低压配电监测系统的设计与实现

李金龙

摘 要：目前我国的大部分低压配电线路的智能化程度较低，一般仅采用综合保护器或塑壳断路器进行故障保护，导致供电可靠性较差，灵活性也不够高，是电力系统中的薄弱环节。本文根据目前低压配电建设的实际情况，设计开发出一种监测系统，该系统具有测量负荷、相电压、相电流、谐波电压、谐波电流、电压波动记录以及告警提示等功能。本系统采用的电流传感器为开合式电流互感器，不需要破坏原有的电力线路；本系统采用的通信模块与通信管理机之间为无线传输方式，不需要敷设通信线路。总的来说，具有安装维护灵活，使用简单方便等特点，提高了供电可靠性，达到了保障经济效益的目的。

关键词：低压配电；监测系统；无线通信

中图分类号：TM764 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）17-0164-03

智能电网已经成为全球电网发展和进步的大趋势，欧美等发达国家已经将其上升为国家战略。智能电网技术体系涵盖发电、输电、变电、配电、用电和调度等多个环节，我国配电具有线路结构复杂，环境多样变化，故障频繁，复杂，维护工作量大等特征，因此实施配电线路监测系统是非常有必要的。

监测系统融合了传统的电力传感测量技术，并与故障定位、无线通信、计算机系统集成等技术相结合，不仅可以自动监测线路的运行状况，还能够根据顺序事件记录、波形记录、故障录波进行故障判断和故障指示，协助运维人员，实现快速故障分析，快速定位故障出线，快速抢修和维护，减少停电时间；提高用户供电可靠性，提高配电系统的自动化水平，实现可靠、安全、高效的配电、用电。

1 系统的组成及性能参数

1.1 监测系统的总体框图

低压配电监测系统主要由传感器、数据采集处理单元、通信管理单元、显示终端几部分组成。其中传感器产生模拟量信号；数据采集单元主要完成传感器信号的采集处理和短距离无线传输；通信管理单元主要完成短距离无线传输数据的整合（一路通信管理单元可与多路数据采集处理单元组合）并通过有线或GPRS传输到显示终端；显示终端可以是手机或电脑，将接收到的数据进行存储、在软件界面上显示等。总体框图如图1所示。

1.2 数据采集处理单元原理框图

数据采集处理单元以STM32F103处理器为核心，外部扩展电能计量芯片、FLASH存储芯片、无线和红外通信接口电路、状态显示电路、运放调理电路等。外部AC220V电源经过降压后输出DC5V电源供系统使用，再经过DC/DC电源模块转为±5V供电流传感器使用。数据采集处理单元原理图如图2所示。

1.3 数据采集处理单元主要功能

交流采集与报警：每周期32点的数据，采集三相电压、电流及温度数据，使用FFT算法计算出有效值用于报警及故障信息的判断，采集通道使用通道系数校正，校正系数存储于Flash芯片中。报警信息包括线路故障、失压、欠压、过压、断相、全失压、电压逆相序、电流逆相序、电压不平衡、电流不平衡、失流、过流、断流、潮流反向、过载、掉电、需量超限、总功率因数超限、温度报警等。

计量功能：采用钜全光电ATT7022EU计量芯片实现装置全测量数据的采集，芯片可以通过功率增益、相位校准以及电压、电流的校准达到技术要求指标。可以实时采集三相电压、三相电流、三相及合相有功、无功以及视在功率、功率因数、功率方向、频率、三相及合相有功、无功电能累计，可以进行最多41次的谐波数据分析。

数据通信：红外通信支持就地维护，可以读取全部数据并对参数进行设置，Modbus协议，主从式结构；无线通信与通信管理机实时交互，支持Modbus协议，主从式结构，通信管理机通过轮询方式，实时接收数据及报警信息，并对装置进行对时。

大容量数据存储：采用64Mb SST25/26系列闪存芯片，对于电能累计数据、事件记录、负荷记录以及故障录波数据进行存储，装置校正系数及整定参数也保存在此芯片中，大于100000次的可擦写次数保障寿命10年以上。

