（交通信息工程及控制专业论文）基于PIC单片机的配电网综合参数测控仪研究.pdf

南京航空航天大学硕十学位论文 摘要 为保证配电网的安全运行和了解配电网运行的状况，需要对配电网的各种运 行参数进行实时监测，并能根据需要及时地将各种测量参数送往调度监控中心， 所以目前的低压配电网综合参数测控仪得到了广泛的应用。无功补偿器和配电网 测控仪两套装置在低压配电网中并列运行，无论是在成本上还是在管理上都是个 问题，所以本文介绍了一种将二者合二为一的设计方法，使得装置在投入成本上 大大降低，在管理上更加灵活方便。本测控仪采用电压和电流互感器来转换三相 四线制用电参数的交流信号，使用专用电能计量芯片a t t 7 0 2 6 来采集转换后的交 流信号，将所测量到的参数通过s p i 口送往主控制器，而本仪器采用p i c l 6 f 8 7 7 单片机作为主控制器来对整个系统进行控制和监测。同时该测控仪还具有无功功 率补偿的作用，配有r s 4 8 5 通信，可以将所测量的参数和信息送往调度中心。本 测控仪的精度已达到国家工业级标准，是实现配电网测控和功率因数校正及无功 补偿的新型仪器，具有结构简单、精度高、抗干扰能力强等特点，具有很大的市 场潜力。 关键字：电压互感器，电流互感器，a t t 7 0 2 6 ，p i c l 6 f 8 7 7 ，无功功率补偿，r s 4 8 5 通信 基于p i c 单片机的配电网综合参数测控仪研究 a b s t r a c t i no r d e rt oe n s u r et h es a f eo p e r a t i o no fd i s t r i b u t i o ns y s t e m sa n dk n o wt h es t a t u s o fd i s t r i b u t i o ns y s t e mo p e r a t i o n ，t h e r ei san e e dt h a tp a r a m e t e r ss h o u l db em e a s u r e d a n dm o n i t o r e di nt i m e ，a n dt h e nb es e n tt ot h ec o n t r o lc e n t e ei ts t i m u l a t e saw i d e a p p l i c a t i o n o ft h e m e a s u r i n g a n d c o n t r o l i n g i n s t r u m e n tf o r t h el o w v o l t a g e d i s t r i b u t i o nn e t w o r k sp a r a m e t e r sn o w a d a y s w h e nc o s to rm a n a g e m e n ti st a k e ni n t o c o n s i d e r m i o n ，i tm a y n o tb e a p p r o p r i a t e t o o p e r a t e b o t ht h er e a c t i v e p o w e r c o m p e n s a t i o ns y s t e ma n dt h em e a s u r i n ga n dc o n t r o l i n gi n s t r u m e n tf o rl o wv o l t a g e d i s t r i b u t i o ns y s t e m sa tt h es a m et i m e i nt h i sp a p e r , t h ea u t h o ri n t r o d u c e sa d e s i g nb y w h i c ht h et w oi n s t r u m e n t sc a nb ei n t e g r a t e di n t oo n e ，i na c c o r d a n c e ，t h ec o s to ft h e i n s t r u m e n t sw i l lb er e d u c e dg r e a t l y , a n dt h em a n a g e m e n tw i l lb em o r ef l e x i b l e t h e m e a s u r i n ga n dc o n t r o l i n gi n s t r u m e n tu t i l i z e sv o l t a g ea n dc u r r e n ti n d u c t o r st os w i t c h t h ea c s i g n a la tt h et h r e e - p h a s ea n d f o u r - w i r es y s t e m ，u s e st h es p e c i a le l e c t r i ce n e r g y c a l c u l a t i o n c h i p t