（控制理论与控制工程专业论文）基于Modbus协议的配变负荷监测仪的设计.pdf

基于m o d b u s 协议的配变负荷监测仪的设计 摘要 配变负荷监测仪位于配变监测系统的底层，它安装于配电变压器的二次侧。 通过采集外部电压、电流、有功功率、无功功率等数据，完成对配电变压器的运 行状态的实时监测，为电力部门的负荷预测、线损分析、故障判断和用电质量等 提供数据，从技术和管理上提高了电网运行的经济性和安全性。 本文首先介绍了监测仪的发展概况及现状，阐述了目前配变监测系统所使用 的几种通信方式并讨论了各自的优缺点。 然后结合实际项目，论述了监测仪的设计目标、设计思想及设计方案。针对 功能的需要，选用了t i 公司的m s p 4 3 0 f g 4 6 1 9 单片机作为核, t 二, m c u 。数据采集部 分采用高精度电能计量芯片a d e 7 7 5 8 ，g p r s 模块m c 5 5 用于数据的远程无线传 输，内嵌字库l c d 模块的使用，则提供了友好的人机交互界面。本文从系统的 角度，以模块化设计思想提供了监测仪的硬件及软件设计过程，实现了包括电参 量监测、无线通信、显示及数据存储等功能。 文中详细介绍了标准m o d b u s 协议的通信方式、功能码、传输方式等内容， 在此基础上，将其格式进行了相应的扩展，以满足应用的需求。 利用m s p 4 3 0 的软件开发平台，采用c 语言为编程工具，完成了监测仪的整 体的软件设计任务。通过遵从扩展的m o d b u s 协议，主站与监测仪之间完成了数 据的交换。最终实现了基于m o d b u s 协议的配变负荷监测仪的设计。 关键词：监测仪，m s p 4 3 0 f g 4 6 1 9 ，a d e 7 7 5 8 ，m c 5 5 ，m o d b u s d e s i g no ft h el o a dm o n i t o r i n gt e r m i n a l f o rd i s t r i b u t i o n t r a n s f o r m e rb a s e do nm o d b u sp r o t o c o l a b s t r a c t l o a dm o n i t o r i n gt e r m i n a lf o rd i s t r i b u t i o nt r a n s f o r m e ri sl o c a t e da tt h eb o t t o mo f d i s t r i b u t i o nt r a n s f o r m e rm o n i t o r i n gs y s t e m i ti si n s t a l l e do nt h es e c o n d a r ys i d eo f d i s t r i b u t i o nt r a n s f o r m e r i tc o m p l e t e st h er e a l - t i m em o n i t o r i n gf o rr u ns t a t u so f d i s t r i b u t i o nt r a n s f o r m e rt h r o u g ht h ea c q u i s i t i o no fe x t e r n a lv o l t a g e ，c u r r e n t ，a c t i v e p o w e r ，r e a c t i v ep o w e r ，e t c ，a n dp r o v i d e sd a t a sw h i c hi n c l u d el o a dp r e d i c t i o n ，l i n el o s s a n a l y s i s ，f a u l tj u d g m e n ta n dp o w e rq u a l i t yf o r t h ee l e c t r i c i t yd e p a r t m e n t a n d i m p r o v e st h ee c o n o m ya n ds e c u r i t yo fp o w e rn e t w o r ko p e r a t i o no nt h et e c h n o l o g y a n dm a n a g e m e n t f i r s tt h ep a p e ri n t r o d u c e sa c t u a l i t i e sa n dd e v e l o p m e n td i r e c t i o no ft h em o n i t o r i n g t e r m i n a la n ds e tf o r t hs e v e r a lw a y so fc o m m u n i c a t i o nu s e di nt r a n s f o r m e rm o n i