隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，電力電子設(shè)備得到了廣泛應(yīng)用，使得電網(wǎng)負(fù)荷中的感性負(fù)載占很大比例，如變壓器，電動(dòng)機(jī)等，同時(shí)也產(chǎn)生了電網(wǎng)諧波。無(wú)功功率會(huì)增加設(shè)備容量以及線(xiàn)路損耗，同時(shí)沖擊性無(wú)功功率負(fù)載還可能引起電壓劇烈波動(dòng)，使得電網(wǎng)質(zhì)量嚴(yán)重降低。

而諧波的危害更大，諧波使得元器件產(chǎn)生附加的損耗，此外諧波可能影響各種電氣設(shè)備的正常運(yùn)行，如機(jī)械振動(dòng)、噪聲和過(guò)電壓，使得變壓器、電容器局部過(guò)熱、絕緣老化，壽命縮短，嚴(yán)重時(shí)發(fā)生爆炸，發(fā)生事故。同時(shí)也可能影響鄰近系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信，嚴(yán)重時(shí)系統(tǒng)無(wú)法正常通信。

為了保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，必須綜合治理這些影響電網(wǎng)的關(guān)鍵因素。治理的關(guān)鍵是對(duì)電網(wǎng)參數(shù)的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)與分析。電網(wǎng)參數(shù)的通信方式比較多，主要有串口通信接口、USB接口、GPRS以及網(wǎng)絡(luò)接口等。以太網(wǎng)通信傳輸速率高，便于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信，從而進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，減輕現(xiàn)場(chǎng)工作強(qiáng)度，對(duì)電網(wǎng)長(zhǎng)期運(yùn)行評(píng)估預(yù)測(cè)意義重大。

本文基于A(yíng)RM和W5200設(shè)計(jì)了一種無(wú)功補(bǔ)償控制器，其具有無(wú)功補(bǔ)償，電壓電流諧波等參數(shù)測(cè)量，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)存儲(chǔ)以及以太網(wǎng)接口等功能，使用該控制器和后臺(tái)PC軟件可構(gòu)建遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

1 總體設(shè)計(jì)方案

1.1 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)主要由4個(gè)部分組成，無(wú)功補(bǔ)償控制器，以太網(wǎng)模塊，遠(yuǎn)程PC終端以及輸出控制單元部分。控制輸出單元是TDS系列智能電力電容器，可實(shí)現(xiàn)就地?zé)o功補(bǔ)償。以太網(wǎng)模塊主要實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸。遠(yuǎn)程PC終端實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的監(jiān)視，遠(yuǎn)程設(shè)置參數(shù)，歷史數(shù)據(jù)采集，遠(yuǎn)程電容器控制等功能。無(wú)功補(bǔ)償控制器的設(shè)計(jì)是本文的重點(diǎn)。

1.2 無(wú)功補(bǔ)償控制器設(shè)計(jì)

如圖2所示，無(wú)功補(bǔ)償控制器主要由以下8個(gè)模塊組成,，各模塊的主要作用分別為：

圖2 無(wú)功補(bǔ)償控制器組成框圖

• 1）電源模塊：將電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)換成芯片可用的工作電源，通信電源等。
• 2）數(shù)據(jù)采集模塊：完成電網(wǎng)數(shù)據(jù)信號(hào)的采集，主要包括三相電壓，三相電流。
• 3）數(shù)據(jù)處理模塊：主要完成電網(wǎng)有功、無(wú)功、功率因數(shù)，諧波總含量以及3-25次諧波分量的計(jì)算處理，諧波的計(jì)算采用FFT算法。
• 4）顯示模塊：采用128*64點(diǎn)陣液晶，主要顯示電網(wǎng)參數(shù)以及工作狀態(tài)，電容狀態(tài)等。
• 5）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊：將電網(wǎng)參數(shù)的整點(diǎn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來(lái)，便于現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況的分析處理。這些數(shù)據(jù)既可通過(guò)上位機(jī)軟件檢測(cè)，也可連接U盤(pán)將數(shù)據(jù)讀取出來(lái)，導(dǎo)入上位機(jī)。
• 6）網(wǎng)絡(luò)接口模塊：主要實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)模塊的通信，這是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的關(guān)鍵。
• 7）RS485模塊： 主要實(shí)現(xiàn)了與TDS智能電容器的通信，從而實(shí)現(xiàn)電容器狀態(tài)和信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與本體控制。
• 8）報(bào)警輸出模塊：為保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，當(dāng)過(guò)壓、欠壓、諧波過(guò)大等情況下，通知用戶(hù)發(fā)生故障及自動(dòng)及時(shí)切除已投入電容。

