（农业电气化与自动化专业论文）电网失压断流监测装置的设计研究.pdf

江苏大学硕士学位毕业论文 摘要 电网失压断流监测仪是一种多功能电力智能仪表，能够帮助电力计量部门对 电网进行管理，追补人为的或非人为的漏计电能，并及时地对故障进行处理，最 大限度地保障供电的真实性、可靠性和科学性，是理想的电能计量监测仪表，其 对加强用电管理及提高计量水平等方面具有十分重要的意义。 本电网监测仪以美国s i l a b s 公司推出的高性能低功耗的具有s o c ( s y s t e m o nc h i p ) 的c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机为核心，集测量、监控、追补和通讯于一体， 采用a d i 公司的电能计量芯片a d e 7 7 5 8 进行电网参数的采集和处理，不但可以 简化测量电路的设计难度，缩短开发周期、提高测量精度，而且降低了开发成本。 此外，采用r s 2 3 2 和无线两种通信方式，可以方便与上位机进行通信，及时地 将故障信息和累计信息发送到监控终端，有利于对电网的运行信息进行实时监 测，保障电网的安全运行。 根据电网监测仪的技术要求和功能特点确定总体设计及软硬件实现方案，文 章将硬件部分分为前端数据采集、微处理器系统、输入输出系统和通讯接口四个 部分，软件部分采用模块化设计，对占用系统运行时间较长的部分，采取化整为 零的方法，并提出了一种类似于操作系统中的时间片轮循的软件设计方法，提高 了系统的运行及响应速度。 最后，采用三相精密测试电源对监测仪表的测量精度进行了实验论证，实验 结果表明该仪表具有较高的测量精度，可以满足电能测量的精度要求以及电力设 备实时监控方面的要求。 关键词：监测仪；c 8 0 5 l f 0 2 0 ；a d e 7 7 5 8 ；t c 3 5 i 江苏大学硕士学位毕业论文 摘要 电网失压断流监测仪是一种多功能电力智能仪表，能够帮助电力计量部门对 电网进行管理，追补人为的或非人为的漏计电能，并及时地对故障进行处理，最 大限度地保障供电的真实性、可靠性和科学性，是理想的电能计量监测仪表，其 对加强用电管理及提高计量水平等方面具有十分重要的意义。 本电网监测仪以美国s i l a b s 公司推出的高性能低功耗的具有s o c ( s y s t e m o nc h i p ) 的c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机为核心，集测量、监控、追补和通讯于一体， 采用a d i 公司的电能计量芯片a d e 7 7 5 8 进行电网参数的采集和处理，不但可以 简化测量电路的设计难度，缩短开发周期、提高测量精度，而且降低了开发成本。 此外，采用r s 2 3 2 和无线两种通信方式，可以方便与上位机进行通信，及时地 将故障信息和累计信息发送到监控终端，有利于对电网的运行信息进行实时监 测，保障电网的安全运行。 根据电网监测仪的技术要求和功能特点确定总体设计及软硬件实现方案，文 章将硬件部分分为前端数据采集、微处理器系统、输入输出系统和通讯接口四个 部分，软件部分采用模块化设计，对占用系统运行时间较长的部分，采取化整为 零的方法，并提出了一种类似于操作系统中的时间片轮循的软件设计方法，提高 了系统的运行及响应速度。 最后，采用三相精密测试电源对监测仪表的测量精度进行了实验论证，实验 结果表明该仪表具有较高的测量精度，可以满足电能测量的精度要求以及电力设 备实时监控方面的要求。 关键词：监测仪；c 8 0 5 l f 0 2 0 ；a d e 7 7 5 8 ；t c 3 5 i 江苏大学硕士学位毕业论文 a b s t r a c t t h ep o w e rn e 咐o r km o n i t o ro nv 0 1 t a g el o s t 锄d 伽l r r 伽to f ri sam u l t i 如n c t i o n a l s m a r te l e c t r i c i t ym e t e r s ，i tw i l lh e l pp o w e rm e a s u r es e c t o r s t om a l l a g et h ep o w c r n e 铆o r k ，m a l 【eu pf o rt h el e a l ( a g eo fe l e c t r i c i t yw h i c hi sc a u s e db ym a l l0 rn o t ，a n d h a i l d l em ef a l l l ti nat i m e l ym 籼e rs o 硒t om a k em a x i n m mp r o t e c to ft h ep o w e r s u p p l y sa u m e i l