單片機嵌入式在遠程電網監(jiān)測系統中的應用
為了保證電網的安全運行,了解電網運行狀況,需要對電網的各種運行參數(如三相電壓、電流、有功功率、無功功率等)進行實時監(jiān)測。嵌入式遠程電網監(jiān)測系統將現代計算機、通信、網絡及自動化技術融為一體,對配電網進行遠程監(jiān)測、協調和控制,從而優(yōu)化配電網絡。利用以太網的豐富資源及UBICOM公司高速單片機SX52BDSX52BD構建分布式以太網嵌入測控系統是一種低成本、高可靠且快捷的技術方案。
1 系統結構
系統結構如圖1所示。監(jiān)控中心工作人員可通過以太網直接訪問分布在各監(jiān)控現場的監(jiān)測儀,了解各電網的運行狀況,從而采取相應措施。電網遠程監(jiān)控系統的核心部件是嵌入式電網監(jiān)測儀,與PC機+網卡+采集卡的以太網測控系統相比成本大為降低,實現了嵌入式系統的大眾化、普及化。
2 嵌入式電網監(jiān)測儀的結構功能
電網監(jiān)測儀對電網上的電壓、電流信號進行采樣和數據處理,在一定時間里保存數據,具體功能如下:
(1)實時監(jiān)測三相電壓Va、Vb、Vc和四相電流Ia、Ib、Ic、和I0;
(2)監(jiān)測A、B、C三相功率因素;
(3)通過RJ45接口與以太網通信;
(4)保存整點時刻的電壓、電流數據、功率因素,保存月統計數據;
(5)用數碼管顯示,使用戶可以在現場查看和設置儀表的運行參數及歷史記錄。 該電網監(jiān)測儀結構如圖2所示。主要由單片機、電壓電流采樣模塊、功率因素監(jiān)測模塊、以太網接口模塊等組成。完成對電網參數的監(jiān)測,實現信號處理、數據顯示及電網運行狀態(tài)顯示等功能。
2.1 單片機
單片機模塊是整個電網監(jiān)測儀的核心。主要完成兩大功能:(1)數據采集和處理;(2)實現以太網的接入。將經過電壓電流監(jiān)測模塊得到的三相實時電壓、三相實時電流和中線電流進行處理;實時監(jiān)測數據可通過RJ45接口傳給以太網,使監(jiān)控中心及時得到電網的相關參數;同時電網監(jiān)控軟件根據測試參數判斷電網運行狀況,電壓是否越限或過低等。 單片機選用UBICOM公司的8位超高速單片機SX52BD,每秒運行數據能力達1億次。由于UBICOM單片機的速度極高,能夠實現實時多任務操作,可以在MCU執(zhí)行數據采集和控制功能的同時把數據打包并傳送到互聯網上。用8位微控制器通過ISP接入互聯網,外圍器件少,系統成本低。UBICOM單片機屬RISC結構,芯片上有Flash程序存儲器,可以在安裝到系統后進行編程和調試。由于CPU采用并行流水作業(yè)方式,執(zhí)行一條指令只需要一個時鐘周期,工作在100MHz時指令執(zhí)行速度可達100MIPS,所有I/O可以通過編程靈活配置。 SX52BD單片機可以輕松地實現虛擬外設的功能。CPU通過執(zhí)行虛擬軟件模塊直接驅動普通I/O口實現硬件外設功能(如UART、I2C、SPI、 Caller ID、FSK等)。即把許多需要硬件實現的功能接口,借助處理器的高速處理能力,通過編寫相應的軟件模塊實現。UBICOM公司用匯編語言實現了以太網TCP/IP協議棧。在外接一個以太網控制芯片(RTL8019AS)RTL8019AS的情況下還可以實現互聯網(IEEE802.3)協議處理,使該單片機系統可以直接通過RJ45RJ45連到以太網上。
2.2 電壓電流采樣模塊
根據采樣信號的不同,可分為直流采樣與交流采樣兩大類。直流采樣是把交流電壓、電流信號轉化為0~5V的直流電壓,再送到A/D轉換器進行轉換。即A/D轉換器采樣的模擬量為直流信號。它的主要特點是:數據刷新速度快,隨著元器件技術的發(fā)展,穩(wěn)定度、精確度大為提高。
交流采樣是相對直流采樣而言,直接對交流電壓和電流波形進行采樣,然后通過一定的算法計算出電壓、電流的有效值、有功功率、無功功率等。
交流采樣對環(huán)境溫度有一定要求,同時對A/D轉換器的轉換速度和采樣保持器要求較高;為了保證測量精度,一個周期內,必須保證足夠的采樣點數,而且采樣計算程序相對復雜,對CPU要求較高,因此該儀器采用直流采樣。其工作原理如圖3所示。
2.3 功率因素檢測模塊
功率因素檢測模塊有兩大功能:(1)判別電壓是超前還是滯后電流;(2)判別功率因素大小。具體相關電路如圖4所示。是當電壓超前電流時,U15B輸出為"1";反之輸出為"0"。電壓、電流的正弦波形分別經過零比較器后(電路忽略)轉換為方波,輸入2/4譯碼電路。譯碼電路只有當A、B信號為"01"或"10"時?X端口才輸出Vref,對積分電路充電;當A、B信號為"00"或"11"時,輸出端口為零。而A、B信號為"01"或"10"的時間正是電壓、電流相位差的時間。時間越長,對電容C23充電的時間也越長。
責任編輯:廖生玨
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