摘要：介紹了電力監(jiān)測中智能監(jiān)控系統(tǒng)的模型設(shè)計(jì)。此監(jiān)測系統(tǒng)采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)電力參數(shù)的交流采樣。系統(tǒng)對(duì)來自電流互感器和電壓互感器電力信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。該裝置主要用于低壓系統(tǒng)的繼電保護(hù)，集綜合測量、顯示功能于一體，可組成功能完善的計(jì)算機(jī)電能管理網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。給出了低壓數(shù)字繼電器的詳細(xì)設(shè)計(jì)方案及其硬件和軟件上的實(shí)現(xiàn)。 1 引言 　　 在低壓電力系統(tǒng)中，涉及測量、計(jì)量、繼電保護(hù)等基本要求。傳統(tǒng)的低壓元件多采用機(jī)電式結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的低壓元件性能差，體積大，成本高，功能單一，不具備智能。低壓數(shù)字繼電器是根據(jù)我國對(duì)電力設(shè)備運(yùn)行、保護(hù)和計(jì)算機(jī)監(jiān)控要求設(shè)計(jì)的，適合我國工礦企業(yè)、民用建設(shè)等供配電的自動(dòng)化裝置，主要用于低壓系統(tǒng)（0.4kV）的繼電保護(hù)，具有很強(qiáng)的綜合測量、顯示功能，能直接顯示三相電流、三相電壓、功率因數(shù)、無功功率、有功功率、電度、頻率等電量參數(shù)，能指示斷路器的分閘、合閘和故障狀態(tài)。通過操作按鍵可整定CT變比、直接顯示進(jìn)線的一次電流、一次電壓；通過對(duì)各項(xiàng)保護(hù)參數(shù)的整定，可實(shí)現(xiàn)短路速斷、過流報(bào)警、過壓報(bào)警、欠壓報(bào)警等保護(hù)功能。通過RS485通信接口，可以組成功能完善、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的計(jì)算機(jī)電能管理網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。 2 原理 　　 一次電壓信號(hào)（AC 380V）直接接在本裝置上，電壓信號(hào)經(jīng)電壓互感器整理送入采集芯片CS5460A；一次電流信號(hào)（AC 5A）經(jīng)CT接入本裝置，電流信號(hào)經(jīng)電流互感器整理也送入采集芯片CS5460A。然后，運(yùn)用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)電力參數(shù)的交流采樣，從CS5460A中讀出當(dāng)前的電流、電壓、電能等參量送顯示。根據(jù)整定值和測量值控制輸出觸點(diǎn)的閉合，還可根據(jù)外部狀態(tài)輸入顯示外部狀態(tài)。 　　 3 硬件構(gòu)成 　　 3.1 以單片機(jī)為核心的硬件設(shè)計(jì) 　　 本裝置以單片機(jī)為核心，功能單元由主控板、采樣電路、顯示驅(qū)動(dòng)電路、看門狗及掉電保護(hù)電路、RS485串行通信接口電路、電流電壓互感器板、繼電器板及外殼和接線端子及電源組成。內(nèi)部各部件采用分層安裝，散熱好，抗干擾能力強(qiáng)。裝置的整體結(jié)構(gòu)原理如圖所示。 3.2 數(shù)據(jù)采集 　　 在實(shí)現(xiàn)電力自動(dòng)化的過程中，最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)是數(shù)據(jù)采集。本裝置全部電量的測量采用單片機(jī)交流采樣獲得。為了降低成本，大信號(hào)的三相電流使用電流互感器得到交流小信號(hào)，而大信號(hào)的三相電壓則用電壓互感器得到交流小信號(hào)。為保證有功功率、無功功率和電量的精度，應(yīng)盡量選用一致性好、相位誤差小的精密互感器。信號(hào)調(diào)理電路實(shí)際上是對(duì)信號(hào)的變換和低通濾波。