t o r i n g s y s t e ma tp r e s e n t t h e i rr e s p e c t i v ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sa r ed i s c u s s e d a n dt h e n ，b yc o m b i n a t i n go fp r a c t i c a lp r o j e c t ，d e s i g no b j e c t i v e s ，i d e aa n ds c h e m eo f m o n i t o r i n gt e r m i n a la r ee x p o u n d e d m s p 4 3 0 f g 4 6 19s i n g l e c h i pp o r d u c e db yt i c o r p o r a t i o ni su s e df o rt h ec o r eo fm c ua c c o r d i n gt o t h en e e do ff u n c t i o n d a t a a c q u i s i t i o np a r tu s e st h es p e c i a le l e c t r i cp o w e rm e a s u r ec h i pn a m e da d e 7 7 5 8 ，t h e g p r sm o d u l em c 55i su s e df o rl o n g d i s t a n c ew i r e l e s st r a n s m i s s i o no fd a t a t h eu s e o fl c dm o d u l ee m b e d d e df o n tp r o v i d e sf r i e n d l yp e o p l e m a c h i n ei n t e r f a c e t h e p a p e rp r o v i d e st h ec o u r s eo fh a r d w a r ea n d s o f t w a r ed e s i g nf r o mt h es y s t e ma n g l e a n db ym e a n so ft h em o d u l ed e s i g n i n gt h o u g h t t h ef u n c t i o n sa r ei m p l e m e n t e d ， w h i c hi n c l u d e ：p o w e rp a r a m e t e r sm e a s u r i n g ，w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，d i s p l a ya n dd a t a s t o r a g e t h ew a y so fc o m m u n i c a t i o n ，f u n c t i o n a lc o d e sa n dt r a n s m i s s i o nm o d eo fs t a n d a r d m o d b u sp r o t o c o la r ei n t r o d u c t e di nd e t a i li nt h ep a p e r o nb a s i so fi t ，i t sc o n t e n t s f o r m a ti se x p a n d e dt os a t i s f yt h en e e d so fa p p l i c a t i o n s t h ep a p e rm a i n l yu s e sm s p 4 3 0s o f t w a r ed e v e l o p m e n tp l a t f o r m ，a d o p t sc p r o g r a m m i n gl a n g u a g e ，a n dc o m p l e t e s s o f t w a r ed e s i g nt a s ko ft h em o n i t o r i n g t e r m i n a l e x c h a n g eo fd a t a sa r ec o m p l e t e db e t w e e nm a s t e r s t a t i o na n dt e r m i n a l t h r o u g hc o m p l y i n gw i t ht h ee x p a n s i o no fm o d b u sp r o t o c o le v e n t u a l l yd e s i g no ft h e l o a dm o n i t o r i n gt e r m i n a lf