om e a s u r et h es w i t c h e d s i g n a l ，a n d t h e ns e n d st h em e a s u r e d p a r a m e t e r s t ot h em a i nc o n t r o l l e r b y s p ii n t e r f a c e t h i si n s t r u m e n tu t i l i z e s p i c l 6 f 8 7 7a st h em a i nc o n t r o l l e rt oc o n t r o la n dm o n i t o rt h ew h o l es y s t e m a tt h e s a m et i m e ，t h ei n s t r u m e n to w n st h ef u n c t i o no ft h er e a c t i v ep o w e r c o m p e n s a t i o na n d i se q u i p p e dw i t ht h er s 4 8 5 c o m m u n i c a t i o n ，s oi tc a l ls e n dm e a s u r e dp a r a m e t e rt ot h e c o n t r o lc e n t e r t h ep r e c i s i o no ft h i si n s t r u m e n th a sa l r e a d yr e a c h e dn a t i o n a li n d u s t r y s t a n d a r d i ti san e w t y p ei n s t r u m e n tw h i c hc a l lm e a s u r ea n dm o n i t o rd i s t r i b u t i o n s y s t e m s ，p r o o f r e a dp o w e rf a c t o r , a n dh a st h er o l eo f r e a c t i v ep o w e r c o m p e n s a t i o n t h em e a s u r i n ga n dc o n t r o l i n g s y s t e me n j o y sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha ss i m p l e s t r u c t u r e ，h i g hp r e c i s i o na n ds t o n ga n t i d i s t u r b i n g ，e t c i th a se n o r m o u sm a r k e t p o t e n t i a l k e y w o r d ：v o l t a g ei n d u c t o r , c u r r e n ti n d u c t o r , a t t 7 0 2 6 ，p i c l 6 f 8 7 7 ，r e a c t i v ep o w e r c o m p e n s a t i o n ，r s 4 8 5c o m m u n i c a t i o n u 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本 论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：矍堕 日期：a _ o s - 哆 南京航空航天大学硕士学位论文 注释表 m c u ：m i c r o c o n t r o lu n i t 单片机； s c a d a ：s u p e r v i s o r y c o n t r o la n dd a t a a c q u i s i t i o n 数据采集与控制 r t u ：r e m o t et e r m i n a lu n i t 终端远动装置； c p u ：c e n t r a lp r o c e s s i n gu n i t 中央处理单元； d s p ：d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g 数字信号处理： a d c ：a n a l o g t od i g i t a lc o n v e r t e r 模数转换器； s p i ：s e r e i a lp e r i p h e r a li n t e r f a c e 串行外设接1 2 1 ； r i s c ：r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t i n g 精简指令集； p f c ：p o w e rf a c t o rc o m p e n s a t i o n 有功功率补偿： u 一电压有效值； p f 功率因数； 0 无功功率： s 一合相功率； e 一无功能量； 办一补偿后功率因数角； n 一一仪表常数； i b 额定电流： i s t a r t 启动电流： t 0 一一一角频率； n 2 一二次绕组； 觚e c 一模拟电源电压； i 电流有效值； p 有功功率； f 频率； e 。