翟亚芳,李正斌,张修太,张天鹏

(安阳工学院 电子信息与电气工程学院,河南安阳,455000)



基于ARM的智能三相电力监控仪表设计

翟亚芳,李正斌,张修太*,张天鹏

(安阳工学院 电子信息与电气工程学院,河南安阳,455000)

摘要:介绍了一种电力监控系统智能三相电力监控仪表的设计方案,叙述了监控仪表的总体结构,给出了信号调理电路、开关量输入/输出电路和通信接口电路的设计方案,并说明了监控仪表的硬件配置图、监控界面和典型的应用电路。监控仪表以32位ARM处理器MB9BF218为控制核心,以ATT7022D为测量元件,实现了对电压、电流、频率、功率因数、有功功率、无功功率等三相电力参数的测量,具有RS485和以太网RJ45两种通信接口,可以方便地与其它设备一起构成电力监控系统。

关键词:电力监控系统;监控仪表;电力参数测量;ATT7022D;远程控制

智能电网是当今世界电力系统的发展方向,电力监控系统是电力系统数字化和信息化的产物,是智能电网的重要组成部分。随着电力系统自动化、智能化程度的不断提高,电力监控系统中各种装置的数字化、智能化趋势日益明显,并具有功能多样化、通信接口丰富化、高可靠性和高性能指标等特点[1-2]。三相电力监控仪表是电力监控系统中的前端元件,主要用于工矿企业、医院、智能建筑等领域的中低压(10 kV或0.4 kV)配电场所(配电站、分支箱等),具备电力参数测量、数据通信和远程控制功能,可以取代传统的指针式仪表,成为电力监控系统的重要组成部分。

1　监控仪表的总体设计

所设计的智能三相电力监控仪表具有强大的数据采集和处理功能,不仅能够测量电压、电流、频率等常用电力参数,而且可以进行有功功率、无功功率、视在功率、有功电度和无功电度的计算,并具开关量输入/输出、故障录波和网络通信等功能。智能三相电力监控仪表主要由测量模块、开关量输入/输出模块、数据处理与控制模块、数据通信模块和人机接口模块构成,其结构框图如图1所示[3-4]。

测量模块负责进行实时测量电压、电流、频率等电力参数,主要由模拟量输入接口、信号调理电路和测量电路构成。开关量输入模块负责采集负荷开关位置信号、低压断路器位置信号、熔断器熔断信号等开关量信号的状态,由开关量接口电路构成;开关量输出模块负责控制信号的输出,用于对负荷开关或低压断路器的分合控制,主要由继电器输出接口电路构成。数据处理与控制模块是整个系统的核心,主要负责测量数据处理、电气量计算、开关量输入信号状态判断、开关量输出控制、故障录波信息处理、数据通信控制等,主要由ARM微处理器、数据存储器、晶振电路和复位电路等构成。数据通信模块负责与其它智能设备进行信息交换,如定值参数信息的修改、测量数据的上传、故障录波文件上传等,主要由RS485总线和以太网接口电路构成。人机接口模块负责与外界进行信息交换,由按键电路和显示电路构成,主要作用是键盘操作和数据显示[5]。

图1　监控仪表的结构框图

2　监控仪表的硬件设计

监控仪表在设计时选用富士通Cortex-M3家族的32位ARM处理器MB9BF218作为数据处理与控制核心。MB9BF218具有如下特点:时钟频率最高可达144 MHz;片内集成有1 024 kbyte的FLASH ROM和128 kbyte的SRAM;含有24通道12位A/D转换器;含有8个多功能串行口,每个通道支持UATR、I2C、SPI和LIN 4种功能配置;含有16个基本定时器和3单元多功能定时器;内部集成有1路以太网控制器。MB9BF218具有足够多的I/O接口和快速处理数据能力,能够满足智能三相电力监控仪表的设计需要。

2.1信号采样和调理电路

电力参数采集电路主要由输入采样电路、信号调理电路和测量芯片ATT7022D构成。在设计电路时,将监控仪表的额定输入电压设定为380 V(线电压),额定输入电流为5 A,而测量芯片ATT7022D内部ADC采用双端差分信号输入,最大输入电压是1.5 V,即可以输入最大的正弦信号有效值为1 V,因此需要将输入的电压信号和电流信号经过信号调理电路之后送入ATT7022D的输入端。