t i c i t y r e l i a b i l i t y 锄ds c i e n t i f i c 以i th a si n l p o r t 锄ts i 印i f i c a i l c et 0 s 慨g t h e i lt h em a l l a 蹦n e n ta i l di m p r o v et h ep o w e rm e a s u r e m e i l tl e v e l锄di s c o n s i d e r e d 觚i d e a li n s t m m e l l to f m o n i t o r i n gi nm ep o w e rm e a s l l r c 釉e i l t t h ep o w c rn e t w o r km o n i t o ru s e dt h eu n i t e ds t a t e ss i l a b s c o m p a n y s h i 曲- p e r f o m l a n c el o w - p o w e rs o c ( s y s t e mo nc h i p ) c 8 0 5lf 0 2 0m i c r o c o n t r o l l e r a sac o r ec l l i p ，a 1 1 di n t e 黟a t e dt h ef h n c t i o n so fm e a s u r e m e n t ，m o n i t o r i n g ，s u p p l e m e i l t a l c o m p e n s a t ea i l d c o m m u n i c a t i o n a d i s e n e r g ym e a s u r e m e n tc h i pa d e 7 7 5 8i s a d o p t e dt oc o l l e c ta l l dp r o c e s st h ep o w e rn e t l o r kp a r 锄e t e r s u s i n gt h es p e c i a l i z e d e 1 1 e 嘲，m e a u s u r e m e i l tc h i pc a i ln o to i l l ys i m p l i 矽t h ed i 伍c u l t yo fm e a s u r i n gc i r c u i t d e s i 弘， s h o r t e nt h e p r o d u c td c v e l o p m e l l tc y c l ea n di m p r o v et l l em e a s u r a n 髓t a c c u r a c y ，b u ta l s or e d u c et h ed e v e l o p m e n tc o s t s i i la d d i t i o n ，t h eu s eo ft h et w o c o m m u l l i c a t i o nm o d e r s 2 3 2a i l dw i r e l e s sm a d ei tc o n v e i l i e n tt oc o m m u l l j c a t ew i t l l t h ep ca i l di tc a l ls e l l tt l l ef a u l ti n f o 锄a t i o n 锄da c c u m u l a t e di n f o n n a t i o ni na t i m e l y m 锄e rt ot h em o n i t o 订n gt e m l i n a l s ，w l l i c hi sb e n e f i c i a lf o rr e a l t i m em o n i t o r i n go f m e0 p 耐i o ni n f o 肌a t i o no nt l l ep o w e rn e t w o r ks o 嬲t op r o t e c tt l l es a f e t yo ft h e p o w c rn e t w o r k so p e r a t i o n i d e n t i f i e sh a r d w a r ca i l ds o r w a r ed e s i 印a 1 1 dr e a l i z a t i o no ft h ep r o 黟a ma c c o r d i n g t 0t h ep o w e rn e t w o r km o i l i t o r st 洲c a lr e q u i r e l n e i l t sa 1 1 df i e a