配电网智能监测终端的设计与实现

王 康 ，章国宝

（东南大学 自动化学院，江苏 南京 210096）

随着我国城市和农村智能电网改造的不断深化，智能配电技术也在迅猛发展，掌握配电网实时运行参数，了解当前配电网的实时运行情况已经逐渐成为众多企业和居民较为关心的问题[1]。目前，掌握配电网实时运行参数主要通过电能表来获得。但一般电能表不能提供诸如正向有功电能、反向有功电能、四象限无功电能以及最大需量等电能量参数[2]。并电能表在电能质量分析方面功能还十分欠缺。在配电网发生失压、断相、失流、电压波动和闪变等情况时，电表也不能做出相应的事件记录或者远程报警等[3]。针对如何准确获得配电网实时运行数据，并进行相关的电能质量分析和故障处理等问题，文中以TMS320F28335和ADE7878为核心，提出一种配电网智能监测终端的设计方法。

1 总体方案设计

1.1 核心芯片介绍

TMS320F28335是德州仪器（TI）推出的一款浮点型高性能32位数字信号处理器，主频可达150 MHz，具有单精度浮点运算单元。片上资源丰富，具有256 k×16 bit的Flash存储器，34k×16bit的 SRAM ，3个 32位 CPU定时器，3个 SCI（UART）模块，1个 SPI模块，1路 I2C总线，2通道 CAN总线和2个多通道McBSP模块等[4]。

ADE7878是亚德诺半导体（ADI）推出的一款高精度、三相电能计量芯片，内置多个二阶型模数转换器、数字积分器、基准电压源电路以及所必须的信号处理电路以实现对电能量参数计算。同时ADE7878可以提供电网三相电压和电流的瞬时波形值输出，方便控制器进行谐波分析[5]。

1.2 系统总体架构

本系统以TMS320F28335为控制核心，控制外围芯片工作，主要完成配电网实时运行数据的二次处理、事件记录、电能质量分析、电网数据存储、远程通信以及开关量输出等工作。ADE7878主要完成对配电网实时运行数据的采集和一次计算工作，将采集到的配电网实时运行数据通过SPI接口与TMS320F28335连接。配电网电流信号采集是通过LCTA21CE（40 A/20 mA）微型精密电流变换器，再配合一定的外围采样电路，转换成差分电压信号送入ADE7878的电流信号输入端。电压信号采集是通过LCTV31CE（2mA/2mA）精密电流型电压变换器后直接送入ADE7878的电压信号输入端。外围电路模块包括实时时钟电路、数据存储电路、看门狗电路以及RS485通信电路。系统总体设计框图如图1所示。

2 系统主要硬件电路设计

2.1 电压信号采集电路设计

图1 系统总体设计框图Fig．1 System structure

电压信号采集有电压互感器和电阻分压两种方法[6]。电阻分压的方式虽然不会存在相位延迟的问题，但缺少隔离，会使得系统的电磁兼容性和稳定性变差。电压互感器虽然带来相位延迟的问题，但可以提高系统的电磁兼容性和稳定性。而针对相位延迟问题，可以在软件上进行校准。因此，本系统选择电压互感器的方式对电压信号进行采集。图2所示电压互感器接线方法，可以使得电压信号的相位误差在5°以内。

图2 电压信号采集电路Fig．2 Voltage sample

其中，以电网频率f=50 Hz来计算C1的取值如下：

由于ADE7878的电压信号输入电压范围为±500mV，因此，一次侧的限流电阻取值为249 kΩ，二次侧的采样电阻取值249Ω，这样可以测量的交流电压信号范围上限可以接近500V。

2.2 电流信号采集电路设计

由于配电网运行环境较为复杂，有时会有瞬时大电流经过，为了保证检测装置的可靠性，电流互感器选择LCTA21CE（40 A/20mA）微型精密电流变换器，其二次额定电流有效值为20mA，峰值电流为28．28mA，电流输入通道的采样信号范围为峰值±0．5 V， 可得采样电阻的阻值为 R=0．5/（28．28×10-3）≈17．68Ω，为了留有余量，采样电阻选择 15Ω 的金属膜电阻。电流互感器二次总负载为30Ω，远低于LCTA21CE（40 A/20mA）所要求的额定负载值100Ω，可以获得较好的线性。详细电路设计如图3所示。