o rd i s t r i b u t i o nt r a n s f o r m e rb a s e do nm o d b u sp r o t o c o li s a c h i e v e d k e y w o r d s ：l o a dm o n i t o r i n gt e r m i n a l ，m s p 4 3 0 f g 4 6 1 9 ，a d e 7 7 5 8 ，m c 5 5 ， m o d b t l i s 图表索引 图1 1 配变负荷监测系统4 图2 1 功能结构图8 图3 1m o d b u s 主从查询响应周期1 3 图3 2m o d b u s 功能码分类1 4 图3 3 读保持寄存器一查询15 图3 4 读保持寄存器一响应15 图3 5m o d b u s 串行链路协议与i s o o s i 模型1 6 图3 6m o d b u st c p i p 通信结构1 7 图4 1 硬件结构框图2 2 图4 2a d e 7 7 5 8 外围电路图2 4 图4 3o c m j 4 x 8 c1 4 与m c u 的连接图2 5 图4 4m c 5 5 的接口原理图2 6 图5 1 软件总体模块图2 7 图5 2 主程序流程框图2 8 图5 3 接收中断处理流程2 9 图5 4 定时器处理流程3 0 图5 5m c 5 5 处理过程3 3 图5 - 6m o d b u s 协议的整体处理流程3 5 图5 70 3 功能码的处理流程3 7 图5 81 0 功能码的处理流程3 9 图5 - 9a d e 7 7 5 8 写时序图4 1 图5 1 0 a d e 7 7 5 8 读时序4 1 图5 11 利用脉冲输出校准一4 4 图5 1 2 利用线周期累加方式4 5 图5 1 38 位并口写操作时序图4 7 图5 1 48 位并口读操作时序图4 8 表格索引 表2 1a d e 7 7 5 8 、a t t 7 0 2 6 a 和p l 3 2 2 3 性能比较l0 表3 1m o d b u s 常用功能码1 4 表3 2 两种传输模式的比较。1 6 表3 3 帧格式l8 表3 4 寄存器地址18 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得 金世王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名：声书表 签字日期：7 年；月岁日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金目巴王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权世 王些太堂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 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：i - = - 签字日期：7 年弓月2 7 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 吲毛青 i 签字日期：z 口。7 年歹月2 日 电话： 邮编： 致谢 本文的研究工作是在导师陶维青副教授的悉心指导下完成的，从课题的选 题到课题的研究以及最后论文的完成都贯穿了陶老师的无私指导和谆谆教诲。 两年来，陶老师渊博的知识、严谨的治学态度、博学谦虚的学者风范给我留 下了深刻的印象，这将使我终身受益。在此即将毕业之际，向辛勤培育我的陶老 师致以深切的谢意和诚挚的敬意。 同时，在本文的研究过程中得到了汪俊锋、张全、毛建维、费文坤等众多同 窗的帮助，谢谢你们在生活和学习中给予我的鼓励。也向支持过我的师兄( 弟) 、 师姐( 妹) 表示衷心的感谢。还要感谢和我一起共事的安徽科大鲁能集成公司的同 事们，谢谢你们在课题研究中的帮助和支持! 最后感谢我的父母和亲人这么多年对我的爱护和教育。让我有更多的时间和 精力书写论文。 崔北京 2 0 0 9 年3 月1 2 日 1 1 课题的背景、目的及意义 第一章绪论 随着电力电子技术、通讯技术、计算机及网络技术的飞速发展，用户对配电 系统的自动化要求越来越高。实现配电系统正常运行及事故状况下的监测，是目 前急需解决的问题。配电负荷监测仪是构成配电网自动化的重要设备，它为配电 变压器提供了在线监测功能，并为其运行在最优状态提供了有力的数据参考。 当前，电力网的用电不足主要不是总量上的不足，而是高峰用电负荷加大， 导致峰谷差越来越大。工矿企业在高峰用电期间一般最大负荷只能控制在某个值 区间，若超过，则加倍收取电费。很多企业自身不注重调荷运行，甚至在高峰用 电期间加大负荷，致使电网负荷过大、电费成倍增加。以前，对工矿企业削峰填 谷措施采用人工监控，往往效率低下，达不到实时调控的效果。因此，提高系统 负荷监控水平，建设一个更经济高效的电力负荷监测系统，对缓解当前的用电紧 张局面，保证供电的稳定性有着积极深远的意义。 