n l r e s ，( h ca r t i d e d i v i d e st l l eh a r d w a r ep a r ti n t of o u rp a r t s ：t h e 劬n t - e l l dd a t a a c q u i s i t i o n ，m e m i c r o p m c e s s o rs y s t e m s ，t l l ei n p u t - o u t p u ts y s t e m s ，a n dt h ec o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e t h es o r w a r ep a n 璐髓m em o d u l a rd e s i 印m e t h o d f 0 rt l l e p a r tw l l i c ho c c u p i e sa l o n g e rs y s t 锄m i m i n gt i m e i tt a l 【e st h ei m e g e r - t 0 一丘a c t i o nm e t h o d 飙dp r o p o s e sa s o r w a r ed e s i g nt h a ti ss i m i l a rt ot l l er o 吼dr o b i n t i m ea p l ，r o a c hi nt h eo p e r a t i n g i i 江苏大学硕士学位毕业论文 s y s t e m ，w h i c hi m p r o v e st h e0 p e r a t i o no ft l l es y s t 锄鲫dt l l er e s p o n s es p e e d f i n a l l y ，i t sm e a s u r 锄e n ta c c l l r a c yi sv e r i f i e db ym et h r e e p h a s es o p h i s t i c 舢e dt e s t p o w e r ，t h ee x p 砸m 伽l t a lr e s u l t ss h o wt l l a tm em o n i t o rh a sah i g ha c c u r a c yw l l ic _ hi s a b l et om e e tm er e q u i r e i 】 1 e n t so ft l l ep o w e rm e 硒u 豫n e n t ，硒w e l la sr e a c ht 1 1 e r e a l - t i m em o n i t o r i n gr c q u i r e m e n t so f p o w e re ( 1 u i p m e i l t k e yw o r d s ：m o n i t o r ，c 8 0 5 1f 0 2 0 ，a d e 7 7 5 8 ，t c 3 5 i i h 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容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 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密文 学位论文作者签名： 习 沙够年厂月p 日 指导教师签名： 浒蛳 扣子年矽月，y 日 江苏大学硕士学位毕业论文 1 2 电力仪表的发展历程及发展趋势 电力仪表的发展同普通仪表的发展一样，经历了三个阶段： 第一阶段是模拟仪表，这种仪表至今仍在各种场合被广泛使用着，如模拟万 用表、电压表、电流表等，这些仪表的基本结构是电磁式、电动式、感应式、静 电式等，它们的原理简单、坚固耐用容易生产、成本低，但由于这类仪表本身机 械结构和电磁结构的不稳定性和复杂性，一般精度较低，稳定性较差。 第二阶段是数字测量仪表，这类仪表的基本原理是将被测量模拟信号通过电 子线路转变为数字信号，进行计算并显示出来。这类仪表把模拟仪器的精度、分 辨率与测量速度提高了几个数量级，为实现测试自动化打下了良好的基础。同时 能直观读取测量结果，而且可靠性高，易于使用。但电子线路比较复杂，不能自 动适应测量环境的变化，而且仪表的校准复杂。 第三阶段是智能仪表。所谓智能仪器，一般指含有微处理器的仪器，通过微 处理器来控制数据的采集，并对数据进行处理。因此能够用软件的方法实现信息 的采集、处理和存储，大大简化了仪器的整体结构。这类仪表不仅精度高，功能 强大，而且能适应各种复杂的环境。电网失压断流监测仪是一种集测量、记录和 通信于一身的多功能新型智能仪器，对电网运行情况的实时监测起着非常重要的 作用。 