图3 电流信号采集电路Fig．3 Current sample

2.3 ADE7878电路设计

ADE7878具有 12路信号输入端，分别是 IAP、IAN、IBP、IBN、ICP、ICN、INP、INN、VAP、VBP、VCP、VN。 其中三相电流和零线电流信号是以差分电压信号的形式输入，三相电压信号经过适当变换直接输入。ADE7878的满量程输入电压信号为±500 mV。ADE7878具有四种电源选择模式，通过将PM0引脚拉高，PM1引脚拉低，可始终保持ADE7878工作在PSM0模式。ADE7878通过4线SPI接口与DSP相连接，同时/IRQ0和/IRQ1引脚连接在DSP的GPIO上以便于DSP对ADE7878发出的中断信号进行检测。ADE7878自带三个脉冲输出端口CF1、CF2、CF3通过光电耦合芯片 TLP521接出，用于芯片校准。ADE7878的详细电路设计如图4所示。

图4 ADE7878电路设计Fig．4 Design of ADE7878 circuit

2.4 I2C接口电路设计

本系统中，实时时钟电路和数据存储电路均采用I2C总线通信方式。

时钟芯片选择上海贝岭公司的一款低功耗实时时钟芯片 BL5372，具有标准的 I2C通信接口，外加 32．768 kHz时钟晶振，具有两套报时系统，内置一个低功耗稳压电源，因此在恶劣环境下仍能保持振荡器正常工作在低功耗模式。BL5372内置数字时间调整电路，可以保证时钟走时的高精度。并且具有两路可编程脉冲信号输出，INTRA和INTRB，最小可以设置为1 Hz方波脉冲输出。详细电路设计如图5所示。

图5 时钟模块电路设Fig．5 Real-time clock circuit

数据存储采用 Atmel公司的 AT24C512，3．3 V供电，具有64 kB的数据存储空间，内部有512页，每一页为128 Byte。具有标准的I2C通信接口。详细电路设计如图6所示。

图6 数据存储模块电路设计Fig．6 Data Storage Circuit

2.5 复位电路

复位芯片选择德州仪器（TI）的TPS3823。当主控制器供电电压跌落至2．93 V以下或主控制器未在1．6 s内向芯片的WDI口输出高电平，表明系统运行出现异常，此时TPS3823的/RESET引脚会向主控制器的/RST口发出一个200 ms的低电平复位信号，使得主控制器复位。详细电路如图7所示。

图7 看门狗电路设计Fig．7 Watchdog circuit

2.6 通信模块设计

配电网智能监测终端在对配电网进行实时监测的同时，还要将检测和处理后的数据按照DLT645-2007通信规约发送到上一级主站，从通信稳定性、可靠性和系统成本方面综合考虑，终端和主站之间采用RS485通信方式。RS485芯片采用德州仪器（TI）的 SN65HVD11D ，3．3 V 供电，最高通信速率可达10Mbit/s。完全可以满足系统通信要求。其中，为了增强通信过程中的抗干扰性，在TXD、RXD以及/RE、DE均采用了HCPL2601高速光电耦合芯片对信号进行光电隔离。详细电路设计如图8和图9所示。

图8 RS485通信电路设计Fig．8 RS485 communication circuit

3 软件设计

配电网智能监测终端主要完成对配电网实时运行参数的检测以及电能质量分析，需要检测的物理量有三相电压、三相电流、正反向有功电能、四象限无功电能、最大需量、功率因数、电网频率等，电能质量分析方面主要包括检测三相电压和电流不平衡度、失流、电压和电流的2～19次谐波分析等。其中，配电网基本电能量数据检测主要通过ADE7878完成，TMS320F28335通过SPI接口与ADE7878通信，将配电网基本电能量数据捕获后进行数据处理和分析，同时完成带时间标志的数据存储、与主站进行485通信以及故障处理等功能。

图9 RS485光耦隔离电路Fig．9 RS485 light coupling Isolation circuit

系统每次运行时，在完成基本初始化工作后，会先读取EEPROM中存储的校表参数，并对ADE7878进行参数校准。之后通过与主站通信，对配电终端进行校时。系统自带3个CPU定时器，其中Timer0用于定时与ADE7878进行通信，读取三相电能量数据。Timer1用于与主站通信时间间隔计时，正常情况下，配电终端与主站每隔15 min必定会有一次通信，如果15min还为接收到来自主站的命令，则通信故障。软件具体流程如图10所示。

图10 软件流程图Fig．10 Software flow chart

4 结 论

文中结合当前配电网终端行业发展的实际情况，提出了一种配电网智能监测终端的设计方案，并对电网实时运行参数检测，电能量数据的处理和计算、数据存储和通信方面做了详细说明。经过一段时间的实际运行，整个系统在电网实时运行参数检测以及电能质量分析方面的准确性、快速性以及系统运行的稳定性方面均具有良好表现。

[1]杨蕾．智能配电网络监测终端的设计[D]．武汉：华中师范大学，2007．

[2]许斌锋，于耀，周余，等．智能配电数字终端的设计与实现[J]．现代电子技术，2011，34（18）：206-210．

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