基于ABC三相電的電網監測系統監控終端的設計

摘要：為了有效解決遠程實時監測電網線路的ABC三相電溫度和周邊環境情況，實現電網的智能預警，減少人力和物力資源的投入及人工監控的弊端，設計了電網監測系統。該系統在嵌入式Linux操作系統基礎上，采用GPRS無線通信技術，通過基于ARM9的S3C2440A處理器對采集的傳感器信息進行處理，實現智能實時監控，不僅保障用電單位的用電處于安全狀態，而且也為整個電網的安全經濟運行創造了條件。電網監測系統分為主控中心和監控終端兩部分。本文主要討論監控終端設計。本文網絡版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/192734.htm

關鍵詞：Linux；ARM9；電網監測；監控終端

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2013.12.009

引言

當前，電網龐大復雜，輸電設施多在距離人們居住地方較遠的山上、陡坡等處架設，一方面管理人員不易對故障設施檢測并修復，另一方面很容易對管理人員的人身安全帶來威脅。尤其在較寒冷的冬天，電力工作人員須在冰冷、濕滑的環境下，對電網設施進行清冰、檢測等工作，很容易出現安全事故[1]。

針對上述安全問題，以及在國家大力發展智能電網的環境下，本文設計了一種新型的輸電設施監控系統。通過本系統，可以自動地對輸電設施進行全天候的監控，如果監測到輸電設施各個參數的數據有異常，系統會將警報信息自動發回給遠端的服務器系統，實現實時監控。

系統設計

本系統主要采用了以ARM9為核心的TQ2440開發板作為數據處理平臺，并分為兩部分：主控中心與監控終端，本文主要討論電網監測系統的監控終端設計。在監控終端處，主要對電網的A、B、C三相電電力線纜接頭處的溫度和電網塔桿的角度進行監測，同時對外界環境中的溫度、濕度、風速、陰晴度進行了監測。并利用GPRS無線通信技術，將各個傳感器采集到的數據發送回主控中心，主控中心再進行相關的處理。考慮監控終端野外工作的特性，采用了太陽能電池板進行供電，同時也實現了太陽能自動跟蹤系統，保證了監測設備供電的特殊性。

監控終端功能設計

監控終端設計主要采用S3C2440作為處理器，并結合了TLC2543 AD轉換芯片、風速傳感器、濕度傳感器、鉑電阻（PT100）、溫度傳感器和角度傳感器對電網上的電力線纜的ABC三相電接頭處溫度和塔桿的傾斜角度以及外界環境的溫度、濕度、風速進行監測，并通過GPRS無線傳輸技術將數據傳回主控中心。監控終端系統模塊圖如圖1所示。

A、B、C三相電溫度檢測

高壓線纜表面溫度測量，對傳感器的要求比較苛刻。本系統采用的傳感器件為WZP型Pt100鉑電阻，具有抗震動、穩定性好、準確度高等特點，滿足這一特殊環境使用要求。測量電路主要包括三個部分：恒流源電路、模擬信號放大部分、AD轉換部分。恒流源電路利用運放原理[2]搭建，輸出端接鉑電阻接反相輸入端形成負反饋，利用基準電壓源芯片LM336得到2.5V電壓接精密電阻到運放負向輸入端，由虛短虛斷的原理可知流過鉑電阻電流大小等于流過精密電阻的電流，實測恒流效果較理想。放大部分采用AD620（標準三端運放）運算放大器，外接合適的增益電阻，可實現0～1000倍的增益放大，使用簡單。數模轉換采用12位AD轉換芯片TLC2543，對模擬信號進行轉換后，送處理器進行數據處理。設計的運算放大器放大增益為20，可實現-100℃到+100℃的準確測量，完全滿足實際使用要求。三相線表面溫度測量原理設計圖如圖2所示。

溫度、風速、角度測量

溫度測量采用的是DS18B20傳感器，該傳感器獨特的單線接口方式，在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現微處理器與DS18B20的雙向通訊，測溫范圍-55℃～+125℃，固有測溫分辨率0.5℃。工作電源：3～5V/DC，在使用中不需要任何外圍元件，為保障數據的穩定傳輸，串接4.7kΩ上拉電阻來提高驅動能力。

對于風速的測量，有些風速傳感器需要外接電源，輸出精度相對較高，如果直接放置外界測風速，會受高壓電網環境強電磁場的影響，精度自然會降低。本系統采用自發電式風速傳感器，殼體用工程塑料制作，輕便的同時，防環境雷擊和電場等破壞。不需要外接電源，可實現0～5V模擬電壓信號輸出，輸出穩定，測量風速范圍在0～12級之間，精度誤差3%，輸出模擬信號連接AD轉換芯片送給處理器處理。