2 硬件設(shè)計(jì)方案

無(wú)功補(bǔ)償控制器的主控芯片選擇意法半導(dǎo)體公司基于A(yíng)RM Cortex-M3內(nèi)核的32位處理器STM32F103。硬件總體設(shè)計(jì)包括電源設(shè)計(jì)、復(fù)位電路、晶振模塊、JTAG/SWD接口、人機(jī)接口、采集部分、RS485、SPI網(wǎng)絡(luò)接口及存儲(chǔ)設(shè)備等。

2.1 主控芯片

STM32F103最高可工作在72MHz,包含5個(gè)USART、2個(gè)DMA控制器、3路SPI、3個(gè)ADC、ADC包含16路通道，提供電壓檢測(cè)器，提高了抗干擾能力，可保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2 晶振模塊

晶振主要提供主控芯片的時(shí)鐘信號(hào)，W5200的工作時(shí)鐘是由STM32的軟件控制的。STM32內(nèi)部雖自帶RC振動(dòng)器，可產(chǎn)生8 MHz時(shí)鐘，但精度較差。因此選用外接獨(dú)立晶振提供8 MHz時(shí)鐘源。

2.3 電源設(shè)計(jì)

運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)不可能直接提供芯片的工作電源，就需要進(jìn)行電源轉(zhuǎn)換。設(shè)計(jì)采用傳統(tǒng)電源設(shè)計(jì)模式：220V交流電壓通過(guò)變壓器變壓，整流橋整流，電容濾波，最后穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓后輸出直流電源。穩(wěn)壓芯片選用ASM1117，電壓轉(zhuǎn)換成3.3 V直接給STM32與W5200供電。

2.4 采集部分

由于STM32具有12位ADC采樣，采樣速度最快可達(dá)到1 us采集一次，精度也可保證，因此，直接將電網(wǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成STM32口線(xiàn)可以采集的信號(hào)接到STM32口線(xiàn)上。

采集的具體流程圖如圖3所示。

圖3 電網(wǎng)信號(hào)采樣流程圖

電信號(hào)經(jīng)過(guò)互感器采樣后，加上濾波放大電路和電壓轉(zhuǎn)換電路后轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，由于STM32采集的模擬量范圍是 0～3.3V，所以要再經(jīng)過(guò)一個(gè)電壓偏移電路，加上基準(zhǔn)電壓，就形成 STM32所能處理的模擬量信號(hào)。濾波電路選用最簡(jiǎn)單的 RC 濾波電路，主要濾除外界對(duì)電網(wǎng)信號(hào)造成的干擾。電網(wǎng)信號(hào)的檢測(cè)采用電流、電壓互感器實(shí)現(xiàn)。

2.5 復(fù)位電路

復(fù)位電路可靠性是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行正常的關(guān)鍵。本系統(tǒng)采用了常規(guī)的阻容復(fù)位和芯片MAX706S結(jié)合的復(fù)位方式。系統(tǒng)采用了雙看門(mén)狗方式，一個(gè)為STM32的內(nèi)部獨(dú)立看門(mén)狗，一個(gè)為MAX706S提供的硬件看門(mén)狗。由于W5200的工作電源需要3V以上，而STM32只需2V就可正常工作，此時(shí)MAX706S提供的低電壓復(fù)位信號(hào)起作用，這樣就保證了系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

2.6 SWD接口

為便于主控芯片程序的調(diào)試和下載，就需要設(shè)計(jì)調(diào)試接口。較JTAG接口，SWD接口簡(jiǎn)單，只需兩根口線(xiàn)就可以實(shí)現(xiàn)，接口電路如圖4所示。

圖4 SWD接口電路

2.7 SPI網(wǎng)絡(luò)接口

由于W5200集成了TCPIP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)控制器，對(duì)軟件設(shè)計(jì)人員水平要求不高，通過(guò)SPI接口就可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接，比較適合單芯片實(shí)現(xiàn)TCPIP協(xié)議棧、10/100M以太網(wǎng)MAC和PHY。W5200 內(nèi)部有32K的存儲(chǔ)器用于通信數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，通過(guò)簡(jiǎn)單的端口編程，用戶(hù)可實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信，而不必要處理復(fù)雜的以太網(wǎng)控制。W5200的SPI接口可以支持高達(dá)80MHz的時(shí)鐘。

