基于单片机的配电管理系统研究

2013-04-16新乡职业技术学院翟秀丽孙锡保

电子世界 2013年1期

新乡职业技术学院翟秀丽孙锡保

1.引言

随着社会科技化、信息化、现代化的不断发展，供电系统变得越来越重要，这样也就推动了电力事业的迅猛发展及各种用电设备的相继出现，用户对电源的供电质量要求也愈来愈高，从而使得供电电源的可靠性已成为许多场合、许多设备的基本要求。因此，配电管理系统在电力管理控制中具有不可缺少的基础地位，其工作的可靠性直接影响整个电力系统的可靠性。

2.系统需求分析

配电管理需要监测负载的电力参数，并根据控制中心的限定值来判断负载支路是否异常，从而达到保证供电正常工作的目的，这样配电管理系统性能的可靠性是很必要的，同时一定的数据计算能力也是必需的；考虑到配电管理必须要具备一定的扩展功能，以方便整个系统的更新升级。

针对上述要求，本系统的设计所采用的芯片均为工业级芯片，且增加抗干扰硬件及软件设计；硬件核心选用MCU控制器，尽量选用低功耗芯片，合理控制外围电路；支持串行通信和无线通信功能，预留一定的I/O控制端口方便以后扩展。

通过对现有配电自动化系统的需求分析，确定配电管理系统所需完成的基本功能，如下所述：

1)遥测功能：实时监测负载电流、电压等模拟量，从而计算出其负载功率，从而获得控制中心所需的各支路电力参数。

2)遥控功能：通过无线传输接收控制中心命令，并进行返送校核，根据设定额定值判断是否需要开启或是闭合继电器输出开关。

3)数据存储与上传功能：定时进行数据存储并通过无线通信的方式传输到控制中心。

4)保护功能：当支路负载电流超过配置的额定电流时，主动切断该支路的供电，以保护用户用电安全和电源的正常工作，并存储该信息以便控制中心查询。

5)通信功能：具有RS485接口，可与其他设备之间进行通信，以达到整个系统的整体协作。

3.系统总体设计思想

本系统由配电管理和无线通信两部分构成。配电管理部分又包含主控制器模块、支路电流输入模块、支路输出继电器控制模块、电源模块。该系统是由控制中心将各支路的配电信息通过无线通信模块与主控制模块进行交互，由主控制模块完成对各支路的负载额定功率的设定。同时主控制器通过支路电流值采集模块获取各支路的负载电流值，如果发现哪个支路的负载电流大于设定的额定值，则通过输出继电器控制模块来切断该支路的供电，以达到保护该支路的作用。并通过无线通信模块将负载支路的信息告知供电中心，供电中心解决该支路的故障后再通知主控制器重新供电给该支路。

基于以上原则，所设计的配电管理系统由配电管理和无线通信两部分组成。无线通信模块直接采用已经非常成熟的ZigBee模块。考虑配电管理对功能性接口要求较高，而且存在着少量的计算任务，我们引入了一种高档8位AVR单片机ATmega128。配电管理系统以ATmega128单片机和无线通信模块为核心，配以适当的外围接口电路来完成各项功能，主要包括：电流模拟信号采集及调理电路、支路输出继电器控制电路、系统电源与串行接口电路以及无线通信模块等，如图1所示。

4.系统详细设计

配电管理系统采用RS485总线来实现与其它设备之间的串行通信。本次设计选用TI公司的SN75176完成RS485通信收发功能。主控制器的I/O口控制SN75176发送器和接收器的使能。当RS485接口发送数据时，主控制器通过设置I/O口的电平位来控制SN75176驱动器的输出使能；反之，当RS485接收数据时，主控制器控制SN75176接收器的输出使能。为了防雷和抗干扰，我们将SN75176的TXD引脚通过光耦隔离后与ATmega128的UART0的RX端相连；SN75176的RXD引脚通过光耦隔离后与ATmega128的UART0的TX端相连。同时主控系统通过信号转换器与无线通信模块相连，使主控系统和无线通信模块建立通信机制。

由于系统要根据负载支路电流值的大小来做出相应的控制，所以需要采集负载支路的电流来做为判断依据。这里我们采用直流采样方式来对负载支路进行采样监测。直流采样是把交流电压、电流信号经过各种变送器转化为在一定范围内变化的直流电压，再由各种装置和仪表采集。这种方法能够对被测量的值进行采样，从而获得该支路的电流值。支路电流值采集模块由两个部分组成：模拟信号采集和A/D转换。

1）模拟信号采集

图1 配电管理系统硬件框图

图2 电流-电压的转换原理

图3 支路输出控制电路原理图

模拟信号采集电路主要是把由霍尔电流传感器感应到的支路电流信号转换成A/D采样范围内的电压值。如图2所示，它是将三相电流中的单相转换成电压的电路原理图，另外两相的转换也是同样的转换原理。其中，原理图中的输入端接霍尔传感器的输出端，输出端接A/D转换接口，通过可变电阻调节电流—电压的转换线性关系。

2）A/D模数转换

ATmega128单片机的内部集成了10位精度的逐次逼近型的A/D转换模块ADC，内置采样保持电路，0.5LSB的非线性度和±2LSB的绝对精度，最大采样速率达到15Ksps，具有较强的抗干扰能力，能够满足本次设计的需求。

ADC与一个8通道的模拟多路复用器连接，能对8路单端输入电压进行采样，同时它还支持16路差分电压输入组合。这里我们采用单通道的方式进行模数转换，将待测的模拟电压信号与ADC通道引脚相连即可，这样也简化了我们的设计。ADC通过逐次逼近的方法将输入的模拟电压转换成10位的数字量。最小值代表GND，最大值代表AREF（参考电压）引脚上的电压减去1LSB。通过配置ADC多工选择寄存器可以把AVCC或内部2.56V的参考电压连接到AREF引脚。设计采用的方法是将AVCC作为外部参考电压连接到AREF引脚。

系统的电源设计电源是设计系统中的重要组成部分，系统采用集成电路稳压电源，电源模块主要由变压器、整流桥、7805、7815、7915和LM1117组成。其中7805、7815和7915是固定电压输出的集成三端稳压器，用一块7815和一块7915三端稳压器对称连接的双电源（正负对称电源）没有连续可调的功能，但是可以外接电阻实现输出电压值可各自单独调节。而LM1117为三端可调的电压稳压器，其输出电压由外部分压电阻确定，由该稳压器提供ATmega128单片机所需的3.3V电压。那么我们就直接选用其中的LM1117T-3.3的型号，其分压电阻集成在内部，输出为3.3V直流电压。

支路输出控制模块的主要功能就是根据主控系统的控制信息对开关进行开合控制，从而达到控制电源的供给功能。

开关控制电路在电力监测中，常用继电器驱动开关设备，为了保护数字电路，多采用光电隔离措施。信号经过光电隔离后，通过达林顿驱动器驱动继电器，从而达到控制外部开关的目的。本控制模块采用ST公司的ULN2003驱动八路继电器，用于配电开关控制，如图3所示。

系统的软件部分可分为：初始化模块；A/D转换模块；数据处理与输出控制模块；无线通信模块等，另外整个软件还包括4个中断，即2个定时器中断、ADC中断和串口中断。其中1个定时器中断用于各支路配变电参数进行控制分配的定时，另外1个定时器中断用于定时向控制部门上传数据；串口中断用于单片机同无线通信模块之间数据的收发；ADC中断用于信号的采集。本系统设计的主程序的任务是将几个功能模块联结成一个整体，处理各个功能模块之间的调度，实现系统的稳定高效运行。