低壓配電監測系統的設計與實現

李金龍

摘 要：目前我國的大部分低壓配電線路的智能化程度較低，一般僅采用綜合保護器或塑殼斷路器進行故障保護，導致供電可靠性較差，靈活性也不夠高，是電力系統中的薄弱環節。本文根據目前低壓配電建設的實際情況，設計開發出一種監測系統，該系統具有測量負荷、相電壓、相電流、諧波電壓、諧波電流、電壓波動記錄以及告警提示等功能。本系統采用的電流傳感器為開合式電流互感器，不需要破壞原有的電力線路；本系統采用的通信模塊與通信管理機之間為無線傳輸方式，不需要敷設通信線路。總的來說，具有安裝維護靈活，使用簡單方便等特點，提高了供電可靠性，達到了保障經濟效益的目的。

關鍵詞：低壓配電；監測系統；無線通信

中圖分類號：TM764 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）17-0164-03

智能電網已經成為全球電網發展和進步的大趨勢，歐美等發達國家已經將其上升為國家戰略。智能電網技術體系涵蓋發電、輸電、變電、配電、用電和調度等多個環節，我國配電具有線路結構復雜，環境多樣變化，故障頻繁，復雜，維護工作量大等特征，因此實施配電線路監測系統是非常有必要的。

監測系統融合了傳統的電力傳感測量技術，并與故障定位、無線通信、計算機系統集成等技術相結合，不僅可以自動監測線路的運行狀況，還能夠根據順序事件記錄、波形記錄、故障錄波進行故障判斷和故障指示，協助運維人員，實現快速故障分析，快速定位故障出線，快速搶修和維護，減少停電時間；提高用戶供電可靠性，提高配電系統的自動化水平，實現可靠、安全、高效的配電、用電。

1 系統的組成及性能參數

1.1 監測系統的總體框圖

低壓配電監測系統主要由傳感器、數據采集處理單元、通信管理單元、顯示終端幾部分組成。其中傳感器產生模擬量信號；數據采集單元主要完成傳感器信號的采集處理和短距離無線傳輸；通信管理單元主要完成短距離無線傳輸數據的整合（一路通信管理單元可與多路數據采集處理單元組合）并通過有線或GPRS傳輸到顯示終端；顯示終端可以是手機或電腦，將接收到的數據進行存儲、在軟件界面上顯示等。總體框圖如圖1所示。

1.2 數據采集處理單元原理框圖

數據采集處理單元以STM32F103處理器為核心，外部擴展電能計量芯片、FLASH存儲芯片、無線和紅外通信接口電路、狀態顯示電路、運放調理電路等。外部AC220V電源經過降壓后輸出DC5V電源供系統使用，再經過DC/DC電源模塊轉為±5V供電流傳感器使用。數據采集處理單元原理圖如圖2所示。

1.3 數據采集處理單元主要功能

交流采集與報警：每周期32點的數據，采集三相電壓、電流及溫度數據，使用FFT算法計算出有效值用于報警及故障信息的判斷，采集通道使用通道系數校正，校正系數存儲于Flash芯片中。報警信息包括線路故障、失壓、欠壓、過壓、斷相、全失壓、電壓逆相序、電流逆相序、電壓不平衡、電流不平衡、失流、過流、斷流、潮流反向、過載、掉電、需量超限、總功率因數超限、溫度報警等。

計量功能：采用鉅全光電ATT7022EU計量芯片實現裝置全測量數據的采集，芯片可以通過功率增益、相位校準以及電壓、電流的校準達到技術要求指標。可以實時采集三相電壓、三相電流、三相及合相有功、無功以及視在功率、功率因數、功率方向、頻率、三相及合相有功、無功電能累計，可以進行最多41次的諧波數據分析。

數據通信：紅外通信支持就地維護，可以讀取全部數據并對參數進行設置，Modbus協議，主從式結構；無線通信與通信管理機實時交互，支持Modbus協議，主從式結構，通信管理機通過輪詢方式，實時接收數據及報警信息，并對裝置進行對時。

大容量數據存儲：采用64Mb SST25/26系列閃存芯片，對于電能累計數據、事件記錄、負荷記錄以及故障錄波數據進行存儲，裝置校正系數及整定參數也保存在此芯片中，大于100000次的可擦寫次數保障壽命10年以上。