掌握各种配网参数( 如电压、电流、功率、频率、谐波分量、不平衡率等) ， 对了解配电网的运行状况至关重要。在配电网中，配电变压器具有数量多、分布 广、布局分散的特点，这样给配变负荷的监测和控制带来很多困难。另外，受配变 恶劣工作坏境的制约，也给负荷的测控终端提出了较高的技术要求。为了提高配 电系统的安全性、经济性和供电质量，对配电网的负荷进行监测十分必要。 1 2 配变负荷监测仪的发展概况及现状 目前，配电网的负荷监测在发达国家开始较早，大约从2 0 世纪7 0 年代 就开始了配电网自动监测的试点工作。国内配变负荷监测起步于2 0 世纪9 0 年代，较国外发达国家滞后2 0 年。早期所采用的主要方法是通过电表的电量来 反映。尚不能提供诸如有功、无功负荷的时间分布数据、负荷的平衡度、电压的 变化等数据，对研究配网的供电质量、负荷的分布等运行状况和线损分析还远远 不够。而目前，国内许多厂家和研究单位纷纷研制和开发各种类型的配电监测 仪，以满足电力事业飞速发展的需求。主要的配电负荷监测仪有： ( 1 ) 珠海市伊特高科技有限公司的e t p d 2 1 系列配电综合监测仪。 e t p d 2 1 系列配电综合监测仪是采用大规模集成电路，应用高科技数字采样 处理技术，根据用户实际用电状况及需求设计、制造的配电综合监测仪表。具 有自动测量、定时存储、l c d 显示、实时时钟等功能。 ( 2 ) 北京电联力光电气有限公司的p d c 8 0 0 0 型配电综合测控仪j 。 p d c 8 0 0 0 型配电综合测控仪，以高性能的数字信号处理器为控制核心，采用高 性能的稳压电源，依据先进的控制理论设计而成。 ( 3 ) 浙能电子分公司研制的p j c l 6 4 a 配电监测仪。p j c l 6 4 a 配电监测仪 是一具有测量存储及统计功能的智能化仪表，通过它可以对0 4 k v 电网的电 压、电流、功率、功率因数及谐波等运行参数进行长期不断的实时监测，并对 监测数据加以存储。 ( 4 ) 武汉七星电气有限公司的1 l i k w p 2 0 0 0 无功补偿与配电监测仪等。 k w p k 一2 0 0 型配电智能测控终端采用可靠的硬件电路设计、先进的软件算法和 可靠的电磁兼容设计，可方便构成各种电力监测控制系统。能够实现三相电量 的采集和显示、谐波分析、越限控制、开关量输入输出、动态无功补偿、电 能计量、事件记录以及数据的存储、通讯和传输等功能。该终端适用于公用配 电、工矿企业的箱变等场所。 综上所述，目前的配电负荷监测仪大致有以下两种开发方案：1 ) 采用大 规模集成电路，应用数字采样处理技术，全数字化设计。根据用户实际用电状 况及需求设计、制造的配电综合监测仪表；2 ) 以d s p 为核心处理器，采用其 内部a d 采样或者外扩高精度a d + d s p + p b 扩大容量存储器的的方式。以上两 种模式，虽然从性能和功能上满足了实际应用的需求，但性价比低，并且外扩 太多的器件不宜调试和维护。为解决这种大量采用外扩器件而造成性价比低的 问题，在设计此配变负荷监测仪过程中，主要采用的方案是一款1 6 位低功耗 m c u 为核心+ 外扩大容量存储器+ m c u 内部自带的模块资源的形式。从实际 应用考虑，达到了配电网负荷监测的要求。 1 3 配变负荷监测系统的构成 配变负荷监测系统是综合运用现代电子技术、计算机技术和通讯网络技术对 负荷监测终端实施的在线监测、远程通讯及参数分析，并以数据报表或曲线图的 形式向供电企业各部门提供有价值的数据。它由终端、通信信道和远程监测主站 构成。 一般地，在远程数据采集系统中，通常按照传输方式的不同，终端数据到主 站的传输可以选用以下几种传输方式：r s 4 8 5 2 3 2 、电力线载波技术、公共交换电 话网和无线电通讯、基于g p r s 无线通信技术，前三者有可看做是有线传输方式， 后二者为无线通讯方式。 无线电通讯技术：无线电通信以自由空间为信息传输通道，利用无线信号， 将终端数据调制到射频由天线发射出去。传统的无线通信方式如a m 、f m 、p m 、 无线寻呼等也可以应用于数据传输；其优点是工作比较稳定，节省了敷设通道的 费用，地点可随意变换，操作较为方便，缺点是这种通信方式要求两通信点之间 应无障碍( 即两点之间传输距离为视距) ，速率低且大多只能进行单向发送，极易 受到干扰。 2 受到干扰。 r s 4 8 5 2 3 2 ：这是一种常用的串行数据传输总线标准。r s 2 3 2 和r s 4 8 5 是两套 适应不同环境需要的连接电缆和机械、电气特性、信号功能及传送过程的标准。 它们都是由电子工业协会( e i a ) 制定并发布的，作为工业标准，以保证不同厂家 产品之间的兼容。r s 4 8 5 2 3 2 标准只对接口的电气特性做出规定，而不涉及接插 件、电缆或协议，其通讯协议也规定了串行数据单元的格式：1 位逻辑0 的起始位， 6 7 8 位数据位，l 位可选择的奇偶校验位，1 2 位逻辑l 的停止位。