智能型網絡電壓檢測儀的設計

廖雪松 曹 銘

（1.國家電網江西電力贛州供電分公司，江西 贛州 341000；2.南昌大學機電工程學院，江西 南昌 330031）

0 引言

近年來，電力系統發展很快，電力供求關系發生了轉變，用戶對電力系統的要求越來越高，在要求少停電、不停電的情況下，對電網的電能質量也提出了更高的要求，為了保證電能質量,國家要求對電壓、諧波、頻率、不平衡度、閃變等五大電能質量指標進行實時監測統計。而電壓質量是電能質量的重要指標之一，電網電壓質量合格率已作為供發電部門考核的重要指標之一[1]。

電壓監測統計儀先后經歷了手工數據采集、IC卡數據采集、GSM短信數據采集等3個發展階段。無論哪一代產品都存在有數據采集效率低，數據量小，通信不甚可靠等缺點。GSM網絡通訊也存在許多不足之處,比如實時性差；通信流量較小,不適宜大數據量通訊；按條收費,運行費用高.第四代產品設計包括GPRS電壓檢測儀與以太網電壓檢測儀兩個系列，構成了一個完善的無線及INTERNET在線監測網：在大用戶處采用短信通信方式，不受地域的限制。在變電站采用以太網通信方式,多個電壓監測儀共用一個IP地址，不過多占用變電站的網絡資源，不影響變電站的安全運行；本文先著重介紹后者的設計方案。

1 系統組成及原理

系統采用分層、分布式結構，包括3層：一層是安裝運行于大用戶處的GPRS型電壓監測統計，該層監測儀通過GPRS網絡與采集裝置交換數據，另一層是系統主站：系統主站通過以太網或GPRS采集裝置從電壓監測統計儀收集并存儲所有電壓、諧波統計數據，并可通過系統網絡實現WEB瀏覽，向多級終端用戶提供實時及統計分析信息。最后一層是安裝于供電分公司的管理工作站。數據存入監控中心服務器統一管理，各個工作站可以按權限瀏覽[2]。

1.1 以太網電壓檢測儀

以太網電壓監測儀是系統的前端采集設備，具體負責變電站內電網電壓數據的采集，采用以太網傳送數據，數據傳輸速度快，可實現對電壓、諧波的遠程實時監測；可通過網絡實現遠程參數下裝與故障恢復。

1.2 以太網絡

圖1 電壓監測儀系統組成結構

以太網(Ethernet)是目前應用最為廣泛的基帶總線局域網。以太網的核心技術是它的隨機爭用型介質訪問控制方法,即帶有沖突檢測的載波偵聽多路訪問(CSMA/CD)的介質訪問控制技術。隨著計算機技術和通信技術的發展,尤其是網絡技術的應用,以太網技術正被引入變電站自動化系統過程層的采集、測量單元和間隔層保護、控制單元中。因此利用變電站現有的網絡來完成變電站內部的電壓監測儀數據傳遞可行性較高。

2 以太網電壓監測儀的硬件結構與功能

本文設計的電壓監測儀的結構框圖如圖2所示：

2.1 CPU的選擇

SST89E516RD是SST公司出產的一款基于8051內核的8位單片機。它最大的特點是具有在線調試和在線下載功能，為工程開發中的調試提供了極大的方便。該芯片中含有1KB的RAM和64KB+8KB的內置可擦除程序存儲器ROM。其程序存儲器達到了51內核結構單片機尋址的最大范圍，能夠滿足大容量程序存儲的要求[3]。

芯片在5V電壓時可工作在0～40MHz具有三個16位的定時計數器，

SST89E516RD在5V電壓時可工作在0～40MHz和3V具有8個中斷源，4個優先級，具有可編程看門狗定時器 （WDT）。商用級SST89E516RD可工作在0～70℃，而工業級SST89E516RD則可工作在-40℃～+85℃的溫度范圍內，可以極大地消減惡劣環境對它的影響。

2.2 RAM的選擇

鐵電存儲器將ROM的非易失性數據存儲特性和RAM的無限次讀寫、高速讀寫以及低功耗等優勢結合在一起,為智能儀表的開發提供了便利。能有效地解決突然斷電數據丟失的問題。

圖2 電壓監測儀硬件原理框圖

FM31256采用工業標準的I2C總線,14腳SOIC封裝,其內部具有256Kb的串行FRAM,可按字節讀寫,讀寫方式與SRAM一樣,速度快,CLK的速度達到1MHz,沒有寫等待,讀寫次數無限次,功耗低,靜態電流低于1μA,讀寫電流低于150μA。原理圖如圖5所示。

