電網(wǎng)監(jiān)控主要是指電力調(diào)度自動化系統(tǒng)^[1]，根據(jù)電網(wǎng)的規(guī)模不同，可以分為不同級別的電力調(diào)度自動化系統(tǒng)^[2]。隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，電網(wǎng)監(jiān)控和自動化系統(tǒng)的運(yùn)行水平、實(shí)用程度以及總體技術(shù)性能得到迅速發(fā)展和提升。輸電電壓等級不斷升高，電網(wǎng)范圍不斷擴(kuò)大，對電網(wǎng)運(yùn)行管理的要求愈來愈高，對電網(wǎng)監(jiān)控與自動化技術(shù)的要求也愈來愈高。只有運(yùn)行穩(wěn)定可靠的電網(wǎng)監(jiān)控器才能滿足市場的要求和發(fā)展的需要。

2 電網(wǎng)監(jiān)控器功能

電網(wǎng)監(jiān)控器能實(shí)時(shí)根據(jù)輸入／輸出電壓，輸入電流的變化控制4路繼電器，對輸出電壓進(jìn)行切換，并可以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)監(jiān)控參數(shù)的設(shè)定及實(shí)時(shí)參數(shù)顯示。主要功能有：

(1) 實(shí)時(shí)采集電網(wǎng)的輸入／輸出電壓以及輸入電流；

(2) 通過LCD點(diǎn)陣液晶顯示模塊，實(shí)時(shí)顯示電壓調(diào)節(jié)器的輸入／輸出電壓、輸入電流以及電壓變換器的變比；

(3) 實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)監(jiān)控門限參數(shù)的設(shè)定，并具有RS 232通信功能，也可實(shí)現(xiàn)門限參數(shù)的遠(yuǎn)程修改和遠(yuǎn)程設(shè)置；

(4) 通過繼電器的控制，實(shí)現(xiàn)對電壓調(diào)節(jié)器輸出電壓的自動調(diào)節(jié)。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)方案

系統(tǒng)主要由單片機(jī)AT89C52、AD轉(zhuǎn)換電路、LCD顯示電路、遠(yuǎn)程通訊電路以及信號實(shí)時(shí)采集條理電路組成^[3,4]，其系統(tǒng)框圖如所示。

3.2 典型電路分析

3.2.1 電壓信號實(shí)時(shí)采集條理電路分析

信號調(diào)理電路主要完成強(qiáng)電信號與弱電信號之間的隔離和變換，該電路包括互感器、信號轉(zhuǎn)換電路、信號放大電路、信號整流濾波電路。

由于民用電網(wǎng)為220 V AC，故將輸入電壓的范圍定為0～300 V AC。電壓互感器采用GPT206B和電流互感器用RAAI15。其特性分別如下：

GPT206B是一款毫安級精密電流互感器，輸入額定電流為2 mA，額定輸出電流為2 mA。使用時(shí)需要將電壓信號變換成電流信號，電路如所示。

R1是限流電阻，調(diào)整R1的值，使輸入電壓時(shí)電流接近2 mA。副邊是電流／電壓變換電路。調(diào)整中反饋電阻R和r的值可得到所需要的電壓輸出。電容C2是400～l 000 pF，用來去耦、濾波和相位調(diào)節(jié)。考慮到輸入電壓值為300 V，互感器的額定輸入電流為2 mA，所以選擇初級電流為2 mA，計(jì)算限流電阻R1=300 V／2 mA=150 kΩ，選R=150 kΩ／1 W。通過放大電路后，將電壓信號放大，再濾波、整形，送入AD轉(zhuǎn)換。

3.2.2 電流信號實(shí)時(shí)采集條理電路分析

RAAI15是一款精密電流互感器，輸入額定電流為50 A，額定輸出直流電壓為5 V。這樣可以將50 A的交流電流轉(zhuǎn)換成5 V的直流電壓直接送入單片機(jī)采集單元。

3.2.3 電源電路分析

由于系統(tǒng)需要+5 V，+12 V，－12 V三個(gè)電壓，所以采用AC～DC模塊來給系統(tǒng)供電。此模塊可將220 V AC電壓轉(zhuǎn)換成+12 V DC，－12 V DC。再通過7805芯片將+12 V DC轉(zhuǎn)換為+5 V DC。

4 軟件設(shè)計(jì)

控制器軟件主要由控制器初始化模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、LCD顯示模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、輸出控制模塊等組成^[5]。軟件結(jié)構(gòu)圖如所示。

4.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集是控制器工作的基礎(chǔ)，對于系統(tǒng)的計(jì)算和正常運(yùn)行起著決定性的作用^[2]。

控制器使用ADC0809的8位8路并行AD。采樣速率為1 280 k，需要對3個(gè)通道Vi，V0和Li的模擬信號分別進(jìn)行采樣。設(shè)計(jì)軟件時(shí)，使AD工作于序列通道單次轉(zhuǎn)換模式。在該方式下，可限度地利用其AD的高速采集性能，相比較于50 Hz的交流信號而言，完全可以消除電壓、電流由于并非同一時(shí)刻采集所造成的相位差。

