钟 峰 唐绪伟

（怀化职业技术学院，湖南 怀化 418000）

随着我国电力系统的快速发展，农村配变电网系统处于深度建设、发展和改造的新历程。国家需打造信息化、自动化、互动化特征的智能电网系统，对农村配变电网络系统发展提出了更高、更新的要求[1]。

目前，我国农村电网的运行优化和建设规划缺乏依据，一旦台区变漏电保护装置闭锁，则手动合闸。因漏电保护装置频繁动作，触电事故或者长时间停电事件经常发生。台区变烧损率高、无功控制方式落和配电变压器防盗技术及运行监控方式落后、监控装置功能单一、全套采购安装成本太高等缺点，为了改善农村低压配变电网络系统的自动化管理水平[1]，结合当前我国农村供配变电系统的现状和管理特点，设计了一种农网供电台区变综合监控系统[2]。对推动农村供配变电网络系统的健康发展具有十分重大的现实意义和推广价值[3]。

1 系统总体规划与结构

通过实地调研，听取和分析相关电力部门专业人员所指出的当前农村地区低压配电网络的运行状况及存在的问题，得出该终端应具备：三相电网参数的采集、计算、存储及统计、无功补偿与电容器保护、漏电保护器控制、配电变压器保护、负荷投切控制、故障报警、远程通信与控制、参数设置等功能。系统功能图如图1所示。

系统程序由10 个功能模块组成：①系统初始化模块，用于CPU 系统资源初始化、变量定义及初始化、各硬件模块初始化等；②电源管理单元模块，用于对CPU、LCD 液晶节电模式管理；③人机交互界面模块，用于按键功能、LCD 液晶显示界面内容及界面切换设计；④GPRS 通信模块，用于数据的发送和接收、完成设备的编码与译码等功能；⑤时钟DS1302 集成模块，用于系统时间的提供，完成DS1302 芯片驱动程序设计；⑥铁电存储器模块，铁电存储器驱动程序设计，用于保存系统重要参数与标志；⑦功率计量ATT7022B 模块，用于采集三相电网电压、电流及其他电气参数的计算，完成ATT7022B 功率计量芯片的接口程序设计；⑧参数处理及监测模块，用于电量参数、数字IO 状态量等参数的采样、处理和监测；⑨无功功率管理模块，用于电容器的投入、切断控制和保护；⑩预警保护模块，根据参数监测及处理模块的输出结果，完成相关保护动作[3]。

系统是针对变压器的远程智能监控（即农村低压配电网络），为了验证系统设计的正确性、可靠性及稳定性，文章还搭建配电网络实验模拟平台。该平台由变压器、交流接触器、漏电保护器及模拟负载构成。整体框图如图2所示。

图1 系统功能图

图2 整体框图

结合系统功能，采用微控制器为核心，配合电能参数计量芯片和存储芯片，完成相关电能参数的采集、处理与储存，通过光电耦合器控制4 路继电器，实现3 路馈线及无功线路的投切控制，另外需要将线路中有关的开关信号量（交流接触器辅助触点的连通状态）引入微控制器中，以便微控制器做出相应判断与合理动作。

系统以C8051F020 单片机为主控制器，它具有高速、流水线结构的8051 兼容的CIP-51 内核，指令速度可达25MIPS，64kb 的可在系统编程的Flash存储存器，4kb 的片内RAM[4]。最重要的是其指令集系统与传统的MCS-51 指令集完全兼容，大大缩短了开发周期。

以ATT7022B 为三相电能计量芯片。它是一颗高精度三相电能专用计量芯片，适用于三相三线和三相四线应用，能够测量各相以及合相的有功功率、无功功率、视在功率、有功能量及无功能量等参数，所测参数齐全，且有功测量满足0.2s、0.5s 级，支持IEC 62053-22，GB/T 17883-1998，无功测量满足2 级、3 级，支持IEC 62053-23，GB/T 17882-1999，精度满足系统要求[10]。