2.3 以太網通訊接口設計

設備采用10BASE-T布線標準通過雙絞線進行以太網通訊，而RS8019S內置了10BASE-T收發器，所以網絡接口的電路比較簡單。通過ADDR15、I/OW、I/OR來劃分其他芯片和RAM芯片62256的地址空間。ADDR15接62256的CE腳，低電平時選擇62256；高電平時選擇74LS138譯碼器。ADDR14、ADDR13、ADDR12三根地址總線用來接138譯碼器地址輸入端，譯碼器輸出端低電平有效，用來劃分以太網控制器RTL8019、時鐘芯片DS12887、A/D轉換器、LCD等模塊的地址空間。

圖3 以太網接口設計

RTL8019AS外接一個隔離LPF濾波器0132，TPIN±為接收線，TPOUT±為發送線，經隔離后分別與RJ-45接口的RX±、TX±端相連。時鐘電路通過T1、T2接一個20MHz晶振以2個電容，實現全雙工方式。LED0、LED1各接一發光二極管以反映通訊狀態。

2.4 AD采集方案

測量電路由互感器、濾波電路、采保、A/D轉換器組成。電網二次回路電壓經互感器PT降壓后得到0～5 V(有效值)輸入電壓。經一阻容濾波網絡濾波后,進入LF398,由AD574采集。使用了三態鎖存器74LS373和74LS00與非門電路，邏輯控制信號由( 、 和A0)有8051的數據口P0發出，并由三態鎖存器74LS373鎖存到輸出端Q0、Q1和Q2上，用于控制AD574A的工作過程。

3 軟件系統設計的關鍵技術

3.1 主程序流程

圖4 主程序設計流程

電壓監測儀能否正常工作,除了與硬件的設計是否合理有關外,與嵌入式軟件的設計好壞也是分不開的。嵌入式軟件采用keiluV ision3軟件作為IDE,使用C語言編程。程序采用模塊化設計,不但增加了程序的可讀性和移植性,而且編程時使用起來也很方便。

3.2 通訊驅動設計

電壓監測儀要接入以太網，必須在處理器中嵌入TCP/IP協議。由于單片機的資源有限，所以網絡協議根據嵌入式應用的需求作了裁剪，只需使用ARP、RARP、IP、UDP等部分協議，即可保證單片機接入以太網，同時保證了足夠小的代碼量。

其中reg00～reg0f代表其內部寄存器，分別對應單片機的8000H-801FH地址段。

RTL8019AS芯片內部有32個I/O寄存器，分為page0-page3共4頁。系統上電后必須初始化才能正常工作。

由于網絡電壓檢測儀安裝在變電站，變電站網絡設備繁多、廣播報文較多、傳輸數據量過大，會使單片機頻繁產生中斷處理以太網中數據包，由于單片機主要任務是采集電壓并進行統計運算，所以會經常產生傳輸延遲，甚至丟包，因此一定要將RTL8019AS設置成只接收與自己的地址一樣的數據包，其他目的地址的被丟棄（包括廣播和組播包）。而單片機只需要定時向上報告自己的IP地址和物理地址，這樣設置幾乎沒有傳輸延遲、丟包現象，基本不會影響抄表系統在變電站復雜網絡環境中的正常工作。

4 結論

本文介紹的基于以太網的遠程抄表系統解決了傳統抄表方法中存在的許多問題，并且具有傳輸速率快、方便易用等很多優點。給出了整體設計方案并描述了其工作過程和關鍵技術,證明了該系統的可行性和優越性。提出的這種新的基于以太網的分布式遠程抄表系統結構,使系統具有兼容性強、功耗低、容易升級和維護等特點，但是增加以太網電壓監測儀所存在的網線布置問題在是變電站內需要考慮的，后期可以通過考慮使用WIFI版的監測儀解決該問題。總之，本文設計的監測儀在實際應用中的可靠性和穩定性較高，值得推廣應用。

［1］王文珍,高宏,張萍.一種基于MSP430單片機技術的新型電壓監測儀[J].山西電力,2007(05).

［2］陸東生,陳林.新型電能質量監測儀的研制[J].自動化與儀表,2004(01).

［3］王忠,杜傳利.基于SST芯片遠程升級方案的設計與實現[J].電子測量技術,2007(12).