為了保證采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，采樣點(diǎn)數(shù)必須足夠多，AD采樣時(shí)鐘使用單片機(jī)ALE信號。通過分頻后，采樣時(shí)鐘達(dá)到500 kHz左右，這樣與AD采樣時(shí)鐘典型值640 kHz接近，故能達(dá)到良好的效果。

4.2 數(shù)據(jù)處理模塊

在進(jìn)行顯示之前，首先要計(jì)算電路的參數(shù)[2]，如電壓、電流的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及輸入／輸出變比等。在程序設(shè)計(jì)中，數(shù)字濾波采用平均值算法。AD轉(zhuǎn)換的時(shí)間為100μm左右，在程序設(shè)計(jì)中每次間隔1 ms采樣，連續(xù)采樣8次，對8次的轉(zhuǎn)換值求和(∑AD)取平均，然后變換成交流電壓的實(shí)際值。循環(huán)采集10次，就可在100 ms中完成0.1 s采集10次的要求。

4.3 通訊模塊設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議包括了從物理線路的電氣特性到各計(jì)算機(jī)的進(jìn)程之間的共享資源的全部內(nèi)容^[2]，其內(nèi)容龐大而復(fù)雜。就本控制器而言，通信協(xié)議無需考慮那么復(fù)雜，只需制定信息在線路中的傳輸規(guī)則，他涉及信息格式、順序控制、流量控制、信息成幀與拆幀、差錯(cuò)控制以及傳輸過程中的管理等。由于通信是系統(tǒng)運(yùn)行的一個(gè)重要組成部分，協(xié)議的設(shè)計(jì)主要考慮可靠、方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

控制器主要的通訊功能是通過上位機(jī)設(shè)置或修改控制器工作的延遲時(shí)間、輸入／輸出電壓的切換范圍、電壓調(diào)節(jié)器的電壓／電流的保護(hù)門限以及控制器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸?shù)取？墒箍刂破髟诓煌妮斎耄敵鲭妷汉碗娏鞣秶畠?nèi)正常工作，從而增加了控制器的靈活性。

通信協(xié)議必須解決以下問題：

(1) 接收并處理上位機(jī)傳來的命令和數(shù)據(jù)；

(2) 對接收數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，能夠識別指令和數(shù)據(jù)的有效性；

(3) 收到任何傳送給本機(jī)的命令應(yīng)做出相應(yīng)的響應(yīng)。

4.4 數(shù)據(jù)通信協(xié)議

協(xié)議中所有的命令與數(shù)據(jù)信息均包含幀頭和數(shù)據(jù)。幀頭1 B，數(shù)據(jù)1 B。在該系統(tǒng)通信中，系統(tǒng)將設(shè)置5個(gè)參數(shù)值，其通信協(xié)議^[2]如表1，表2所示。

無論系統(tǒng)設(shè)置是否成功，下位機(jī)都將向上位機(jī)返回信息，在表1中，上行命令是由上二位機(jī)發(fā)送給控制器，實(shí)現(xiàn)控制器參數(shù)的設(shè)置和修改；下行命令主要是控制器根據(jù)系統(tǒng)要求完成某種功能之后的反饋信息和數(shù)據(jù)，也是通信是否成功的回執(zhí)。

以讀取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)為例：首先，上位機(jī)發(fā)送起始命令(幀頭)，控制器接收到正確的起始命令之后，經(jīng)過判斷是否有效。若有效，則接收數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，返回成功應(yīng)答信號；否則返回?cái)?shù)據(jù)校驗(yàn)錯(cuò)或者數(shù)據(jù)接收錯(cuò)誤信號，上位機(jī)將重新發(fā)送。上位機(jī)收到數(shù)據(jù)成功應(yīng)答信號后，就認(rèn)為完成了本次通信。通訊流程圖如所示。

5 結(jié) 語

該電網(wǎng)監(jiān)控器主要作用有3方面^[6]：一是對小區(qū)域內(nèi)的電壓進(jìn)行監(jiān)控和調(diào)節(jié)；二是對用電電壓波動較大的區(qū)域通過電壓調(diào)節(jié)，減少事故的發(fā)生；三是為對工業(yè)電網(wǎng)運(yùn)行情況分析提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。目前，該電網(wǎng)監(jiān)控器已投入使用，并具有如下特點(diǎn)：

(1) 能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控并記錄電網(wǎng)參數(shù)的變化，有助于分析整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載特性，進(jìn)而對電網(wǎng)質(zhì)量進(jìn)行評估。

(2) 具有遠(yuǎn)程通信功能，方便現(xiàn)場記錄和現(xiàn)場調(diào)試。可以實(shí)現(xiàn)控制中心對控制設(shè)備的監(jiān)控功能，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化和自動化。

(3) 該電網(wǎng)監(jiān)測器體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單易于安裝和維護(hù)，具有良好的應(yīng)用前景。