模擬信號(hào)經(jīng)過互感器的轉(zhuǎn)換送入采集芯片CS5460A，CS5460A芯片是采用CMOS 工藝制造的用于測量能量的單片集成芯片，包含1個(gè)可編程的增益放大器、2個(gè)Δ-Σ的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，兩個(gè)高通濾波器；具有系統(tǒng)整定以及功率計(jì)算功能，用于精確的測量和整定能量、瞬時(shí)功率、電壓有效值和電流有效值等。CS5460A片內(nèi)可以進(jìn)行交流的系統(tǒng)整定，從而很容易完成電壓、電流值到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。微控制器從CS5460A的串行接口中讀出當(dāng)前的電流、電壓、電能等參量。如圖（所示交流電壓和電流分別通過CS5460A芯片的微分電壓正極Vin+端、微分電流正極Iin+端輸入信號(hào)，采樣電路經(jīng)過CS5460A芯片的SDO引腳輸出數(shù)字化的電流、電壓和電能等，送控制器顯示。 　 3.4 看門狗及掉電保護(hù) 　　 當(dāng)程序跑飛或進(jìn)入到一個(gè)臨時(shí)構(gòu)成的死循環(huán)中時(shí)，系統(tǒng)將完全癱瘓?！翱撮T狗”可自動(dòng)復(fù)位使CPU從死循環(huán)中進(jìn)入正常的程序流程。美國Xicor公司的可編程看門狗監(jiān)控E2PROM芯片X25045集成了看門狗定時(shí)器、電壓監(jiān)控和E2PROM三種常用的功能，從而大大降低了成本并節(jié)約了電路空間。X25045帶有的512Í8位的非易失串行ROM對(duì)儀表保存一些重要數(shù)據(jù)非常重要（如參數(shù)設(shè)定），即使掉電也不會(huì)丟失。單片機(jī)對(duì)X25045的讀寫是分別通過寫端口SI、讀端口SO和時(shí)鐘端口CLK按照一定的時(shí)序配合來實(shí)現(xiàn)的。 　　 3.5 顯示驅(qū)動(dòng)電路 　　 ZIG7289A是具有串行接口的、可同時(shí)驅(qū)動(dòng)8位共陰式數(shù)碼管或64只獨(dú)立LED的智能顯示驅(qū)動(dòng)芯片，采用串行方式與微處理器通信，串行數(shù)據(jù)從DIO引腳送入芯片并由CLK端同步，當(dāng)片選信號(hào)CS變?yōu)榈碗娖胶驞IO引腳上的數(shù)據(jù)在CLK引腳的上升沿被寫入ZIG7289A的緩沖寄存器。 　　 4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 　　 4.1 主程序 　　 實(shí)現(xiàn)對(duì)保護(hù)裝置電參數(shù)的測量與監(jiān)視，必須實(shí)時(shí)地收集與處理電量、開關(guān)量狀態(tài)等參數(shù)。裝置對(duì)測量的精確性，保護(hù)動(dòng)作的可靠性、迅速性、安全性都有很高的要求，在單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)多種功能，軟件的設(shè)計(jì)必須對(duì)實(shí)現(xiàn)功能占用CPU時(shí)間的分配上做到有主有次，既要保證功能的完整性，又保證實(shí)時(shí)性。本裝置軟件需完成以下任務(wù)：每1.667ms對(duì)三相電壓電流采樣轉(zhuǎn)換一次，即在一個(gè)交流正弦信號(hào)周期（20ms）內(nèi)采樣12個(gè)點(diǎn)，然后計(jì)算電壓電流的有效值及其他相關(guān)量；通信任務(wù)，接受上位機(jī)的下行命令，將電壓、電流及有功功率、無功功率、電能等實(shí)時(shí)地傳送給上位機(jī)，并執(zhí)行上位機(jī)發(fā)出的控制等其他命令；測量結(jié)果保存及顯示；鍵盤檢測及響應(yīng)。 　　 程序設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)方法將全部功能劃分為主模塊及功能模塊。