楚成彪，郝思鹏，何小栋，万 盟，吴瀚俊，冯煜坤

（南京工程学院 电力工程学院,江苏 南京 211167）

基于STM32的农村智能配电网监控终端设计

楚成彪，郝思鹏，何小栋，万 盟，吴瀚俊，冯煜坤

（南京工程学院 电力工程学院,江苏 南京 211167）

针对我国农村电网配电台区自动化程度较低，监控方式落后，数据采集困难等特点，本文设计了基于GPRS通信的智能配电监控终端。该终端采用STM32为微控制器，以AD7606为核心的电力信息采集模块，并集成了红外线模块、RS485通信模块、键盘输入及LED显示模块等，通过远程通信与主站服务器相连，实现了对农村配电台区的远程测量和控制，大大提高了农村电网的智能化程度。 该装置设计成本低，监控效果好，适合在广大农村推广。关键词：STM32；GPRS；电力信号采集；智能监控终端

农网是电网的重要组成部分，承担为广大农村供电的重任，供电分散，供电设备较多，但总用电量占全社会电量比例不大；另外，农网设备运行环境相对较差，系统维护水平也较低。作为“坚强智能电网”中的一环，建设智能的、安全的农网刻不容缓。电网智能化建设是农电发展面临的重要任务，也是当前和今后农网发展的一个重要内容。智能电网的一个重要内涵是智能化，就是以嵌入式信息处理技术和通信信息平台为支撑，以智能控制为手段，实现“电力流、业务流”的高度一体化融合。但目前大部分配电台区自动化程度较低，监控方式落后或者根本没有监控配置。采集配变的运行数据需要安排人员到场用仪器测量，存在工作量大、误差大、测量点少、受天气影响和不安全等问题，另外不能对设备状态进行有效监控[1-4]。

所以，要实现农网的智能化，首先需要做到信息化：将所有可能影响农网运行的数据和信息，采集后经专用计算机平台和软件集中分析，实现对农网运行状态、设备工况和用电质量等参数的远程监控；其次，考虑到农网用电设备分布较为分散、现场操作工作量大，需要实现农网开关的远程操作；此外，还应能对用户用电信息、开关保护定制以及计量等参数进行远程访问和控制。本文根据农村电网的特殊情况，对农村电网的监控终端进行了设计，使之满足智能电网对农网监控能力的需求。

1 配电监控终端在监测系统中的功能

基于GPRS的农网智能配电系统，主要针对10 KV变压器的低压侧，实现380 V供电系统中开关、保护、计量和无功补偿等功能信息的信息采集、传输和处理。系统分数据采集、数据传输和中心管理等几个功能，如图1所示。配电台区监控终端是智能配电台区的控制中枢，它负责智能配电如区与主站、智能控制与保护开关通信联络，采集、计算、存储配电台区变压器的各类数据[5-6]。监测采集到的数据通过GPRS通信发往主站，主站也可向终端用户提供数据查看和设备远程操作功能。

图1 系统总体结构图Fig.1 Structure diagram of the power control unit test system

2 硬件的实现

综合考虑硬件成本及其功能，本系统的配电监测终端以ARM 为中央控制处理，功能模块包括AD电力信号采样模块、GPRS通信模块、红外线通信模块、电源模块、时钟模块、RS485通信模块、键盘接口模块、开入量模块、开出量模块等部分组成。其硬件结构如图2所示。

图2 监控终端硬件结构图Fig.2 Structure diagram of the monitor terminal

2.1 STM32F107VC控制核心

本系统采用的是意法半导体公司生产的32位微控制器STM32作为控制核心。STM32处理器采用ARM公司最新的V7体系架构的内核Cortex-M3，它的速度比ARM7快三分之一，功耗低四分之三，同时集成了分支预测，硬件除法，单周期乘法等功能，大大地提高了处理器的数据处理能力，同时采用最新的Thumb-2指令集，有效地降低了代码的密度，提高了程序的执行效率。通过对其性能和功耗的分析，本系统采用的型号为STM32F107。