電流和電壓傳感器：電流傳感器采用開合式霍爾電流互感器，該互感器采用開合設計，安裝、拆卸都非常方便，同時具有頻率特性好，結構簡單等優點；電壓傳感器采用電阻分壓方式，電阻分壓方式可以最大限度的還原原有的電壓特性，線性度和溫度特性都很好。

2 硬件系統的組成

2.1 處理器模塊

該模塊采用意法半導體公司主流的ARM處理器STM32F103為主控芯片，外擴大容量FLASH、WATCHDOG等電路。該模塊的功能是完成信號采集、數據計算、故障判斷、數據存儲和通信處理等。

2.2 電源模塊

該模塊一共含3片電源芯片，分別為AC/DC芯片、DC/DC芯片、LDO芯片。其中AC/DC芯片將交流的220V電壓轉換為直流的5V電壓；DC/DC芯片將5V電壓轉換為傳感器需要的±5V電壓；LDO芯片將5V電壓轉換3.3V電壓，供數據采集處理單元使用。

2.3 計量采集模塊

該模塊使用ATT7022電能專業計量芯片實現電能采集、計量和諧波分析，計量芯片采用SPI接口與主控芯片進行通信，方案成熟，使用方便。

2.4 模擬量轉換模塊

該模塊將電壓電、流信號轉換為處理器AD通道使用的電平信號，數據采集處理單元共有6路模擬量采集通道，分別為三相電流和三相電壓。

2.5 通信接口模塊

數據采集處理單元具有紅外和433M兩種無線通信方式，紅外通信用于本地調試和參數整定；433M通信用于數據上傳和遠程控制。

2.6 狀態顯示模塊

狀態顯示電路采用6個LED進行顯示，各條線路狀態和裝置運行情況可以在顯示面板上進行顯示。

3 軟件系統的組成

3.1 處理器軟件主要處理流程

按照任務的優先順序和無操作系統單片機程序的特點，把主要程序架構分為前臺主運行循環和后臺中斷任務。主循環包含采集數據的分析、存儲等，中斷任務包含2個，分別為1毫秒中斷和采樣中斷。其中1ms中斷用于產生系統所需要的時間間隔計數等，優先級較低，采樣中斷優先級最高。軟件的主要任務處理流程如圖3所示。

3.2 處理器軟件主要模塊說明

軟件模塊的劃分按照軟件工程的概念對源文件進行劃分，并注意驅動程序和應用軟件的模塊劃分，關于和具體CPU相關的驅動程序均放到對應的驅動模塊中，模塊劃分的詳細信息如表1所示。

3.3 顯示終端界面圖示

低壓監測系統顯示終端可以是手機或者電腦，通過軟件界面，可以很直觀的看到系統的運行情況，常用的3個功能界面如圖4、圖5、圖6所示。

4 結語

本文通過對低壓配電監測系統的硬件設計、軟件設計，在功能和性能方面都達到了預期指標。在低壓配電監測系統的設計和開發過程中，軟件和硬件都遵循“模塊化”的設計思想，程序代碼結構清晰，容易理解，提升了開發效率。硬件模塊劃分合理，有助于降低開發費用、縮短開發周期、提高后期產品生產效率和降低維護難度。目前該系統已經在項目中使用，從實際運行的結果來看，系統比較穩定。

參考文獻

[1]催海.低壓配電智能化監控系統的探討[D].山東大學，2012.11：1-69.

[2]李迎晨.低壓配電監控裝置在用電管理中的應用[J].工程技術，2010，（4）：133-133.

[3]劉德輝，廖高華，朱杰斌.低壓配電實時監測系統的設計[J].配網自動化，2007，（5）：44-47.

[4]李長基.利用監控裝置在低壓配電網中用電側電能管理[J].廣東科技，2008.7（192）：109-110.

[5]仲平.淺談低壓配電監控系統[J].民營科技，2017，（2）：19-19.

[6]意法半導體.STM32F103數據手冊.2013.8：1-105.

[7]Silicon Labs.Si4438數據手冊.2014.6：1-44.

[8]星火電子科技.開合式電流互感器數據手冊.