电流和电压传感器：电流传感器采用开合式霍尔电流互感器，该互感器采用开合设计，安装、拆卸都非常方便，同时具有频率特性好，结构简单等优点；电压传感器采用电阻分压方式，电阻分压方式可以最大限度的还原原有的电压特性，线性度和温度特性都很好。

2 硬件系统的组成

2.1 处理器模块

该模块采用意法半导体公司主流的ARM处理器STM32F103为主控芯片，外扩大容量FLASH、WATCHDOG等电路。该模块的功能是完成信号采集、数据计算、故障判断、数据存储和通信处理等。

2.2 电源模块

该模块一共含3片电源芯片，分别为AC/DC芯片、DC/DC芯片、LDO芯片。其中AC/DC芯片将交流的220V电压转换为直流的5V电压；DC/DC芯片将5V电压转换为传感器需要的±5V电压；LDO芯片将5V电压转换3.3V电压，供数据采集处理单元使用。

2.3 计量采集模块

该模块使用ATT7022电能专业计量芯片实现电能采集、计量和谐波分析，计量芯片采用SPI接口与主控芯片进行通信，方案成熟，使用方便。

2.4 模拟量转换模块

该模块将电压电、流信号转换为处理器AD通道使用的电平信号，数據采集处理单元共有6路模拟量采集通道，分别为三相电流和三相电压。

2.5 通信接口模块

数据采集处理单元具有红外和433M两种无线通信方式，红外通信用于本地调试和参数整定；433M通信用于数据上传和远程控制。

2.6 状态显示模块

状态显示电路采用6个LED进行显示，各条线路状态和装置运行情况可以在显示面板上进行显示。

3 软件系统的组成

3.1 处理器软件主要处理流程

按照任务的优先顺序和无操作系统单片机程序的特点，把主要程序架构分为前台主运行循环和后台中断任务。主循环包含采集数据的分析、存储等，中断任务包含2个，分别为1毫秒中断和采样中断。其中1ms中断用于产生系统所需要的时间间隔计数等，优先级较低，采样中断优先级最高。软件的主要任务处理流程如图3所示。

3.2 处理器软件主要模块说明

软件模块的划分按照软件工程的概念对源文件进行划分，并注意驱动程序和应用软件的模块划分，关于和具体CPU相关的驱动程序均放到对应的驱动模块中，模块划分的详细信息如表1所示。

3.3 显示终端界面图示

低压监测系统显示终端可以是手机或者电脑，通过软件界面，可以很直观的看到系统的运行情况，常用的3个功能界面如图4、图5、图6所示。

4 结语

本文通过对低压配电监测系统的硬件设计、软件设计，在功能和性能方面都达到了预期指标。在低压配电监测系统的设计和开发过程中，软件和硬件都遵循“模块化”的设计思想，程序代码结构清晰，容易理解，提升了开发效率。硬件模块划分合理，有助于降低开发费用、缩短开发周期、提高后期产品生产效率和降低维护难度。目前该系统已经在项目中使用，从实际运行的结果来看，系统比较稳定。

参考文献

[1]催海.低压配电智能化监控系统的探讨[D].山东大学，2012.11：1-69.

[2]李迎晨.低压配电监控装置在用电管理中的应用[J].工程技术，2010，（4）：133-133.

[3]刘德辉，廖高华，朱杰斌.低压配电实时监测系统的设计[J].配网自动化，2007，（5）：44-47.

[4]李长基.利用监控装置在低压配电网中用电侧电能管理[J].广东科技，2008.7（192）：109-110.

[5]仲平.浅谈低压配电监控系统[J].民营科技，2017，（2）：19-19.

[6]意法半导体.STM32F103数据手册.2013.8：1-105.

[7]Silicon Labs.Si4438数据手册.2014.6：1-44.

[8]星火电子科技.开合式电流互感器数据手册.