一一一有功能量； 西补偿前功率因数角 c 补偿电容的容量： u n 额定电压； i m a x 一一最大电流； o 。磁通； n 1 一一次绕组； v c c 一一一工作电压 c o s 西功率因数。 v i i 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 低压配电网测控系统智能化概述 本文所提到的配电网系统指的是低压配电网系统，包括3 6 k v 以下电压等级 的终端用户变电所的内容，由于1 0 ( 3 5 ) k v 3 8 0 终端用户变电所系统中涉及面 最广，也是电能最终分配并直接送往用户产生经济效益的变电所，其运行安全、 可靠性、经济效益以及自动化程度的高低，直接影响电力系统的整体水平。1 0 ( 3 5 ) k v 3 8 0 终端变电所般分布在工矿企事业、商业、生活区等负荷相对集 中的地方，具有负荷回路多、丌关类型多、故障率高等特点，是电力系统中实现 综合智能监控难度较大、也是我国目前进行综合自动化方面最薄弱的领域，进行 这方面的研究对提供运行安全、可靠性及经济效益等方面都有重要的现实意义。 配电网测控系统智能化，即配电网系统智能测控是利用现代的计算机和通信技 术，对在线运行电网设备进行远方监视和控制【lj 。其内容包括：一是馈线自动化， 使配电网系统能实现故障自动隔离，网络重新构造及其运行方式的自动监视、调 整和控制；二是配电网自动化，使配电网的运行实现远方监视和控制，提高运营 的经济性和安全性；三是配电网管理自动化，包括配电网测控系统运行信息的运 行方采集，运行状况的监视以及网络分析和运行决策【2 1 。目前我国配电网结构还 很薄弱，绝大多数为放射树状结构，且多为架空线，供电半径不合理，导线截面 过小，供电可靠性差，损耗高，电压质量差。利用城市网、农村网建设与改造的 有利机遇，采用配电网智能监控技术对电网进行改造，可大力改善配电网运行的 安全可靠性，提高其运行管理水平，降低损耗具有重要意义。 为保证配电网的安全运行和了解配电网运行的状况，需要对配电网的各种运 行参数进行实时监测，并能根据需要及时地将各种测量参数送往调度监控中心， 所以目前的低压配电网综合参数测控仪得到了广泛的应用。无功补偿器和配电网 测控仪两套装置在低压配电网中并列运行，无论是在成本上还是在管理上都是个 问题，所以本文介绍了一种将二者台二为的设计方法，使得装置在投入成本上 大大降低，在管理上更加灵活方便。采用p i c 单片机作为处理器，既可实现配电网 测控仪的功能，又可实现无功补偿控制器的功能，以无功功率和电压为主判据，实 时测量谐波含量，同时又以谐波闽值作为装置的辅助判据，很好地解决了以上存 在的问题。 3 1 基于p i c 单片机的配电网综合参数测控仪研究 1 2 低压配电网测控系统的主要功能 一般来说当今许多公司开发的配电网系统智能测控仪或类似产品有以下7 个 方面的功能：即数据采集与控制( s c a d a ) 、负荷管理、电压无功综合控制、 可靠性管理、信息管理、配电网计算机图示系统、安全和节能。至于某一确定的 配电网系统需要实现那几项功能应该通过技术、经济比较来确定。【4 l 1 数据采集与控制【5 j 数据采集是采集配电网的运行数据，主要有配电站的母线电压以及变压器和 线路的电流、有功无功功率、用电量、主要用户的负荷等。经过数值运算和统 计处理，得出全电网的功率总和、电量总和、负荷率等。在屏幕显示器上显示全 网各配电变电站的主结线图，图中附有开关状态和运行数据。当开关变位时相应 的开关还会发出闪光信号；当运行数据超过给定的上下限值时会发出报警信号。 上述的各种运行数据通过远动系统传送到调度中心的计算机。用户的用电量 是通过智能装置送往调度中心的。智能测控仪将用电现场采集来的用电参数送往 配电调度中心，再通过人工直接控制，或通过智能测控仪的实时控制软件实施控 制，也可利用调度中心发出的控制指令实施控制，这些控制信号通过远动装置送 到现场的执行装置，或操作馈电线负荷开关，或改变变压器接头的位置，或操作 补偿电容器组的断路器。 2 负荷管理 负荷管理包括负荷监视和负荷控制。负荷控制一般有两种方式： 1 ) 对用户负荷进行直接控制 配电调度所内的计算机或按照预先设定的负荷曲线发出控制命令，切除或投 入负荷；或切换分时计费的电能表：或改变负荷定量器的整定值；在故障或用电 高峰时紧急切除负荷，在故障或高峰过后恢复供电。直接控制的负荷有热水器、 空调器、游泳池水泵等。直接控制的工业负荷有电弧炉、电焊机等。 2 ) 让用户自己控制 采用分时电价，让用户主动的控制自己的用电，在高电价时少用，低电价时 多用。 3 电压无功综合控制 计算机定时进行变配电网电压和无功功率分配的优化计算，根据保证电压质 量、降低电网损耗的原则作出决策，发出控制指令去调节有载调压变压器的分接 头或切换补偿电容器组。