128的UART0的RX端相連；SN75176的RXD引腳通過光耦隔離后與ATmega128的UART0的TX端相連。同時主控系統通過信號轉換器與無線通信模塊相連，使主控系統和無線通信模塊建立通信機制。

由于系統要根據負載支路電流值的大小來做出相應的控制，所以需要采集負載支路的電流來做為判斷依據。這里我們采用直流采樣方式來對負載支路進行采樣監測。直流采樣是把交流電壓、電流信號經過各種變送器轉化為在一定范圍內變化的直流電壓，再由各種裝置和儀表采集。這種方法能夠對被測量的值進行采樣，從而獲得該支路的電流值。支路電流值采集模塊由兩個部分組成：模擬信號采集和A/D轉換。

1）模擬信號采集

圖1 配電管理系統硬件框圖

圖2 電流-電壓的轉換原理

圖3 支路輸出控制電路原理圖

模擬信號采集電路主要是把由霍爾電流傳感器感應到的支路電流信號轉換成A/D采樣范圍內的電壓值。如圖2所示，它是將三相電流中的單相轉換成電壓的電路原理圖，另外兩相的轉換也是同樣的轉換原理。其中，原理圖中的輸入端接霍爾傳感器的輸出端，輸出端接A/D轉換接口，通過可變電阻調節電流—電壓的轉換線性關系。

2）A/D模數轉換

ATmega128單片機的內部集成了10位精度的逐次逼近型的A/D轉換模塊ADC，內置采樣保持電路，0.5LSB的非線性度和±2LSB的絕對精度，最大采樣速率達到15Ksps，具有較強的抗干擾能力，能夠滿足本次設計的需求。

ADC與一個8通道的模擬多路復用器連接，能對8路單端輸入電壓進行采樣，同時它還支持16路差分電壓輸入組合。這里我們采用單通道的方式進行模數轉換，將待測的模擬電壓信號與ADC通道引腳相連即可，這樣也簡化了我們的設計。ADC通過逐次逼近的方法將輸入的模擬電壓轉換成10位的數字量。最小值代表GND，最大值代表AREF（參考電壓）引腳上的電壓減去1LSB。通過配置ADC多工選擇寄存器可以把AVCC或內部2.56V的參考電壓連接到AREF引腳。設計采用的方法是將AVCC作為外部參考電壓連接到AREF引腳。

系統的電源設計電源是設計系統中的重要組成部分，系統采用集成電路穩壓電源，電源模塊主要由變壓器、整流橋、7805、7815、7915和LM1117組成。其中7805、7815和7915是固定電壓輸出的集成三端穩壓器，用一塊7815和一塊7915三端穩壓器對稱連接的雙電源（正負對稱電源）沒有連續可調的功能，但是可以外接電阻實現輸出電壓值可各自單獨調節。而LM1117為三端可調的電壓穩壓器，其輸出電壓由外部分壓電阻確定，由該穩壓器提供ATmega128單片機所需的3.3V電壓。那么我們就直接選用其中的LM1117T-3.3的型號，其分壓電阻集成在內部，輸出為3.3V直流電壓。

支路輸出控制模塊的主要功能就是根據主控系統的控制信息對開關進行開合控制，從而達到控制電源的供給功能。

開關控制電路在電力監測中，常用繼電器驅動開關設備，為了保護數字電路，多采用光電隔離措施。信號經過光電隔離后，通過達林頓驅動器驅動繼電器，從而達到控制外部開關的目的。本控制模塊采用ST公司的ULN2003驅動八路繼電器，用于配電開關控制，如圖3所示。

系統的軟件部分可分為：初始化模塊；A/D轉換模塊；數據處理與輸出控制模塊；無線通信模塊等，另外整個軟件還包括4個中斷，即2個定時器中斷、ADC中斷和串口中斷。其中1個定時器中斷用于各支路配變電參數進行控制分配的定時，另外1個定時器中斷用于定時向控制部門上傳數據；串口中斷用于單片機同無線通信模塊之間數據的收發；ADC中斷用于信號的采集。本系統設計的主程序的任務是將幾個功能模塊聯結成一個整體，處理各個功能模塊之間的調度，實現系統的穩定高效運行。

5.結束語

單片機如今已經深入應用到生活生產實踐中，本文主要從硬件方面探討了如何利用單片機實現配電管理，為我們的生活生產提供便利。

[1]李肖莎.基于AVR單片機的高壓配電柜智能操控裝置[J].中小企業管理與科技,2011(15):271.

[2]李衛東,方自力,王海金等.多用戶電能采集終端的研制[J].電力自動化設備,2000,20(4):49-51.