r s 4 8 5 2 3 2 标 准通常被用作一种相对经济，具有相当高噪声抑制，相对高的传输速率，传输距 离远，宽共模范围的通信平台。 电力线载波( p o w e rl i n ec a r r i e r - p l c ) 技术k 吗j ：电力线载波通讯是指利用现 有电力线，通过电力载波机将语音、模拟或数字信号等信号调制至载频形成的高 频信号，然后通过高频电缆和高压电力线传输到对方。它使用坚固可靠的电力线 作为载波信号的传输媒介，信息传输稳定可靠，是唯一一种不需要线路投资的有 线通信方式。通常电力线载波通信可依据电力线网络的电压等级进行划分：即高 压电力线通信( = 3 5 k v 的高压网内) 、中压电力线通信( 1 0 k v 3 5 k v 的中压网内) 和低压电力线( 3 8 0 2 2 0 v 的低压配电网内) 。在高压电网方面，目前国内在长达 6 7 0 0 0 0 k m 的高压输电线路上多数己开通电力线载波通道，形成了庞大的电力线 载波通信网。该网络主要用于地、市级或以下供电部门构成面向终端变电站及大 用户的调度通信、远动及综合自动化通道使用。在中压电网中，目前电力线载 波的应用主要是在1 0 k v 电力线上进行配电网自动化系统的数据传输。在低压配 电网中，电力线载波通信主要用在集中远方自动抄表系统的数据传输和智能化家 庭等方面，还有正在开发并取得阶段性成果的电力线上网高速m o d e m 上。 电力载波是我国电力通信发展初期的主要通信手段，它有如下优点：( 1 ) 技 术简单，建设容易。配电载波可以连接电力公司管理的任何测控点，沿着电力线 路传输到配电的各个环节，不必考虑另架专用线路。( 2 ) 安全性好，所有资源都 受电力部门控制。( 3 ) 便于管理。 公用交换电话网( p u b l i cs w i t c h e dt e l e p h o n en e t w o r k ) 技术：公共交换电话 网是基于标准电话线路的电路交换服务，是一种以模拟技术为基础的电路 交换网络。p s t n 的入网方式比较简便灵活，通常有以下几种：通过普通 拨号电话线入网。只要在通信双方原有的电话线上接入m o d e m ，再将m o d e m 与相应的上网设备相连即可。通过租用电话专线入网。与普通拨号电话 线方式相比，租用电话专线可以提供更高的通信速率和数据传输质量，但 相应的费用也较前一种方式高。使用专线的接入方式与使用普通拨号线的 接入方式没有太大的区别，但是省去了拨号连接的过程。经普通拨号或 租用专用电话线方式由p s t n 转接入公共数据交换网的入网方式。公用电话 网是世界上比较普及的几大网络之一。由于公众电话网传输方式具有灵活、实用 g p r s 无线通信技术刚【0 j ：g p r s 是通用分组无线业务( g e n i a lp a c k e tr a d i o s e m i t e ) 的英文简称，是在现有g s m 系统上发展出来的一种新的承载业务。它使 用分组交换技术，能兼容g s m 井在网络上更加有效地传输高速数据和信令。 g p r s 网络克服了g s m 网络中电路交换速率低、资源利用率差等缺点，最大 限度地利用了现有的g s m 网络资源，提高了传输速率。总的来说，g p r s 具有以 下特点永久在线：只要在一定的时间内激活g p r s 就会永远保持在线的状态 按量计费：只有在产生通信流量即：有数据传输时才开始计费，它是一种面 向使用的计费方式g p r s 数据传输是双向的，且可以传输批量数据支持中、 高速率数据传输，可提供9 0 5 171 2 k b i 讹的数据传输速率。 不管是有线通信模式还是无线通信模式，它们各自部有自己的优缺点，适用 的领域也各不相同，并且都在各自研究领域不断发展着。就目前而言，随着网络、 信息和控制技术及配变自动化系统的发展g p r s 技术在远程数据采集方面具有 一定的优势，目前基于g p r s 网络的配变自动化系统作为一种新型系统己经基本 满足电力系统的电能量监侧、分相无功补偿和负荷监测的需要。相信通过的不断 发展和完善，能够更好的适应今后的发展，在生产中发挥更大作用。利用g p r s 方式的配变监测系统如图l 一1 所示。 蛆罔挂盅 茼一一 画 图1 1 配变负荷监测系统 墨器d玉器幽菌菌 1 4 本论文的任务及安排 本论文的主要工作是设计并实现一种基于m o d b u s 总线协议的配变负荷监 测仪。通过扩展的m o d b u s 协议，主站与各监测仪可进行数据的相互交换。该监 测仪可实现基本数据查询、数据显示、参数修改等功能。在开发过程中，本文主 要完成以下任务： ( 1 ) 查阅了大量的国内外有关配变负荷监测方面的文献资料，根据目前其测 量仪表的发展趋势和现有的技术手段，在分析、对比一些实际产品的基础上，确 立了本监测仪的软硬件功能； ( 2 ) 综合考虑各方面因素，根据功能需求选择合适的设计方案； ( 3 ) 完成软件方案并将其细化，进行具体的软件编程； ( 4 ) 对整个软件进行全面测试，验证其可靠性、有效性及稳定性。 