电压无功控制包括母线电压控制、馈电线的无功功率 控制、馈电线远端电压控制、线路电压降的补偿、配电变电站变压器环流控制和 无功功率控制。 4 可靠性管理 南京航空航天大学硕士学位论文 配电网可靠性管理是指变配电网中发生故障时通过恰当的控制，将故障的影 响限制在最小范围之内，从而提高供电的可靠性。具体做法是： ( 1 ) 发生瞬时故障时，配电线路的断路器跳开后自动重合一定次数，如果 线路是瞬时故障则可恢复供电； ( 2 ) 如果是永久故障则通过计算机软件自动识别故障区段，进行故障隔离 和恢复正常区段供电。 上述可以由计算机自动完成，也可以由计算机系统给出操作步骤由运行人员 实施操作。 5 信息管理 信息管理的关键是计算机系统的数据库。它存放配电网中所有有关的状态量、 模拟量和脉冲量等信息，而且不断的更新，是信息管理的基础。具体包括以下三 个方面： 1 ) 实时数据库 存放配电站、馈电线和大用户的实时运行信息，其中配电网图形显示数据库 又分为街道图形数据库和配电网图形数据库两部分。 2 ) 电费管理 过去是人工抄表，现在由抄表机抄表或远方读表。信号传送媒体可以是专 用信号线、配电线载波、电话线和无线电。这样在调度所就有了用户负荷量和用 电量信息。 3 ) 设备档案管理 数据库中有配电变压器。开关、线路、电缆、电容器组等电气设备的原始 档案材料可供查阅，而且还有保护定值、设备动作次数、维修日前等运行和维修 管理所需妻的信息，以及运行报表和维修计划等。 6 、配电网图示系统 配电网图示系统是在计算机屏幕显示器上显示以地理图形作为背景的配电 网网络图。配电网网络图上要显示网中安装的配电设备、馈电线、架空线开关、 用户、地下配电设施和仪表等，还要显示馈线名称、设备编号以及用户编号等信 息。这样调度员就可以很方便的监视配电网的运行状态，在计划停电和事故停电 时给出检修和维护指导。 7 、安全和节能 在安全运行方面，通过配电网智能测控系统可以监视配电网的安全运行状况， 并进行控制：在配电网发生事故时提出事故指导意见，以便及时进行处理。当电 力系统频率降低时自动切除一部分次要负荷，以保证配电网的稳定运行和重要负 荷的可靠供电。 基于p i c 单片机的配电网综合参数测控仪研究 1 3 实现低压配电网测控系统自动化的必要性同 1 实现低压配电网自动化是提高人们生活质量、发展国民经济的要求 在现代社会中，供电质蜀：的好坏，不仅反映一个国家或地区人们的生活质量、 水平和投资环境的好坏，更是影响经济发展的重要因素，它决定着工业发展的方 向、规模。实际上，信息时代的到来，要求不问断供电的计算机设备越来越多， 给供电提出了更高的要求。停电或限电会导致减产，丽忽然的停电则会危害工厂 的重要设备。只有实现中低压配电网的自动化才可能最大限度地提高供电质量， 满足人们同常生活工作与生产的需要。 2 实现中低压配电网自动化是电力企业自身发展的需要 实现中低压配电网自动化，可提高供电的质量和可靠性。实现中低压配电网 自动化，可减少故障次数，缩小事故范围，缩短事故时间。为恢复供电、快速分 析、诊断、报告事故原因提供有效的依据。 实现中低压配电网自动化，可以提高蹩个电力系统的经济效益：减轻维护人 员的劳动强度；减少操作人员；增强电力系统的免维护性；有利于提高设备的安 全和健康水平，延长使用寿命。 实现中低压配电网自动化，可以提高整个电网的管理水平。主要包括：为电 力系统计算机管理自动、准确、及时地提供更为详尽、丰富的数据和信地方、任 何用户的计划停电、供电；可以方便、直观地监控全局内各个用户的用电、供电 情况，实现总体控制。 3 低压配电网是我国配电网自动化的薄弱环节 配电网自动化建设，在我国尽管起步较晚，但也已经进行了近2 0 年的研究 和实践，取得初步成效。但是研究与实践成果大多数都是在高压配电网( 3 5kv 以上) 层次上进行的，而在中低压配电网( 配电房这一层次) 的自动化问题上， 还是一片空白，既没有总体的规划，也没有一个绕的技术原则。不仅如此，目 前的纵向监控一般只限于变电站的出线以前，对j ：从变电站馈线到终端用户等属 于用电管理范畴的监控，除少数大用户的负荷控制外，尚无其它峪控手段。 南京航空航天大学硕士学位论文 2 1 课题简介 第二章系统总体方案设计 随着我国经济体制改革的深入进行，原有的城乡电网已不能适应新形势的需 要。由于我国电力用户功率因数偏低，低压配电网的非线性、不对称及冲击性负 荷迅速增多，致使电网的电能质量恶化。尤其是非线性负荷产生的谐波电流大量 向中、高压配电系统渗透的情况长期得不到治理，增加了损耗。此外，快冲击负荷 ( 如轧钢机、焊机、大型冲床等) 从电网吸收无功，导致大量无功功率在低配电网 内传输，线损增大，电网电能质量下降。因此，增设动态无功补偿装置，减少无功传 输，是配电网节能降耗的一项重要措施。但是，传统的低压无功补偿装置大多采用 固定式或交流接触器投切方式，在结构上多为分立器件组成，可靠性差：开关投切 电容时，电弧可能重燃，造成过电压或震荡，触点损坏时有发生，且由于投切时不 能精确控制，致使浪涌电流对电网有较大的冲击，严重影响了电网的质量。【7 1 供电部门及时了解配电运行状况，可为经济、安全运行方案的制定及设备增 容等提供科学依据，是配电网管理自动化及城、农网改造等方面的重要内容。