基于单片机 AT89C52 的电网监控器设计

电网监控的中心议题：
    *  电网监控器功能
    *  电网监控系统方案
电网监控的解决方案：
    *  基于AT89C52及其外围电路的嵌入式开发

相关阅读：
自动发电控制 AGC 技术的实现及其发展
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010947
城市轨道交通电力监控 SCADA 系统概述
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010948
基于直流法的电力系统静态安全分析
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010949
探讨电网调度自动化系统的干扰问题
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010943
CDMA1X/GPRS 无线电力调度自动化通信系统方案
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010944
基于地理信息系统的电网运行监控技术及其实现
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010945

1 引 言

电网监控主要是指电力调度自动化系统，根据电网的规模不同，可以分为不同级别的电力调度自动化系统。随着电力系统的发展，电网监控和自动化系统的运行水平、实用程度以及总体技术性能得到迅速发展和提升。输电电压等级不断升高，电网范围不断扩大，对电网运行管理的要求愈来愈高，对电网监控与自动化技术的要求也愈来愈高。只有运行稳定可靠的电网监控器才能满足市场的要求和发展的需要。

2 电网监控器功能

电网监控器能实时根据输入／输出电压，输入电流的变化控制4路继电器，对输出电压进行切换，并可以实现电网监控参数的设定及实时参数显示。主要功能有：

(1) 实时采集电网的输入／输出电压以及输入电流；
(2) 通过LCD点阵液晶显示模块，实时显示电压调节器的输入／输出电压、输入电流以及电压变换器的变比；
(3) 实现对电网监控门限参数的设定，并具有RS 232通信功能，也可实现门限参数的远程修改和远程设置；
(4) 通过继电器的控制，实现对电压调节器输出电压的自动调节。

3 系统设计

3.1 系统方案

系统主要由单片机AT89C52、AD转换电路、LCD显示电路、远程通讯电路以及信号实时采集条理电路组成，其系统框图如图1所示。



3.2 典型电路分析

3.2.1 电压信号实时采集条理电路分析

信号调理电路主要完成强电信号与弱电信号之间的隔离和变换，该电路包括互感器、信号转换电路、信号放大电路、信号整流滤波电路。

由于民用电网为220 V AC，故将输入电压的范围定为0～300 V AC。电压互感器采用GPT206B和电流互感器用RAAI15。其特性分别如下：

GPT206B是一款毫安级精密电流互感器，输入额定电流为2 mA，额定输出电流为2 mA。使用时需要将电压信号变换成电流信号，电路如图2所示。



R1是限流电阻，调整R1的值，使输入电压最大时电流接近2 mA。副边是电流／电压变换电路。调整图2中反馈电阻R和r的值可得到所需要的电压输出。电容C2是400～l 000 pF，用来去耦、滤波和相位调节。考虑到输入电压最大值为300 V，互感器的额定输入电流为2 mA，所以选择初级电流为2 mA，计算限流电阻R1=300 V／2 mA=150 kΩ，选R=150 kΩ／1 W。通过放大电路后，将电压信号放大，再滤波、整形，送入AD转换。



3.2.2 电流信号实时采集条理电路分析

RAAI15是一款精密电流互感器，输入额定电流为50 A，额定输出直流电压为5 V。这样可以将50 A的交流电流转换成5 V的直流电压直接送入单片机采集单元。

3.2.3 电源电路分析

由于系统需要+5 V，+12 V，－12 V三个电压，所以采用AC～DC模块来给系统供电。此模块可将220 V AC电压转换成+12 V DC，－12 V DC。再通过7805芯片将+12 V DC转换为+5 V DC。

4 软件设计

控制器软件主要由控制器初始化模块、数据采集模块、数据处理模块、LCD显示模块、数据通信模块、输出控制模块等组成。软件结构图如图3所示。 



4.1 数据采集模块

数据采集是控制器工作的基础，对于系统的计算和正常运行起着决定性的作用。

控制器使用ADC0809的8位8路并行AD。最大采样速率为1 280 k，需要对3个通道Vi，V0和Li的模拟信号分别进行采样。设计软件时，使AD工作于序列通道单次转换模式。在该方式下，可最大限度地利用其AD的高速采集性能，相比较于50 Hz的交流信号而言，完全可以消除电压、电流由于并非同一时刻采集所造成的相位差。

为了保证采集数据的准确性，采样点数必须足够多，AD采样时钟使用单片机ALE信号。通过分频后，采样时钟达到500 kHz左右，这样与AD采样时钟典型值640 kHz接近，故能达到良好的效果。

4.2 数据处理模块

在进行显示之前，首先要计算电路的参数，如电压、电流的实时数据及输入／输出变比等。在程序设计中，数字滤波采用平均值算法。AD转换一次的时间为100μm左右，在程序设计中每次间隔1 ms采样一次，连续采样8次，对8次的转换值求和(∑AD)取平均，然后变换成交流电压的实际值。循环采集10次，就可在100 ms中完成0.1 s采集10次的要求。





4.3 通讯模块设计

计算机网络的协议包括了从物理线路的电气特性到各计算机的进程之间的共享资源的全部内容，其内容庞大而复杂。就本控制器而言，通信协议无需考虑那么复杂，只需制定信息在线路中的传输规则，他涉及信息格式、顺序控制、流量控制、信息成帧与拆帧、差错控制以及传输过程中的管理等。由于通信是系统运行的一个重要组成部分，协议的设计主要考虑可靠、方便地进行数据传输。

控制器主要的通讯功能是通过上位机设置或修改控制器工作的延迟时间、输入／输出电压的切换范围、电压调节器的电压／电流的保护门限以及控制器实时数据的传输等。可使控制器在不同的输入／输出电压和电流范围之内正常工作，从而增加了控制器的灵活性。

通信协议必须解决以下问题：

(1) 接收并处理上位机传来的命令和数据；
(2) 对接收数据进行校验，能够识别指令和数据的有效性；
(3) 收到任何传送给本机的命令应做出相应的响应。

4.4 数据通信协议

协议中所有的命令与数据信息均包含帧头和数据。帧头1 B，数据1 B。在该系统通信中，系统将设置5个参数值，其通信协议如表1，表2所示。

无论系统设置是否成功，下位机都将向上位机返回信息，在表1中，上行命令是由上二位机发送给控制器，实现控制器参数的设置和修改；下行命令主要是控制器根据系统要求完成某种功能之后的反馈信息和数据，也是通信是否成功的回执。

以读取实时数据为例：首先，上位机发送起始命令(帧头)，控制器接收到正确的起始命令之后，经过判断是否有效。若有效，则接收数据并进行处理，最后返回成功应答信号；否则返回数据校验错或者数据接收错误信号，上位机将重新发送。上位机收到数据成功应答信号后，就认为完成了本次通信。通讯流程图如图4所示。



5 结 语

该电网监控器主要作用有3方面：一是对小区域内的电压进行监控和调节；二是对用电电压波动较大的区域通过电压调节，减少事故的发生；三是为对工业电网运行情况分析提供实时数据。目前，该电网监控器已投入使用，并具有如下特点：

(1) 能够实时监控并记录电网参数的变化，有助于分析整个网络的负载特性，进而对电网质量进行评估。
(2) 具有远程通信功能，方便现场记录和现场调试。可以实现控制中心对控制设备的监控功能，实现监控系统的网络化和自动化。
(3) 该电网监测器体积小、重量轻、结构简单易于安装和维护，具有良好的应用前景。