GPRS 通信模块选用成品模块，此模块留有通信接口与固定插针，易于集成至主板上，且附带有上位机配置软件，操作简单方便。运行测试表明，其稳定性好。

2 系统硬件设计

系统由C8051F020 主控制器模块、ATT7022B三相电能计量模块、GR100E GPRS 无线通信模块、铁电存储器模块、时钟模块、液晶显示模块与电源模块等构成。

ATT7022B 电能计量芯片硬件电路设计：

ATT7022B 是一款精度高、功能强的防窃电基波谐波三相电能专用计量芯片。它集成七路二阶sigma-delta ADC，其中三路用于三相电压参数采样，三路用于三相电流参数采样，最后一路用于零线电流或其他防窃电参数采样。可输出并显示实时采样数据及有效值，使用方便。该芯片适合在三相三线制和三相四线制电网电路中的应用[5]。系统集成了参考电压电路和各项电参数测量的数字信号处理电路，可以完成有功功率、无功功率、视在功率、有功能量以及无功能量的测量。同时还可测量频率、相电流和相电压的有效值、功率因数、相位角等参数，提供两种视在电能，充分满足三相多功能电能表以及基波谐波电能表制作的需求[6]。系统还集成了一个SPI 接口，可方便与外部MCU 之间的计量参数和校表参数传递。

ATT7022B 三相电能计量芯片的采样电压输入有3 种方法：①直接采用电阻分压；②利用电压互感器变压；③先将输入电压转换成电流，经过电流互感器将电流转换成电压[6]。其中方法②和方法③都需要配备一款精度高的电压或电流互感器，增加了制作成本，故系统直接使用电阻分压方式。其电路图如图3所示。

图3 电压采样电路

图3中，Vx 接相线，Vncom 接零线，FU201为耐压600V、熔断电流为160mA 的自恢复保险电阻，RMY2001 为471K 的压敏电阻，他们的主要功能是防过流与过压，提高系统工作的稳定性与安全性。R2001 与R2009 够成电压分压网络，保证a 点电压在0.5V 左右，因为根据ATT7022B 三相电能计量的芯片模拟输入端的要求，电压通道有效值在10mV 至1V 的范围内时，其线性误差小于0.5%，故取样信号选择0.5V。R2012 与C2001 构成了抗混叠滤波器，保证输入信号的“纯度”。其结构参数要求对称，并采用温度性能较好的元器件，从而保证系统获得良好的温度特性。每路ADC 的交流输入由管脚VxP 和VxN 输入，同时要求VxP、VxN 迭加2.4V 左右直流偏置电压[7]，以保证输入信号波形不失真。该偏置电压可以由芯片的参考电压输出引脚REFOUT 获得，也可以由外部基准电压提供。本系统直接采用芯片参考电压输出引脚提供此偏置电压。

电流采样电路直接使用电流互感器，将输入的大电流变换成小电流信号，然后再将电流信号转换成符合采样芯片要求的电压信号，电路如图4所示。

图4 电流采样电路

图4中，Vx 接相线，Vncom 接零线，CT 为输入额定电流1.5A（最大6A）、输出电流为5mA 的电流互感器，电阻R1002 控制a 点的电压值大小，即输入至ADC 端口的采样电压，根据三相电能计量芯片要求，电流通道ADC 的输入端采样信号选择0.1V，故电阻R1002 的阻值选择为20。

3 系统软件设计

3.1 程序设计思路

系统采用了可向控制器中嵌入实时操作系统uC/OS-II 并以其为核心，通过将相应功能子模块程序合理的划分为多个子任务方式来编程系统软件。

系统软件以实时操作系统uC/OS-II 为核心，由LCD 界面显示、按键扫描、无功控制、三相电能采样与故障检测、故障响应、负荷管理及GPRS 通信等7 个子任务组成。在调用启动操作系统任务函数OSStart()之前全部创建好，最后由系统任务调度器统一调度，完成整个系统功能。