对 于配电网系统和电力用户，适当地增加并联电容器进行无功就地补偿，不但可以 减轻上一级电网的压力，而且可提高用户配电变压器的利用率，改善用户功率因 数和电压质量，有效地降低电能损失，减少用户电费，提高供电能力。 8 】 本课题应资助厂商一昆山昌明电子实业公司的要求，定位在满足市场上中小 用户的需要并考虑到性价比和实用性等因素，成功研究并开发了具有自主知识产 权的配电网综合参数测控仪，此仪器采用t m i c r o c h i p 公司的p i c l 6 f 8 7 7 9 】单片机 为主控芯片，采用专用的电能计量芯片a t t 7 0 2 6 作为计量芯片，能准确的测量出 配电网的电压、电流、功率因数、功率等用电参数并进行功率因数自动校正、无 功补偿等功能【1 0 l 。 该配电网测控仪主要用于监测工业上三相四线制的a 、b 、c 三相2 2 0 v 交流电 压、频率和5 a 的交流电流以及功率因数、无功功率、有功功率等参数，并根据控 制要求发出报警信号、投切电容器组，进行无功补偿以确保功率因数在可控范围 内，还可以向控制站发送用电参数及事件的报表i l ”。本仪器配有较多的输入、输 出接口，其功能主要有： ( 1 ) 能准确的测量三相四线制的2 2 0 v 电压、5 a 电流、频率、有功功率、无功功 率、功率因数等参数： ( z ) 采用l c d 将参数显示，由于参数比较多，采用翻屏显示，每屏显示三个参 基于p i c 单片机的配电网综合参数测控仪研究 数； ( 3 ) 报警功能：如果电压过低或过高、电流过低或过高、断相或者功率因数太 低等就能及时的进行报警： ( 4 ) 能监控配电网的运行状况：是超前还是滞后； ( 5 ) 具有r s 4 8 5 通讯，可以将测量的参数和运行状况通过r s 4 8 5 通讯传送到控制 站或用电中心； ( 6 ) 可进行无功功率补偿以确保功率因数在可控范围之内，进行电容器组的投 切。 2 2 目前低压配电网测控系统中信号采集方案的比较 在目前配电网测控系统中对数据信号的采集主要有两种方案【j 2 】： a ) 直流采样方案 这种类型的终端远动装置( r t u ) 装置在采集模拟量之前，先利用变送器 将交流转化成直流，然后再使用r t u 的a d 转换元件将直流量表示成数字 量。其装置以模拟电路为主，辅以少量的数字电路。其特点在于需要变换器， 无需高级的数字处理单元( c p u 等) ，难以反映模拟量的瞬时变化，无法进行 谐波分析，电能量总加功能的实现比较复杂困难。 b ) 交流采样方案 这种类型的r t u 装置直接使用a d 转换元件对交流电量进行采集计算， 无需变送器之类的转换设备，但需要快速的数字处理单元进行西已合，以对采集 到的数据进行分析、综合。它不仅可以反映电量的瞬时变化，而且可以进行谐 波分析，计算频率，简单地实现电能量总加功能。它们多使用微型计算机( 如 8 x 8 6 等) 配合多个单片机( 如8 0 5 1 、8 0 9 8 等) 、并加上大量的a d 转换电 路，来实现开关量、模拟量的采集。 当的在数字技术得到充分发展和应用的情况下，交流采样方案是配网自动 化的一个合理选择。它以数字电路为土，辅以少量的模拟电路，功能强大，扩 充容易，可靠性较直流采样方案有较大提高，综合成本低。因此本测控仪的采 用方案也是采用交流采样方案，直接将电网的交流信号通过互感器转换为弱电 交流信号，提供给采样芯片。 2 3 系统总体方案设计 根据厂家和设计上的要求，为了避免强电信号对弱电信号的干扰，在整体结 构上采用三层电路板：第一层电路板主要是用于和强电部分的接1 2 1 ，将强电信号 6 南京航空航天大学硕士学位论文 转换为弱电信号；第二层是对弱电信号进行一些相关的处理，也是本设计中的主 控电路板；第三层是l c d 显示电路板，主要是对从第二层传送过来的参数进行显 示。其中第一层与第二层通过一根2 6 芯的信号线传输，而第二层与的三层之间通 过一根2 0 芯的信号线相连。系统的总体结构图如图2 1 所示。 本测控仪的基本技术指标有： a 精度：有功0 5 级，无功2 级； b 仪表常数n ：1 6 0 0 i m p k w h ： c 额定电压u n ：三相四线制电压2 2 0 v ； d 额定电流i b ：5 a ； e 最大电流i m a x ：1 0 a ； f 启动电流i s t a r t ：0 4 i b 。 图2 1 低压配屯网测控仪的整体结构框图 在本测控仪的设计中，为了满足各种性能的需要，采用m i c r o c h i p 公司生 产的p i c l 6 f 8 7 7 单片机作为m c u ，该单片机具有很强的抗干扰能力，采用专用的 电能计量芯片a t t t 0 2 6 来采集配电网上的交流信号，该计量芯片的测量精度高， 它主要是采用d s p 技术来对所采集到的交流信号进行处理【l3 1 ，并将所测量的参 数通过s p i 口传送给m c u ，再通过m c u 的控制将参数进行显示、根据无功功 率和电压来进行无功功率补偿并进行电容器组的投切、监测运行状况、如果出现 故障进行报警、将所测量的参数和所监测到的运行状况通过r s 4 8 5 传送给配电 中心等几个功能模块，而各个模块的功能实现主要是通过p i c l 6 f 8 7 7 单片机来控 制和协调，主控电路板的电路原理框图如图2 2 所示。