角度測量采用MMA7455 傳感器，MMA7455 是一款數字輸出（I2C/ SPI）、低功耗、緊湊型電容式微機械加速度計，具有信號調理、低通濾波器、溫度補償、自測、可配置通過中斷引腳（INT1或INT2）檢測0g、以及脈沖檢測（用于快速運動檢測）等功能。0g 偏置和靈敏度是出廠配置，無需外部器件。可使用指定的0g寄存器和g-Select 量程選擇對0g 偏置進行校準， 量程可通過命令選擇3個加速度范圍（2g/4g/8g）。MMA7455數字三軸加速度傳感器模塊核心為飛思卡爾公司的MMA7455L數字三軸加速度傳感器，該模塊設計使用官方推薦設計，板卡線路經過高電磁兼容設計和優化，具有輸出精確，體積小，工作可靠，各種標識清晰，擴展性好等特點。

A、B、C三相電接頭溫度采集的驅動程序設計

采用S3C2440作為監控終端的處理器，通過編寫Linux驅動程序[3]，實現了各種傳感器的數據采集。并通過GPRS無線傳輸技術，傳回給主控中心。在Linux驅動開發中，驅動框架模板中結構體static struct file_operations armirc_fops = {？}非常重要，它完成了將驅動函數映射為標準接口[5]。對電網電力線纜接頭處的溫度監測，主要采用了熱歐電阻PT100，它的阻值會隨著溫度的變化而改變。PT后的100即表示它在0℃時阻值為100歐姆，在100℃時它的阻值約為138.5歐姆。在這里主要通過TLC2543[4]實現對數據的采集。

程序設計主要是對TLC2543進行通道選擇，并且對數據的讀取，每次轉換和數據傳遞可以使用12或16個時鐘周期得到全12位分辨率，可以使用8個時鐘周期得到8為分辨率，在這里采用了12個時鐘周期得到12位分辨率。一個片選（CS）脈沖要插到每次轉換開始處，或是在轉換時序的開始出變化，此后保持CS為低，直到時序結束。每次專屬和數據傳遞使用12個時鐘周期和在每次傳遞周期之間插入CS的時序，即進行一次轉換操作一次CS時序。

從圖3中可以看出，在TLC2543的CS變低時開始數據轉換盒數據傳送，CPU將選擇通道、數據長度選擇。前導選擇、單雙極性選擇的控制信息送入輸入腳的同時，還從輸出腳讀出AD的轉換結果。在I/O CLOCK上升沿時數據變化，即I/O CLOCK低電平時將要寫入的輸入數據準備好，當I/ O CLOCK高電平時讀取輸出數據，當CS為高時，I/O CLOCK 和輸入被禁止，輸出為高阻態，不能操作。

當上述準備工作做好后，發現AD轉換器只能對其中的一個通道進行數據的正確讀取，當多用了幾個通道號，發生了通道串位的問題，為了解決這種情況的發生，在數據轉換開始時多加了一個for循環，這個循環只能循環三次，這樣通道串位的問題就可以解決。在這里利用了TLC2543的五個通道，其中通道0、通道1、通道2是接收熱歐電阻PT100發送的數據。其他兩個通道原理相同。

利用dianya=（foat）dian/0x0ff*4.42這個公式計算出來電壓值。再利用dianzu=dianya1*32這個公式計算出相應的電阻對應的電阻值。最后根據WZP型鉑熱電阻（Pt100）分度特性表計算出公式wendu1[i]=（dianzu1[i]-100）/0.385后，得到了相應的電阻對應的溫度。

結束語

本文闡述了ABC三相電智能電網監測系統監控終端的設計實現，該系統經過測試，達到了預期的監測效果和實時速率要求。通過布設監控終端，免除了人工監測的弊端，降低了了整個電網的運營成本，系統易于維護和升級，使電網輸電環節智能監測的準確性、實時性以及穩定性得到了極大的改善。但由于電網設備結點大部分都處于位置比較偏僻、人很難接近的地方，所以還需完善，進一步提高穩定性，同時還可實現監測結點的視頻監控，以及對輸電線浮冰厚度的檢測等。

參考文獻：

[1] 曹軍威，萬宇鑫等.智能電網信息系統體系結構研究[J].計算機學報，2013，36，（1）：144-161

[2] 湯普森.實用模擬電路設計[M].北京：人民郵電出版社，2009

[3] 韋東山.嵌入式Linux應用開發完全手冊[M].北京：人民郵電出版社，2007

[4] TLC2543 Datasheet[Z/OL].http：//www.ti.com.2005

[5] 陳莉君.Linux操作系統內核分析[M].北京：人民郵電出版社，2000