圖5 網(wǎng)絡(luò)模塊結(jié)構(gòu)圖

模塊的結(jié)構(gòu)如圖5所示,ARM芯片提供了時(shí)鐘信號(hào),復(fù)位信號(hào),控制信號(hào),RJ45接口提供了以太網(wǎng)通信接口,網(wǎng)絡(luò)指示燈指示網(wǎng)絡(luò)的工作狀態(tài)。

W5200支持8個(gè)獨(dú)立的端口同時(shí)工作，可以實(shí)現(xiàn)同一無(wú)功控制器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)受控于多臺(tái)上位機(jī)終端。

2.8 串口通信模塊

為了實(shí)時(shí)采集多臺(tái)電容器的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)及其電容器信息，同時(shí)實(shí)現(xiàn)電容器的實(shí)時(shí)控制，為保證數(shù)據(jù)通信的可靠性，采用傳統(tǒng)的RS485通信。

同時(shí)，無(wú)功補(bǔ)償控制器備用了2個(gè)RS232接口，可用來(lái)連接GPRS模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和電表數(shù)據(jù)采集。

3. 軟件設(shè)計(jì)方案

3.1 開(kāi)發(fā)環(huán)境（MDK）

MDK開(kāi)發(fā)平臺(tái)是一個(gè)針對(duì)ARM處理器的專(zhuān)用集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。可以使用C/C++和匯編語(yǔ)言方便開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序。MDK的在線(xiàn)調(diào)試與仿真，對(duì)軟件開(kāi)發(fā)具有很大的幫助。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的軟件流程圖如圖6所示。

圖6 軟件流程圖

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括ARM的應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)和μC／OS-Ⅱ操作系統(tǒng)[10]的移植2個(gè)基本部分。ARM的應(yīng)用程序主要包括數(shù)據(jù)測(cè)量、顯示程序、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序、USB數(shù)據(jù)讀取程序、按鍵掃描處理程序、電容器通信、網(wǎng)絡(luò)通信程序、電容器控制和程序和報(bào)警輸出程序等。μC／OS-Ⅱ操作系統(tǒng)是協(xié)調(diào)STM32對(duì)程序的任務(wù)管理和調(diào)度。

3.3 終端PC機(jī)軟件

上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控PC機(jī)軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境采用C++ Builder和SQL數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)合設(shè)計(jì)。C++ Builder集成開(kāi)發(fā)環(huán)境提供了可視化窗體設(shè)計(jì)器，集成編輯器和調(diào)試器等系列可視化快速應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，程序員可輕松建立和管理自己的程序和資源。SQL數(shù)據(jù)庫(kù)用來(lái)將采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)起來(lái)，便于以后查詢(xún)與現(xiàn)場(chǎng)故障分析等。

PC機(jī)與無(wú)功補(bǔ)償控制器之間采用標(biāo)準(zhǔn)的電網(wǎng)101規(guī)約進(jìn)行通信，便于接入已成型的智能電網(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)數(shù)據(jù)的遙測(cè)，設(shè)定參數(shù)的遙調(diào)和電容器狀態(tài)遠(yuǎn)程顯示及遠(yuǎn)程控制。

如圖7所示，PC機(jī)與無(wú)功控制器聯(lián)機(jī)正常運(yùn)行的實(shí)際情況，可見(jiàn)實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)的電網(wǎng)參數(shù)基本上都可以監(jiān)測(cè)到，三相功率因數(shù)均達(dá)到0.93以上，也取得較好的補(bǔ)償效果。

圖7 上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件運(yùn)行圖

經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的實(shí)際運(yùn)行，運(yùn)行情況良好，電網(wǎng)功率因數(shù)達(dá)標(biāo)，證明該設(shè)計(jì)方案是切實(shí)可行的。

4.總結(jié)

本文以STM32為主控芯片，設(shè)計(jì)了一種控制器，具有無(wú)功補(bǔ)償功能。同時(shí)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)W5200網(wǎng)絡(luò)控制芯片實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)參數(shù)的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控與電容器的遠(yuǎn)程控制。該網(wǎng)絡(luò)接口硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，成本低，開(kāi)發(fā)周期短，便于應(yīng)用。而電網(wǎng)的長(zhǎng)期在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，有利于電網(wǎng)的維護(hù)與故障分析。

本文編自《電氣技術(shù)》，原文標(biāo)題為“基于W5200的電能質(zhì)量遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)”，作者為夏文、馮國(guó)偉 等。