因此本测控仪的设计主要 包括以下几个模块： 1 交流信号转换模块 本模块主要是将配电网上的2 2 0 v 交流电压和5 a 的电流转换成小电压和小 电流，提供给专用电能计量芯片a t t 7 0 2 6 ，同时也包括电源部分的设计。 基y - p i c 单片机的配电网综合参数测控仪研究 2 交流信号采集与处理模块 该模块主要是对采集到的交流信号进行采集和处理，并通过s p i 口将所测量 的参数送往m c u ，同时通过s p i 口接收m c u 传送过来的校表参数。 3 系统控制模块 该模块包括将所接收的参数送往液晶进行显示。对所监测的配电网运行过程 中出现的故障即时的进行报警，同时将所监测到的信息通过r s 4 8 5 通信送往调 度中一t s , ，让调度中心的人员及时的作出补救措旋或者监测电网的运行状况。另外， 在该模块中还将通过无功功率补偿来完成电容器组的投切。这些功能主要通过 p i c l 6 f 8 7 7 单片机来控制和管理。 圈2 2 主控扳的电路原理框图 南京航空航天大学硕士学位论文 第三章低压配电网测控系统中交流信号转换电路的设计 在第一层电路板也就是交流信号转换电路的设计中，主要功能是为第二层电 路板提供所需要采集的交流信号和电源，并隔离了一些干扰信号，避免其进入主 控电路板。而将强电信号转换为弱电信号的方法是采用电压互感器和电流互感 器。电流和电压互感器是电力系统中一种特殊的变压器，它们把大电流变成小电 流，把高电压转换成低电压，用来使仪袭、继电器与主电路绝缘，以保证电力系 统的安全，扩大仪表和继电器的使用范围，另外当电力线路发生故障时，出现过 电压或过电流时，由于互感器铁芯趋于饱和，其输出不会成正比的增加，能够起 到对测量仪表设备的保护作用。下面将详细的介绍电压互感器和电流互感器。 3 1 电压互感器的选择 3 1 1 电压互感器的概述 1 电压互感器的结构原理f 1 4 】 电压互感器是一次与二次电气回路之间的连接设备，其作用是进行电压变换， 同时实现一、二次系统的电气隔离。经过电压互感器把一次电路的高电压变换成 适合于继电保护装置或电气测量仪表等工作的低电压，使二次设备工作在低电压 下，这样既能保证二次设备工作的准确度和可靠性，又能很方便的实现二次设备 的标准化，同时工作人员的安全也能得到保障。 电压互感器的结构由相互绝缘的一次绕组、二次绕组铁心以及构架壳体接线 端子等组成。其工作原理与变压器基本相同，一次绕组和二次绕组在同一个闭合 的铁心上，一次绕组与系统( 供电线路) 的线电压或相电压连接，此时匝数较 多的一次绕组( n i ) 承受的系统的交流电压以，绕组中流过电流t ，使铁心产生 交变磁通瓯，匝数较少的二次绕组( 2 ) 在o 。的感应下产生二次电压晚，二 次电压与电能表电压线圈等二次负荷( z ) 并联，产生负荷电流t ，见图3 1 。 rr r 电压互感器的额定变比= 粤= 睾 u 2 v 2 2 电压互感器使用的注意事项 ( 1 ) 电压互感器要与仪表、仪器配套使用。 ( 2 ) 电压互感器的铁心、外壳和二次绕组的一端必须接地。因为一次电压很高， 而二次电压很低，若一、二次绕组问的绝缘击穿，接地后可以使工作人员、测量 仪表免遭高压危及安全。 9 基于p i c 单片机的配电网综合参数测控仪研究 ( 3 ) 电压互感器在运行中，二次绕组不能短路。如果电压互感器的二次绕组在 运行中短路，则二次电路中会出现极大的短路电流，使二次绕组因严重发热而烧 毁，因此电压互感器的二次侧也应装设熔断器，作为短路事故的保护。 ( 4 ) 二次仪表和仪器的电压线圈应并联接在电压互感器的二次线圈上。 ( a ) 图3 ，l 电压互感器 1 、一次绕组2 、铁心3 、二次绕组 ( a ) 结构原理图( b ) 图形符号 3 1 2 电压互感器的选择 在电压互感器的选择中应遵守以下几个规则： ( 1 )电压互感器的额定频率应与被测线路一致。 ( 2 ) 根据被测线路电压选择电压互感器的额定一次电压。根据测量仪表额 定电压确定二次额定电压。电压互感器和电压测量仪表在其额定值附近误差最 小，因此电压互感器的额定一次电压应等于测量仪表的额定电压。若被测电压的 大小是变化的，则变化范围应在8 0 1 2 0 ( 0 5 级电压互感器) 或2 0 1 2 0 ( o 2 级及以上的电压互感器) 额定电压范围内，否则就要选用多变比电压互感 器。 ( 3 ) 根据电压互感器二次侧所接仪表的导纳，选择互感器的额定负荷和功 率因数。应选额定负荷等于或稍大于实际负荷导纳，且功率因数( p f ) 相近的( p f = l o 8 ) 电压互感器。当互感器单独接电表时，互感器实际二次负荷功率因数 远低于0 8 ，角差要比负荷p f = o 8 时偏正，比差变化不大于并稍偏谁。当然最 好制做和选用相应容量和功率因数的互感器。如二次负荷的大小变化，则变动 应在电压互感器的额定负荷与下限负荷之间。因为当电压互感器二次负荷大于额 定负荷或小于下限负荷，互感器准确度没有保证。