3.2 系统软件初始化部分流程图

系统初始化程序是整个系统软件中最核心的部分之一。是完成对操作系统、控制器及相关外围辅助芯片的初始化，是保证系统能够正确运行的前提。初始化程序流程图如图5所示。

图5 初始化程序流程图

操作系统初始化部分是通过调用uC/OS-II 中的OSInit()函数来完成。该函数主要功能是初始化uC/OS-II 中所有的变量和数据结构，并建立一个空闲任务，且让该任务一直处于就绪状态（这是因为uC/OS-II 规定，在启动任务调度之前，至少要先建立一个任务，否则系统会崩溃）。

控制器初始化主要完成系统时钟与管脚的配置、端口状态的设定、系统变量、函数的声明和看门狗初始化等。

外围辅助芯片的初始化主要包括功率计量芯片ATT7022B 初始化、EEPROM 存储器的读写测试、时钟芯片的检测和液晶显示初始化等操作。部分程序实现如下：

4 系统运行及调试

系统测试：

本文从中选取跳闸报警、远程合闸操作为例。预设变压器名称为象形老变，低压馈线为象胡线，终端编号设定为91010001。象胡线人为漏电时，监控终端检测到漏电现象，立即跳闸并将该事件通过通信模块发送到通信服务器，服务器处理后在信息管理中心系统显示。显示界面如图6所示。

图6 漏电跳闸事件报警界面

漏电跳闸报警完成且漏电条件取消前，若保护器已经满足了合闸条件，信息管理中心就会发出合闸指令。

图7 系统象胡线现状

图8 远程合闸操作界面

图9 远程合闸成功界面

系统终端在完成自动跳闸、远程合闸后，再进行远程跳闸检测，界面如图10 所示。

图10 远程跳闸操作界面

5 结论

该终端在功能上具有以下特点：①C8051F020保证了系统高速的运行速度；②高精度专用电能计量芯片ATT7022B 保证了相关电能参数的准确性；③在主控制器中嵌入实时操作系统uC/OS-II，保证了本产品运行的可靠性等；④GPRS 模块的运用，实现远程操作与监控，无需相关人员去现场，大大提高了操作的安全性；⑤系统人机界面友好，实现了相电压、相电流、有功功率、无功功率、功率因 数、无功总量、有功总量、系统功率因数、电度用量、零序电流等参数的显示，显示齐全，方便维护与检修；⑥四个按键可以完成参数查阅、现场点动、参数设置等所有操作，操作简单方便。

[1] 陈维铁,周一平.配电自动化的发展与网络改造技术[J].电工技术,1999(9): 10-12.

[2] 管爱东,郑建国.低压配电网无线远程监控管理信息系统研究[J].计算机技术与发展,2007,17(11): 201-204.

[3] 王晓梅.浅析农网通信系统特点与通信方式[J].河北电力技术,2005,24(5): 52-54.

[4] 肖瑶,凌玉华.新型箱式变远程监控系统设计[J]． 电力系统通信,2007,28(5): 19-23.

[5] 王明俊,于尔铿,刘广一.配电系统自动化及其发展[M].北京: 中国电力出版社,1998: 4-13.

[6] 牛斗,曲广强,曲洁,等.基于GPRS 的电力系统远程监控设计与研究[J].电子测量技术,2006,29(5): 167-169,173.

[7] 高吉祥.全国大学生电子设计竞赛系列教程,基本技能训练与单元电路设计篇[M].北京: 电子工业出版社,2004: 1-66.

[8] 任哲.嵌入式实时操作系统 uC/OS-II 原理及应用[M].2 版.北京: 北京航空航天大学出版社,2009: 1-277.

[9] 潘琢金译.C8051F020/1/2/3 混合信号ISP FLASH 微控制器数据手册[Z].沈阳新华龙电子有限公司,2002.

[10] 炬力集成电路设计有限公司.多功能防窃电基波谐波三相电能专用计量芯片ATT7022B 用户手册[Z].炬力集成电路设计有限公司,2005: 1-48.