本文共分为六章，结构安排如下： 第一章介绍了课题的背景、目的、意义及相关技术的发展概况；通过剖析 现有产品的功能和目前技术的发展概况，得出本论文所设计的监测仪需要应用到 的一些技术和达到的功能。通过对目前存在几种通信信道的比较分析，得知利用 无线g p r s 通讯方式，能满足当今技术发展的需要。 第二章阐述了监测仪的设计目标、设计方案及设计思想，为后续其监测仪 的硬件和软件设计奠定基础。 第三章介绍了配变负荷监测仪在传输数据时所使用通讯协议一一标准的工 业m o d b u s 协议。分别从应用协议、传输方式、协议内容等方面进行了详细的论 述，然后结合实际项目背景，讨论其扩展的应用。 第四章此章是本论文的重点。根据第二章的功能需求，从监测仪的整体硬 件设计出发，阐述了硬件整体架构。同时，为了实现其功能，分别说明了部分芯 片的特性以及接口设计。 第五章此章在运用软件工程学的思想上，介绍了监测仪的软件主程序及部 分子程序的设计和实现过程，并给出了扩展的m o d b u s 协议的在实际应用中的处 理过程。 第六章就本课题作出结论和展望。 5 2 1 设计目标 第二章监测仪的总体设计 配变负荷监测仪主要针对市、区县级供电局目前存在的一些情况，解决电力 部门日益增长的新需求，应用g p r s 无线通讯等先进的技术手段，对电网实施全 面监测，为配电网的科学运营和管理提供种有效的、实时全面的参数分析工具。 从技术上保护供电企业的合法权益，加强配电管理，降低线损、减轻劳动强度， 真正做到应收必收、收必合理的原则。通过对1 0 k v 配电变压器的实时监测及运 行状态分析，及时发现和调整不合理的运行状态和参数，如过负荷、负荷不平衡、 功率因数低、缺相、掉电等，提高配电网络的运行质量和可靠性，节能降损。同 时进行各种线损分析、电压合格率统计、供电可靠性统计、负荷分析等，提高区 县级配电网商业化运行管理水平，使电力企业取得良好的经济效益和社会效益。 在对配电自动化领域进行调查和分析过程中，一方面要深入描述目标系统的 功能和性能，确定系统设计的限制和软件同其他系统元素的接口细节，全面理解 用户的各项需求并能准确地表达这些需求；另一方面是对问题的分析和方案的综 合，从数据流和数据结构出发，逐步细化所有的功能。 配变负荷监测仪主要安装于需要采集和返回用电数据的变压器的二次侧。对 配电变压器的各种运行参数的监视、测量与控制的远方终端。它是配电自动化监 测系统中最末一级监控单元，负责监测配变低压侧的电压、电流、频率，计算配 变的有功功率、无功功率、有功电度、无功电度，分析电能质量，统计电能数据 等。接受主站管理中心的遥控、遥信命令，并向主站传递各种用电服务信息，如 停电通知等【7 1 。 2 2 功能及设计方案 本论文以“上海市电力公司负荷监测仪设计”项目为实际应用背景。该项目 规定了配变、杆变及箱变负荷监测仪的功能及性能要求、技术指标、数据接收及 导入要求规范，保证了产品符合电力入网运行普遍实用性的要求。 2 2 1 监测仪的基本功能 ( 1 ) 数据保存功能： 监测仪能保存和记录整点( 1 5 分钟、6 0 分钟) 三相电压和电流、零序电压、零 序电流、有功功率、无功功率、功率因数、四象限电量及日冻结小时电量；其数 据存储容量不小于9 5 天( 包括月、日统计及整点数据) ( 2 ) 累计数据统计功能： 统计每日电压、电流、有功功率、无功功率最大值及出现时间：电压最小值 6 及出现时间；电流不平衡率最大值及出现时问；每日四象限电量( 每天2 4 点整冻 结1 次) ；零序电流、零序电压的日最大值：每日电压超上限时间、超下限时间 ( 单相越限即为越限) 、电压不合格时间( 每相电压超上、下限时间之和) 、运 行时间、失电时间( 指三相电压均低于5 0 ) 。 ( 3 ) 遥测功能： 实时地采集变压器二次侧的电压、电流、有功功率、无功功率、功率因素 等模拟量，根据其变化情况来反映线路的供电质量。通过一些统计数据反映用户 的用电质量。 ( 4 ) 主动上报功能： 定时1 5 分钟将3 相电压、3 相电流、3 相有功和无功、3 相功率因素上报； 每日的零点将正向有( 无) 功电量、反向有( 无) 功电量上报。 ( 5 ) 对时功能： 接收主站下发的对时命令，与主站的时钟保持同步。 ( 6 ) 显示与按键输入功能： 时间和日期显示 实时数据显示 配置参数( 终端地址、i p 、端口等) 显示 ( 7 ) 远程升级功能： 为了适应未来规约和部分需求的变化，监测仪要带有远程升级功能，可在 线自动完成软件版本的切换、升级。 ( 8 ) 脉冲输出功能： 具有有功和无功光电隔离无源校验脉冲输出。 2 2 2 设计方案 鉴于2 2 1 节所确定的功能，那么将要设计的监测仪应主要由数据采集计量部 分、时钟与通信部分、显示与按键部分、存储器部分和控制单元( 主m c u ) 五大 部分组成，如图2 1 所示。 7 数据采集计量部分：此部分负责采集外部输入的电流和电压信号，将模拟量 信号变换为m c u 能够处理的数字量信号。 