在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)則采用中斷與查詢相結(jié)合辦法，運(yùn)用任務(wù)調(diào)度的設(shè)計(jì)思想，優(yōu)先級(jí)高的任務(wù)通過中斷實(shí)現(xiàn)，低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)則通過設(shè)置和查詢標(biāo)志的方法用各個(gè)功能模塊。如圖4所示主程序首先對(duì)系統(tǒng)初始化，包括CPU本身、顯示面板、通信及開關(guān)量輸出初始化，然后進(jìn)入主循環(huán)。主循環(huán)中通過查詢標(biāo)志的方法調(diào)用各個(gè)功能模塊：檢查是否有鍵盤查詢標(biāo)志，有則調(diào)用相應(yīng)處理子程序，該程序已對(duì)鍵盤抖動(dòng)及干擾信號(hào)作了處理；檢查是否有新的A/D采樣結(jié)果，如果有則用保存在E2PROM中的通道系數(shù)（該系數(shù)通過上位機(jī)下載）對(duì)A/D采樣結(jié)果進(jìn)行調(diào)整；檢查是否通信需要處理，通信處理包括校驗(yàn)和計(jì)算和檢驗(yàn)、相應(yīng)命令的處理及上發(fā)反饋信息。在完成一個(gè)周波的12點(diǎn)采樣及調(diào)整后，調(diào)用計(jì)算子程序完成所有計(jì)算任務(wù)，包括電壓、電流、功率、電度以及頻率；顯示測量結(jié)果，顯示子程序根據(jù)顯示狀態(tài)顯示不同的測量結(jié)果。 4.2 通信協(xié)議 　　 本裝置數(shù)據(jù)鏈路層采用基于Modbus總線的通信，使信息和數(shù)據(jù)在上位機(jī)（主站）和電力監(jiān)測系統(tǒng)之間有效地傳遞。其作用包括允許主站訪問和設(shè)定所接電力監(jiān)測儀的全部設(shè)置參數(shù)；允許訪問電力監(jiān)測儀的所有測量數(shù)據(jù)。 　　 Modbus是一種廣泛應(yīng)用于工業(yè)上的開放式現(xiàn)場總線協(xié)議，可以利用RS232或者RS485進(jìn)行通信?；就ㄐ欧绞绞且粭l通信線路上只能有一個(gè)主站控制通信，由主站發(fā)出數(shù)據(jù)請(qǐng)求命令，而子站響應(yīng)主站的數(shù)據(jù)請(qǐng)求信號(hào)。在一個(gè)時(shí)刻只能有一個(gè)子站響應(yīng)主站的請(qǐng)求。數(shù)據(jù)的傳送采用ASCII碼，8位數(shù)據(jù)位、無校驗(yàn)、1個(gè)停止位。每個(gè)Modbus數(shù)據(jù)包由子站地址、功能、數(shù)據(jù)和錯(cuò)誤校驗(yàn)4個(gè)部分組成。子站地址為1個(gè)字節(jié)，且在1個(gè)鏈路中應(yīng)當(dāng)唯一，有效的地址范圍為1～247，當(dāng)所有的子站接收到符合Modbus協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)包時(shí)，首先檢查該數(shù)據(jù)包的子站地址，若相吻合，則作處理后返回結(jié)果，否則不予響應(yīng)。功能碼也是1個(gè)字節(jié)，指明該指令要求子站執(zhí)行的操作（設(shè)置參數(shù)、讀數(shù)據(jù)等）。響應(yīng)數(shù)據(jù)包告知主站已經(jīng)完成的操作。數(shù)據(jù)的長度視指令功能而定。一般而言，數(shù)據(jù)按照16位獲32位模式組織。錯(cuò)誤校驗(yàn)，采用CRC-16檢驗(yàn)方式。 　　 5 結(jié)束語 　　 低壓數(shù)字繼電器是在借鑒國內(nèi)外同類產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，根據(jù)我國對(duì)電力設(shè)備運(yùn)行、保護(hù)和計(jì)算機(jī)監(jiān)控要求設(shè)計(jì)的，適合我國工礦企業(yè)、民用建設(shè)等供配電的自動(dòng)化裝置，可廣泛應(yīng)用于電力、紡織、輕工、化工、石油等行業(yè)的電量參數(shù)的監(jiān)測。該儀表具有以往儀表所不具備的優(yōu)點(diǎn)，會(huì)有廣泛的應(yīng)用前景。 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