对于仪用电压互感器，当二次 负荷比额定负荷增大一倍时，互感器准确度下降一等级。 ( 4 ) 用来扩大电压表或仪表电压线圈量限的电压互感器，其准确度等级应比 电压表或电压线圈高1 o 2 0 级；用来扩大功率表量限的电压互感器，其准确 可四 南京航空航天大学硕十学位论文 度应不低于l _ o 级；用来扩大电度表量限的，其准确度应不低于0 5 级。标准电 压互感器的准确度等级应比被检定电压互感器高2 级，且不低于0 2 级。两互感 器的电压比一般应相同。 ( 5 ) 电压互感器在运行中严禁短路。一旦发生短路，将烧毁互感器。在多变 比的仪用电压互感器中，只能选用1 个一次线圈和1 个二次线圈组成1 个电压比， 其它线圈必须开路。 ( 6 ) 电力系统用的电压互感器，在高压中性点不直接接地系统中，线路对地 电容与中性点接地的电压互感器并联，当系统运行状态发生突变时，可能发生并 联谐振。由于互感器铁芯饱和，谐振过电压不会太高；但在发生分频谐振时，频 率低，铁芯磁通密度很高，可能产生很大的激磁电流烧坏互感器。防止铁芯谐振 的方法是在电压互感器的开口三角端子上或一次线圈中性点接入适当的阻尼电 阻。 3 2 电流互感器的选择 3 2 1 电流互感器的工作原理【1 5 j 电流互感器的结构较为简单，由相互绝缘的一次绕组、二次绕组、铁一i i , 以及 构架、壳体、接线端子等组成。其工作原理与变压器基本相同，一次绕组的匝数 ( n t ) 较少，直接串连于电源线路中，一次负荷电流( 五) 通过一次绕组时， 产生的交变磁通感应产生按比例减少的二次电流( 厶) ；二次绕组的匝数( m ) 较多，与仪表、继电器、变送器等电流线圈的二次负荷( z ) 串联形成闭合回路， 见图3 2 。 + ，z ( a ) 图3 2 电流互感器 ( a ) 原理结构图( b ) 图形符号 由于一次绕组与二次绕组有相等的安培匝数， 即： = 厶2 基丁p i c 单片机的配电网综合参数测控仪研究 则电流互感器额定电流比e ： k ：i _ l ：些 t l ! n 、 电流互感器实际运行中负荷阻抗很小，二次绕组接近于短路状态，相当于一 个短路运行的变压器。 2 电流互感器使用的注意事项 ( 1 )电流互感器要和仪表配套使用。 ( 2 ) 严禁将电流互感器在运行时二次绕组开路。这是因为二次绕组的匝数比一 次绕组的匝数多，当二次绕组在运行中断开时，会感应出极高的电压，这将危及 工作人员和仪表设备的安全。此外，二次绕组断开后，铁芯中的磁通大量增加， 铁心损耗剧增使铁芯发热，可导致电流互感器烧坏，所以电流互感器在运行中， 它的二次电路严禁断开，在二次电路中不准安装保险丝。当必须从运行着的电流 互感器上拆除仪表时，应首先将电流互感器的二次绕组可靠的短接后才能把仪表 接线拆除。 ( 3 ) 为了防止一、二次间的绝缘击穿，危及人身和设备安全，二次绕组的一端、 铁心及外壳必须可靠接地。 ( 4 ) 二次仪表和仪器的电流线圈应串接到电流互感器的二次线圈上。 3 2 2 电流互感器的选择 ( 1 ) 电流互感器的额定频率应与被测线路电流频率一致。 ( 2 ) 根据被测线路的电压等级，选择电流互感器的额定电压，以保证工作人员 及仪器的安全。绝不能用额定电压低的电流互感器去测电压等级比它高的线路电 流。 ( 3 ) 根据被测线路的电流大小，选择电流互感器的额定一次电流：根据测量仪 表的额定电流，选择互感器的额定二次电流。与电压互感器一样，电流互感器和 电流测量仪表在额定值附近误差最小。因此电流互感器的额定一次电流应等于或 稍大于被测电流，额定二次电流应等于测量仪表的额定电流。若被测电流的大小 是变化的，则变化范围应在1 0 1 2 0 额定电流范围内，否则就要选用多变比电 流互感器，并相应改变电流比。当小于1 0 额定电流时，电流互感器和测量仪表 的误差很大：大于1 2 0 额定电流时，可能烧坏电流互感器和测量仪表。 ( 4 ) 根据电流互感器二次侧所接仪表和连接导线阻抗，选择互感器的额定负荷 和功率因数。 单相线路电流互感器的二次负荷，就是互感器二次侧所接仪表内阻抗、连接 导线和接触电阻的阻抗和。应选择额定负荷等于或稍大于上述阻抗和且功率因 南京航空航天大学硕士学位论文 数相近的p f = i 0 8 的电流互感器。对于用两互感器测量三相功率线路，两互感 器的实际二次负荷应按有关公式计算，选择电流互感器额定负荷比计算值稍大， 并选其中一相互感器( 女 j c t a ) 的功率因数为0 8 ，另一相互感器( 女t j c t c ) 的功 率因数为l o 8 。如互感器二次侧所接仪表和连接导线可变，则变动范围应在 电流互感器的额定负荷与下限负荷之间。因为当电流互感器的二次负荷大于额定 负荷或小于下限负荷，互感器的准确度无保证。对于仪用电压互感器，当二次负 荷比额定负荷增大l 倍时，互感器准确度要下降1 个等级。 ( 5 ) 用来扩大电流表或仪表电流线圈量限的电流互感器，其准确度一般应比电 压表或电压线圈高1 o 2 o 级；用来扩大功率表量限的电流互感器，其准确度应 不低于1 o 级；用来扩大电度表量限的，其准确度应不低于0 5 级。标准电流互感 器的准确度等级应比被检定电流互感器高2 级，且不低于0 2 级。