存储部分：虽然目前大部分m c u 都自带存储空间，但是要存储以上数据还 需要外扩大容量的f l a s h 。 显示与按键部分：按键与显示的相互配合使用，只是为了提供友好的人机界 面，方便查看数据或者参数；同时也可设置一些比较简单的参数信息。 时钟与通信部分：为了保证大量的电能量数据的正确收集以及对电网的监 控作用，需要有一个正确的时钟；通信部分则用于数据的传递，它包括监测仪 内部各芯片之间的通信及监测仪与远方主站的通信两部分。 7 控制单元( 主m c u ) ：它是整个结构的核心，综合处理各种任务，协调各部 分的正常运作。 2 3 设计思想 图2 1 功能结构图 在明确了用户的需求和监测仪为满足这些需求而必须具有的功能之后，就应 确立终端的软硬件的设计思想。一般地，目前对于终端的设计多采用模块化和结 构化 8 - 1 u j 的设计理念。 模块化就是把整个系统划分成若干个模块，每个模块完成一个子功能，将多 个模块组织起来实现整个系统的功能。模块化设计方法强调清楚地定义每个模块 的功能和它的输入输出参数，而模块的实现细节隐藏在各自的模块之中，与其 他模块之间的关系可以是调用关系。 结构化设计主要是在2 0 世纪7 0 年代由c o n s t a n t i n e 和y o u r d o n 等总结了一 些优秀的程序设计而发展起来的，由目的是降低软件开发费用及维护费用的一组 概念、标准和指导思想组成。其基本思想是：白顶向下、逐步求精。其程序结构 是按照功能划分为几个基本的功能模块，这些模块形成一个树状结构，各模块之 间的结构尽可能的简单，在功能上相互独立。每一个模块内部均由顺序、选择和 循环三种结构构成。 单片机应用系统的软件设计和一般的程序设计不同，软件须在熟悉硬件基 础上进行设计。采用模块化和结构化设计的优点如下： 有利于移植和修改。利用现有的通用软件包，可得到事半功倍的效果； 方便调试和连接； 有利于今后实现功能扩展。 程序在主程序中仿w i n d o w s 消息驱动的原理进行设训”】，即在中断服程序 以及相关程序中完成消息的触发、一些标志的置位。而在主循环中对这些标志进 行判断，进而完成相应功能。比如在定时器中断里面完成一些时间标志的置位， 如分钟标志，小时标志等：这些标志均在主循环中加以判断，从而在某种条件下 8 完成某种功能，等到处理完之后再复位此标志。仿w i n d o w s 消息驱动原理设计主 模块的优点如下： 易于实现相关功能模块间的通信； 便于系统功能的扩展； 结构简单、易读。 2 4 部分芯片选取 配变负荷监测仪其特征在于：承担着对数据的采集、分析、存储、显示及主 站的通讯。既然如此，各部分的核心芯片的选择恰当与否对于整个监测仪而言 至关重要。 2 4 1 微处理器芯片的选择 作为核心控制单元，微处理器的选择直接关系到整体的性能。m c u 除了完 成数据的处理、存储等任务外，最重要的是确保在实际的应用中运行稳定、可靠。 首先必须有大容量的r o m 、r a m 资源，其次运行速度要足够快。 考虑到以上因素，在价格相对低廉的前提下，选用了美国t i 公司公司推出的 超低功耗型m s p 4 3 0 系列单片机f g 4 6 1 9 作为m c u 。其结构特点主要如下【1 2 1 【1 3 1 ： ( 1 ) 高效1 6 位鼬s c 内核，1 2 5 1 t s 指令周期时间； ( 2 ) 存储空间f l a s h 或r o m 由原来的1 k b 逐渐增加到1 2 0 k b ，r a m 由原来的 1 2 8 b 增加到4 k b ； ( 3 ) 低工作电压1 8 - - 3 6 v ，自带看门狗及复位电路： ( 4 ) 强大的中断功能，从待机到唤醒的响应时间不超过6 t x s ( 5 ) 丰富的片上外围模块( a d 、l c d 、定时器a 、b 和基本定时器、双u a r t ) ； ( 6 ) 方便高效的开发环境； 除了具有以上特性外，f g 4 6 1 x 型在外围模块上还提供了诸如实时时钟 ( r e a l t i m ec l o c k ) 模块和运算放大器( 0 a ) 模块。其中j 实时时钟( i 玎c ) 模块可配 置成一个通用3 2 位定时器或者一个具有日历功能的实时时钟。该模块主要有以下 特性： 日历时钟模式 3 2 位计数器模式 在日历模式下，自动对秒、分、时、天、月、年计数 中断功能 可选的b c d 格式或十六进制格式； m s p 4 3 0 f g 4 6 1 9 还拥有3 个相互独立、结构相同的运算放大器( o a o 、o a i 、 o a 2 ) ，每个o a 均可配黄成同相放大器、反相放大器或差分放大器。 通常，o a 模块与a d c 模块相互配合而使用。在实际应用中，o a 可将输入的 微弱电流或电压模拟量信号进行一定比例的放大，然后输出至i j a d c 转换器的外部 9 各采样通道，完成数据信号放大一采集一转换的功能。 2 4 2 电能计量芯片的选型 目前，国内外电能计量芯片的原理主要分为模拟乘法器和数字乘法器两大 类。