输入电压信号的额定电压为220 V(相电压),在信号采样时使其先经过一个110 kΩ电阻,将电压信号变换为-2 mA～2 mA的电流信号,然后使用2 mA/2 mA电流互感器进行采样,采样后的信号经过信号调理电路后,送给ATT7022D的差分信号输入端。输入电压信号的额定电流为5 A,设计时直接使用5 A/5 mA的电流互感器进行采样,采样后的信号经过调理电路后,送给ATT7022D的差分信号输入端。输入电压和输入电流的采样和信号调理电路如图2所示,图2中的UAP、UAN为输入电压UA经采样和信号调理后的差分输出端子,同理,输入电压UB的差分输出端为UBP和UBN,输入电压UC的差分输出端为UCP和UCN;IAP、IAN为输入电流IA经采样和信号调理后的差分输出端子,同理输入电流IB的差分输出端为IBP和IBN,输入电流IC的差分输出端为ICP和ICN;ACOM为直流偏置电压,其作用是将信号调理后的信号抬高一个固定的电压值,使其能够还原输入信号交变的特点[6]。

图2　信号采样和调理电路

2.2开关量输入/输出电路

该监控仪表配置有2路固定的外部开关量输入接口,适用于检测断路器的位置信号、刀闸位置信号等状态量信息。当开关量输入的外部节点闭合时,监控仪表的监控界面显示对应的开关量闭合,同时内部相应的状态信息被置成1;当外部节点断开时,监控仪表的监控界面显示对应的开关量断开,同时内部相应的状态信息被置成0。此外,装置可根据需要将开关量输入接口进行扩展,最多可达10路。监控仪表配置有2路继电器开关量输出接口,当内部相应的状态信息被置成1时,继电器闭合输出,监控见面显示对应的继电器闭合;当内部相应的状态信息被置成0时,继电器断开,监控见面显示对应的继电器断开。

开关量输入/输出电路如图3所示。在开关量输入电路中,当有开入输入信号时,开入电源+24 V通过DI1流入回路,通过10 kΩ、15 kΩ和0.1 μF组成的限流和滤波电路后,驱动光电耦合器TLP181导通,DIN1处输出低电平,通知微处理器有外部开关量输入。在开关量输出电路中,当DO1输出低电平时,光电耦合器TLP127导通,驱动继电器导通,输出继电器动作[7]。

图3　开关量输入/输出电路

2.3通信接口电路

该监控仪表具有数据通信和远程控制功能,监控仪表可以将采集到的电压、电流、功率、频率等电参数或开关量信号的状态上传至远程监控中心,也可以与其它智能设备之间实现数据交换,同时,远程监控中心可以向监控仪表发出控制命令或进行参数配置,实现远程控制功能。该监控仪表设置有RS485总线通信接口和以太网RJ45通信接口,RS485总线接口电路如图4所示[8]。图中ISO3082是一种带隔离功能的半双工差分总线式收发器,其内部集成有隔离装置,具有很好的隔离特性,隔离电压高达DC2500V,广泛应用于电力监控、楼宇自动化等领域。RXD、TXD分别为微控制器的异步串口的接收端和发送端,SCK是ISO3082的收/发使能控制端,当SCK为高电平时发送使能,SCK为低电平时接收使能;两个20 Ω电阻起阻抗匹配作用,两个3.3 kΩ分别为下拉电路和上拉电阻。

图4　RS485总线接口电路

3　监控仪表的硬件配置和监控界面

3.1监控仪表的硬件配置

该监控仪表配置有2路固定的无源开关量输入接口、8路可扩展开关量输入接口、2路继电器开出接口、2路4 mA～20 mA电流输出接口、1路RS485总线接口、1路RJ45接口、3路电流输入接口和4路电压输入接口,其硬件配置图如图5所示[9]。图中的端子23(L/+)、24(N/-)为监控仪表的电源输入端,当电源为直流时,23端子接电源正极,24端子接电源负极;端子1(AO1+)和端子2(AO1-)为第1路4 mA～20 mA电流输出端子,端子3(AO2+)和端子4(AO2-)为第2路4 mA～20 mA电流输出端子;端子19(DO11)和端子20(DO12)为第1路继电器开出接口,端子21(DO21)和端子22(DO22)为第2路继电器开出接口,两路继电器输出均为常开触点,分段电流能力为5 A。