两互感器的电流 比一般相同。 ( 6 ) 电流互感器在运行使用中严禁其二次侧回路开路，因开路时一次侧电流就 全部为激磁电流，导致激磁电流急剧增加，铁心急剧饱和，线圈感应电动势峰值 剧增，可能击穿互感器绝缘，引起人身和设备事故。因此电流互感器二次侧一般 应装有开路保护装置，在高电压下装置若击穿，二次侧将会短路，并在互感器外 壳上设置警示标志。 对于多变比的电流互感器，使用时只能选用其中1 个变比，即1 个一次线圈和 相应的1 个二次线圈，其它线圈丌路。对于多次级的电流互感器，2 个或3 个次级 可同时使用，各自接相应的二次负荷；只有1 个次级时，不用的次级短路。 3 3 电源电路的设计 除强电被控设备外，微机测控系统中的各个单元都需要直流电源供电。一般 是由市电电网的交流电压经过变压、整流、滤波、稳压后向系统提供直流电源。 而系统中如果没有电源则整个系统将处于瘫痪状态，因此电源是系统中一个不可 缺少的而又很重要的部分。本测控仪的主控电路板上需要两种不同精度的5 v 直流 电源，因此在设计时利用a 相的2 2 0 v 电压通过变压器转换成9 v 的交流电压，然后 经过整流桥和稳压芯片7 8 0 5 后得到直流电压，再经过滤波就可得n + 5 v 的直流电 压，这个电压就可直接提供给主控电路板中的控制模块和液晶显示模块，由于主 控电路板中计量模块为了避免干扰信号的串扰，对5 v 直流电压的要求较高，因此 在电源接入之前再进行一次滤波，这样电源就比较干净。另外为了防止a 相断电 后系统没法工作，因此在测控仪中增加了一个5 v 的备用电源，该备用电源主要由 电池来提供。【l6 j 电源电路图如图3 3 n 示 基于p i c 单片机的配电网综合参数测控仪研究 3 4 信号转换电路的总体设计 本测控仪的交流信号转换电路框图如图3 4 n 示，从配电网上传送过来的 2 2 0 v 电压和5 a 电流经过电压和电流互感器之后，将强电信号转换为弱电信号，也 k r 图3 3 电源电路图 就是经过电压互感器转换后，2 2 0 v 的交流电压变为0 5 v 的交流电压，而5 a 的交 流电流经过电流互感器后出来的电流是2 5 m a ，由于信号采集模块采集的信号必 图3 4 交流信号转换电路框图 须是电压信号，因此再在电流互感器的输出端并联一个电阻将电流信号转换为采 集模块所需要的电压信号。而电源部分是从将a 相的交流2 2 0 v 电压接入变压器 2 2 0 v 9 v ，经过整流桥后，将其转换为直流9 v 电压，再经过7 8 0 5 的稳压管将其电 压转为5 v ，经过滤波后就可得到仪器所需要的工作电压，而信号采集模块所需要 的电源要求精度比较高，因此还需要将5 v 电压经过二次滤波，才能作为其所需的 工作电压。 在本测量仪的设计中，为了满足测量精度的要求，电压互感器选2 2 0 v 0 5 v ， 精度为o d 5 级，而电流互感器选用的是5 a 2 5 m a ，精度为0 , 0 5 级。本电路中电流互 南京航空航天大学硕士学位论文 感器c t 2 由电网电流互感器c t l 的二次回路( 0 5 a ) 取得信号，电压互感器p t 2 从电 网电压互感器p t l 二次( 0 2 2 0 v ) 或直接从低压电网取得信号。电流互感器在本仪 表中既用于测量又要用于保护，要求在仪表设计的额定电流的1 2 0 范围内误差小 于0 1 ，在1 2 倍范围内误差小于2 。一般的仪用电流互感器都不能满足要求。采 用小型无源互感器，其线性范围在规定的负载电阻下为电流标称值的1 2 0 。众所 周知，由于电流互感器铁心的磁饱和效应，其线性范围随负载电阻的增大而减小。 因此，按图3 5 ( 8 ) 的接法，必须令负载电阻足够小并按标称值适当降低输入电流 来使用，才能满足线性范围的设计要求。使用图3 5 ( b ) 的i v 转换电路，此时电流 互感器的二次为“虚短”，可在数十倍额定电流范围内保持很好的线性。本监测 仪由于电流互感器的输入电流只有2 5 m a ，且负载电阻只有4 0 q ，因此采用图( a ) 的接法。 ( a )( b ) 圈3 5i a j 转换电路图 在本电路中为了防雷击和过压或过流，在信号进入互感器之前接入压敏电 阻，这种相当常见的电阻虽然价格低廉，但在电路中却起着重要的作用。压敏电 阻在电路中的作用可以形容为保险丝，每个压敏电阻都有一个最大耐压值，当通 过压敏电阻的电流超过最大耐压值时，压敏电阻就会被烧毁，造成电源断路，从 而可以保证电路中其它部件或配件的安全。本电路中的压敏电阻选用的型号是 m y g 6 8 0 v 2 0 k ，该压敏电阻是防过压保护的。另外互感器除了采集交流信号外还有 隔离和保护作用，因此通过互感器对强电和弱电信号进行隔离，很好的解决了强 电信号和其他信号的干扰。 基丁p i c 单片机的配电网综合参数测控仪研究 第四章低压配电网测控系统中信号采集与处理模块的设计 4 1 电能计量芯片a t t 7 0 2 6 简介 本测控仪的参数测量采用专用的电能计量芯片a t t 7 0 2 6 | ”】，该芯片是一个高 精度的三相电能计量芯片，适用于三相三线或三相四线。它集成了六路二阶 一a a d c 、参考电压电路及所有功率、能量、有