STM32F107有丰富的片上资源和I/O接口，不但简化了系统硬件，同时降低了系统功耗。其最高运行速度可达72 MHZ，具有256K字节的Flash、64K字节的RAM，大大提高了程序运行速度。丰富的I/O接口使其通信能力增加，包括3个SPI接口、5个USART串行接口、2个I2S口、2个I2C口。另外STM32F107拥有全速USB（OTG）接口、两路CAN接口，以及以太网10/100MAC模块。

2.2 数据采集模块

配电终端的采集分为模拟量的采集和开入量的采集。模拟量主要采集电压、电流信息，开入量主要采集变压器的开关状态。

2.2.1 模拟量数据采集

配电终端的交流输入信号分别取自电压互感器和电流互感器，实现强电信号与弱电信号的隔离与变换。此部分功能由AD7606模数转换芯片来实现。AD7606是16位，8通道同步模数数据采集系统，每通道的采样率能达到200 ksps,内置模拟输入嵌位保护、二阶抗混叠滤波器、跟踪保持放大器、16位电荷再分配逐次分配型模数转换器（ADC），可以处理±10 V和±5 V真双极性输入信号。AD7606与STM32接线图如图3所示。

图3 AD7606与STM32接线逻辑图Fig.3 Wiring logic diagram of AD7606 and STM32

由AD7606的内部结构和芯片特性可知，其内部的信号调理电路中，加入了低噪声高输入阻抗的信号调理电路，所以无需添加额外的外部驱动和滤波电路。A/D 芯片的并行数据输出口直接连接到CPU的数据线PA［15∶ 0］; CPU的GPIOB［15∶ 13］与OS［2∶ 0］，控制过采样倍率;GPIOB8 连接AD7606的片选端CS，GPIOB9连接A/D 的读使能信号RD; GPIOB10 连接A/D 的RESTET，用于重启芯片；A/D的BUSY 信号连接到CPU的外部中断接口XINT，产生中断； GPIO12连接CONVST A＆B，用于启动A/D 采样并转换。

2.2.2 开关量数据采集

开关量的数据采集即是采集开关的开关状态，STM32F107的I/O口都可以配置为开关量输入端口, 并且通用的I/O 可以配置到16 个外部中断线上但采集的开关量信息会含有高频噪声和小信号干扰，为了提高电绝缘和抗干扰能力，必须实现现场开关量与STM32间的电气隔离。其开关量输入电路如图4所示。其中R1、R2为上拉限流电阻，使进入二级管的电流限制在毫安级；TVS1能抑制电压电流的瞬态干扰，防止电压和电流的突然上升；C1、C2为旁路电容，用来滤除高频噪声[7]。

图4 开关量输入电路Fig.4 Switch input circuitl

2.3 GPRS通信模块设计

SIM300是一款三频段GSM/GPRS模块，可在全球范围内的EGSM 900 MHz、DCS 1 800 MHz、PCS 1 900 MHz 3种频率下工作，能够提供GPRS多达10个的多信道类型，并且支持CS-1、CS-2、CS-3和 CS-4 4种GPRS编码方案。根据发送数据的任务不同，分为定时发送、报警发送、主动查询等功能，对采集来的数据进行数据格式转换为字符型变量，然后按照规约中数据帧的格式进行发送[8-9]。

MCU通过CAN 总线接收到各监测点传感器信息后进行数据处理，然后将其分类。配电终端的处理命令以短信的形式或通过GPRS 服务器用户界面传送到处理中心，解析后将命令传送给MCU。MCU通过CAN 总线控制相应的智能终端执行命令。SIM300模块的外围电路如图5所示[10]。

图5 SIM300电路Fig.5 Circuit of SIM300

2.4 其他模块设计

电源模块：本系统中，CPU控制芯片STM32107VC采用+3.3 V电源电压供电；模数转换芯片AD7606采用单5 V供电；GPRS通信模块SIM300采用单电源电压供电3.4～4.5 V。所以，为提供3.4～5 V的供电电压，本系统采用SOT-223封装的AMS1117-1.8来供电，其输入电源电压范围是3.3～12 V。