模拟乘法器原理主要分为时分割乘法器原理和吉尔波特变跨导乘法器原理两 类1 1 4 采用模拟乘法器的电能计量计量芯片构成的测量装置其电路简单，成本低， 电能测量级别一般为1 0 - 2 0 级；而数字乘法器原理的电能计量专用芯片则是运 用a d 变换原理，同时对电压、电流波形进行采样，然后由内部芯片计算并完成 电能的累计，这种方法的测量精度般在0 5 - 1 0 级之问【1 5 l 。 就三相电能计量芯片而言，目前常用的有a d e 7 7 5 8 、a t t 7 0 2 6 a 、p l 3 2 2 3 三 种。三者都具有功能强大，软件、硬件实现方便，计量精度高，价格便宜等优点， 广泛适用于电能测量控制领域。但仍存在较大的差别，具体特性对比如下表所示 1 6 - 1 9 1 ： 表2 - 1a d e 7 7 5 8 、a t t 7 0 2 6 a 和p l 3 2 2 3 性能比较 a d e 7 7 5 8a 1 1 v 7 0 2 6 ap l 3 2 2 3 时钟 l o m h z2 4 5 7 6 m h z9 6 _ i z 供电输入 + 5 v+ 5 v+ 5 v 有功电能计量在有功电能计量满足1 级、0 5有功、无功电能计量在l 精度等级1 0 0 0 ：1 动态范围内级无功电能计量满足20 0 0 ：1 的动态范围内误差 误差小于0 1 级、3 级 分n 4 , 于0 1 ，o 2 。 2 6 o 13 0 6 5 3 33 2 k h z5 她 采样速率 k s p s 过压、过流、线电压 无中断事件发生 过压、欠压 中断事件 跌落、相序错位等 供电温度功率反电源启动电流功率反向掉电欠压过压断相启 向监控、过流过压监控，相序失压硬件动电流过零检测，温度 监控功能 线电压跌落相序 端口检测。功率反向监控。 过零等 a d e 7 7 5 8 不仅在精度等级、采样速率上满足要求，而且提供了诸多的监控功 能和中断事件，经过查阅多方的资料和产品数据手册，在综合比较性能的基础上， 决定使用a d i 的a d e 7 7 5 8 来完成前端电参数的采集。 2 4 3 液晶l c d 的选型 液晶l c d 模块是各种应用系统中重要的人机交互部件。液晶显示是微处理系 统中反映系统输入输出的人机界面，液晶显示以其微功耗、体积小、显示内容丰 1 0 富、接口电路简单等诸多优点得到广泛应用。为了使人机界面更加友好，随着技 术的发展，液晶显示电路已趋于集成化和模块化。为了方便一般用户使用，通常 专业生产厂家将驱动器、控制器、显示屏、电源转换电路制作在一块p c b 上，只 将控制线和数据线外引，作为接口与主控制器m c u 相连。对于众多的l c d 模块， 总体上可分为两大类：不带字库和带字库的l c d 。 ( 1 ) 不带字库 对于不带字库的液晶而言，若要显示汉字或字符，通常是利用字模提取软件 来进行，即将系统中需要显示的字符或汉字一一将其字模提取出来，并将字模数 据存放在程序空间中。此类l c d 如c t g l 2 8 0 9 6 a 0 0 、l m 2 0 2 8 、y j 2 4 0 d t 2 0 垅】等； c t g l 2 8 0 9 6 a 0 0 一f k b 该l c d 显示屏由1 2 8x 9 6 点阵组成，共有9 6 行，分为1 2 页，每 页8 行，每行1 2 8 歹u ，3 3 v 电源输入；l m 2 0 2 8 是t o p w a y 公司生产的图形点阵s t n 液晶模块。该模块显示格式为3 2 0 像素x 2 4 0 行，使用s a m s u n g $ 6 8 2 0 8 6 芯片进行驱 动；y j 2 4 0 d 是莱德电子生产的一款2 4 0 x 1 2 8 全图形点阵液晶显示模块，由t 6 9 6 3 c 控制器驱动，可显示1 5 x 8 汉字，内置3 2 k 显示缓存数据存储器，单5 v 电源供电。 ( 2 ) 内嵌字库 与非带字库的l c d 相比，拥有字库的液晶模块在汉字或字符的显示上具有明 显的优势，省去了取字模或查找汉字所带来的麻烦。诸如青云创新科技公司生产 的l c m x x z k 系列和肇庆金鹏的o c m j 4 x 8 cx 系列【2 3 2 4 1 。其中l c m x x z k 的字型 r o m 内含8 1 9 2 个1 6 x 1 6 点中文字型和1 2 8 个1 6 x 8 半宽的字母符号字型；另外绘 图显示画面提供一个6 4 x 2 5 6 点的绘图区域g d r a m ；而且内含c g r a m 提供4 组软件可编程的1 6 x 1 6 点阵造字功能。电源操作范围宽( 2 7 v 5 5 v ) ，低功 耗设计可满足产品的省电要求；同时与单片机等微控器的接口界面灵活( 并行8 位4 位，串行3 线2 线) 。可实现汉字、a s c i i 码和点阵图形的同屏显示；而 o c m j 4 x 8 cx 系列的特性与l c m x x z k 相类似。 液晶的选择因系统的具体功能而定，一般而言，对于存储量大的m c u 和显