图5　监控仪表的硬件配置图

图6　监控仪表的监控界面

3.2监控仪表的监控界面

监控仪表的监控界面由数值显示区、功能指示区和按键区构成,如图6所示。数值显示区用于显示三相电力参数,功能指示区用于指示所显示数据代表的含义,按键区用于切换测量显示界面和编程设置。其中功能指示区中的M代表测量结果以兆为计量单位,K代表以千为计量单位,A/T用于显示平均值和累加值,I代表相电流,U代表相电压,UL代表线电压,F代表频率,COM代表数据通信,P代表有功功率,Q代表无功功率,E代表电度提示符,PF代表功率因数,S1、S2代表开关量输入提示符,DO1、DO2代表开关量输出提示符,以上各符号处于点亮状态时,表示监控仪表工作于该状态下。单击按键区的CR键系统将进入编程模式,可以对监控仪表的初始运行状态进行设置,设置完成后,再次单击CR键,即可保存设置,如果不想保存设置,可以单击ESC键退出。

4　监控仪表的应用及测试

4.1监控仪表的应用电路

所设计的智能三相电力监控仪表在三相四线制系统中的典型应用电路如图7所示,图中假设输入电压和输入电流均超过该监控仪表的额定值,此时需要选择合适的电压互感器和电流互感器,并需要对测控仪表的互感器变比参数进行配置。如果输入电压和输入电流均未超过额定值,则可以不使用电压互感器和电流互感器。

图7　监控仪表的典型应用电路

4.2监控仪表的测试结果

为了验证监控仪表测量结果的可靠性,分别对电压、电流、频率、功率因数、无功功率和有功功率等电力参数进行了测试,部分测量结果如表1所示。

表1　监控仪表的测试结果

将测量结果同仪器输出参数对比可知,监控仪表的测量结果具有较高的准确性,其中电压、电流、频率和频率因数的测量误差在0.2%以内,满足了电力系统对电力参数测量结果的需要。

5　结论

随着电力系统自动化程度的提高,电力市场对电力监控仪表的需求不断变化,本文所设计的智能三相电力监控仪表不仅能够满足常规电力参数测量的需要,还具有RS485总线、以太网RJ45、远程控制等功能,与其它同类仪表相比,具有多功能、高精度、超小型设计、易学易用、接线灵活等优点。该智能三项电力监控仪表设计思想较先进,功能可靠,更符合电力市场的需求。

参考文献:

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翟亚芳(1979-),女,河北保定,安阳工学院电子信息与电气工程学院,硕士,讲师,主要研究方向为电力系统继电保护、微控制器技术应用,zhaiyafangwin@163.com,电话:15824625510。

DesignofIntelligentThree-phasePowerMonitoringInstrumentBasedonARM

ZHAIYafang,LIZhengbin,ZHANGXiutai*,ZHANGTianpeng

(School of Electronic Information & Electrical Engineering,Anyang Institute of Technology,Anyang,Henan,455000)

Abstract:The design of intelligent three-phase power monitoring instrument for power monitoring system is introduced.The overall structure,the schematic diagrams of signal modulated circuit,switch signal input/output,and communication interface are given,and the hardware configuration,the monitoring interface and the typical application circuit are also set up.The 32-bit ARM processor MB9BF218 is used as a core component in this device,and the ATT7022D is used as the measuring units,it could realize the measurement of voltage,current,frequency,power factor,active power and reactive power.The device has two communication interfaces which are RS485 and Ethernet RJ45,and it could constitute power monitoring system easily together with other instruments.

Key words:power monitoring system;monitoring instrument;electric power parameter measurement;ATT7022D;remote control

doi:EEACC:7210;811010.3969/j.issn.1005-9490.2014.05.042

中图分类号:TM932;TM764

文献标识码:A

文章编号:1005-9490(2014)05-0996-04

收稿日期:2014-01-03修改日期:2014-01-22