时钟模块：本系统采用PCF8563时钟芯片为系统提供精确的时钟脉冲。 PCF8563是PHILIPS 公司推出的一款工业级内含I2C 总线接口功能的具有极低功耗的多功能时钟/日历芯片，可编程输出频率为32.768 kHz、1024 Hz、32 Hz、1 Hz,芯片最大总线速度为400 kbits/s,通过串行方式与主控制器通信。

信息存储模块：为了记录每相电压、电流及其谐波次数、有功功率、无功功率、功率因素、开关开断状态等，系统采用EEPROM存储器M24M01 来保存终端的运行数据。它包含一个IIC串口，并可在一条IIC总线上对最多八个器件进行寻址。M24M01支持连续和随机操作，允许字节和页式定操作。

3 软件的实现

在本系统中，软件设计以结构化和模块化为原则，将软件按功能划分若干个独立模块，每个独立模块由相应的函数来实现，最终由主程序来统一协调调度。主要实现对配电网的电压、电流、开关信号的实时采集，进行处理后将实时数据保存到存储器中，并随时响应主站的召唤发送数据和响应主站的控制命令。其程序框图如图6所示。

软件设计时，首先对STM32F107VC各引脚进行初始化，还要对其处围芯片如模数转换芯片AD7606、GPRS芯片SIM300、红外线芯片等引脚及其相关寄存器进行设置。初始化之后，系统入正常的工作模式。数据采集时，每间隔60 ms将数据采集一次，数据采集完成之后判断主机是否有数据请求，若有数据请求，通过GPRS将数据发送到主机接收器。在没有数据请求的情况下，判断是否要定时发送，定时发送设定时间为10 min。定时发送每发送一次，都会在显示屏上刷新一次，将发送的数据显示出来。

图6 软件设计的流程图Fig.6 Flow chart the software design

4 监控设备的试运行

监控系统设备开发完成后，在浙江某县农电所两个配电台区进行挂网测试，累计已超过10个月，采用了经济性较好，安全性相对低的GPRS通信技术。使用中国移动公司的通信网络，每月通信费用只有几十元，费用较低，完全符合农村的实际条件。并且该监控终端对农网的数据采集准确可靠，总体运行良好，使该农电所的智能化水平大大提高。同时，在运行中也发现一些需要改进的地方，包括抗电磁干扰能力较弱以及高级应用功能开发不足等，也是下一步工作的重点。

5 结 论

文中针对农网配电台区智能化的需求，综合考虑硬件成本及软件开发周期，完成了主要针对农网智能监控终端的设计。基于AD7606数据采样和GPRS通信的监控终端，可以为数据中心服务器提供丰富、高精度的、实时性的变压器运行参数，并且利用GPRS网络利用GPRS网络覆盖范围广，通信可靠，实现了对农网的有效的实时监控。该系统的使用可大幅度降低电工的工作量和维护成本，也大大提高了农村电网的自动化程度，为建设智能化农网走出了关键一步。

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Design of rural intelligent power distribution monitor and measurement terminal based on STM32

CHU Cheng-biao, HAO Si-peng, HE Xiao-dong, WAN Meng, WU Han-jun, FENG Yu-kun
（ Nanjing Institute of Technology, School of Electric Power Engineering, Nanjing 211167, China）

As rural power grids in China distribution area is low degree of automation, backward monitoring mode, data collection difficulties and so on, so this paper designed the intelligent power distribution monitoring terminal based on GPRS communication. The terminal takes STM32 as micro controller, AD7606 as the core of electric power information collection module, and includes the integrated infrared module, RS485 communication module, the keyboard and LED display module, etc. The host server is connected to the distribution terminal through the remote communication to achieve remote measurement and control in rural areas. So it greatly improves the rural power grid intelligent degree.The device is suitable for vast rural promotion not only its low cost but also its good monitoring effect.

STM32; GPRS; electric power information collection；monitor and measurement terminal

TN91

A

1674-6236(2014)14-0059-04

2014-02-27 稿件编号：201402207

国家自然科学基金（51077068，51107120）；江苏省教育厅自然基金（11KJB470008）

楚成彪（1988—），男，山东菏泽人，硕士研究生。研究方向：配电网自动化。