仪器仪表的智能化突出表现在以下几个方面：微电子技术的进步更深刻地影 响仪器仪表的设计；d s p 芯片的问世，使仪器仪表数字信号处理功能大大加强； 微型机的发展，使仪器仪表具有更强的数据处理能力【8 ，9 1 。 近年来，智能化测量控制仪表的发展尤为迅速。国内电力市场上已经出现了 多种多样智能化测量控制仪表，例如，三相电子式预付费电能表、低压无功动态 补偿装置，三相电能表现场校验仪等。 智能仪器的发展趋势： ( 1 ) 微型化； ( 2 ) 多功能化； ( 3 ) 人工智能化； ( 4 ) 融合i s p ( 在系统编程技术( h l - s y s t e l l lp r 0 莎a i t l i l l i n g ) ) 和e m i t 技术 ( e m i t 嵌入式微型因特网互联技术是锄w a r e 公司创立e t i ( e x t e n dn l e 2 江苏大学硕士学位毕业论文 i n t e n l e t ) 扩展i n t e n l e t 联盟时提出的，它是一种将单片机等嵌入式设备接入 i n t e m e t 的技术。) ，实现仪器仪表系统的h n 锄e t 接入( 网络化) ； ( 5 ) 虚拟仪器是智能仪器玉荆掣奴勘兰。 刮i 整篓毯嚣擎有功秸劫薛酐彭篇裂韵刺忿霎塞纛菇骘媸夔襄一龋噗臻 萁穗里理露墨；琢堆骤魏萋羹回蓁弱圈移船萋冀；翟婴弛；纠骡! 霪酗蠹；蛳囊 拶匪拥鞋丝娩鹾相应的时间( 或k 、h ) ，并具有声光报警。可连接g s m 满足客户远程数据 快速传输，以便帮助电力计量部门对电网进行管理，追补人为的或非人为的漏计 电能，仪器还设计有相序指示，可指示人为或事故造成的相序错误现象，当电压 ( p t ) 回路发生失压时，能及时准确判断发生故障的相别，记录其故障期间的 累计时间，最小单位0 0 1 小时。当电流( c t ) 回路发生断流( 一般指电气开路) 时，能及时准确判断发生故障的相别，记录其故障期间的累计时间。当电压( p t ) 回路发生失压，电流( c t ) 回路发生开路时，仪表内部启动故障次数计数器， 记录失压次数或断流次数，它是一个辅助参量。该仪表能按事件发生的先后顺序 记录l o o 次失压和断流的起始日期、起始时间、终止日期、终止时间。仪表的所 有参数都可以通过键盘进行设定，设定好的参数被保存到a r 2 4 c5 1 2 中。 2 2 主要技术指标 ( 1 ) 计时准确度： o 5 柏 ( 2 ) 动作电压： 7 8 u 1 1 土2 v ( 3 ) 恢复电压： 8 2 u n 士2 v ( 4 ) 起动电流： 5 0 年 ( 7 ) 电流回路阻抗 额定电流为5a 时： ”后进行) c 8 0 5 1 f 0 2 0 发送：3 03 03 l3 l3 03 0 3 0 4 43 93 13 63 83 33 l3 53 9 3 93 23 33 2 3 9 3 6 4 63 93 03 03 03 83 03 13 03 4 3 4 4 63 6 3 03 53 93 74 41 a ，等待t c 3 5 i 应答 江苏大学硕士学位毕业论文 具体的按键解决办法如图4 1 3 按键处理流程图所示： 图4 1 3 按键处理流程图 4 9l c d 显示处理 l c d 是人机交互的界面，对液晶屏的操作方法有很多种。本设计选用1 2 8 “ 图形点阵液晶显示模块，在对液晶屏操作之前，先在单片机的肋4 黝存储区开 辟一个l k 字节的显示缓冲区，即可以存放液晶屏上的全部数据，首先将待显示 的数据存放到显示缓冲区的对应位置，然后再定时将显示缓冲区中的数据写到液 晶屏。 这里采用的是分页显示、分屏显示的方法。该液晶屏共分8 页，左右两个半 屏，每次对液晶屏写操作时只写一页数据，这部分程序在主程序中2 0 m s 标志到 时执行一次，刷新全屏数据共需要2 0 i l l s 8 页= 1 6 0 m s 的时间，采用这种方法的 好处是将一个占用系统时间较长的子程序，分成较小的时间片多次完成，这样可 以提高系统执行程序的效率。对l c d 的具体操作方法如图4 1 4 所示： 3 7 江苏大学硕士学位毕业论文 图4 1 4 刷新液晶屏的流程图4 1 0 故障处理 该仪表是电网失压断流监测仪表，所以对故障的处理是该仪表的主要功能。 仪表需要做的故障处理有，对失压断流的开始、结束时间的记录，失压断流时间 的累计，失压断流时电量的追补，以及对相序错误的开始和结束时间的记录，相 压 8 5 2 y ，动作电压7 8 2 矿，断流动作电流0 2 x 江苏大学硕士学位毕业论文 主要包括：电压、电流有效值的校准和功率、相位的校准，其中电压、电流有效 值的校准是校准功率的基础【1 7 】。校表时需要标准的参考源，本设计采用三相精 密测试电源j c d 4 0 6 0 作为校表的工作台，具体校表流程如图4 1 5 所示。 厂磊、 初始化a d e 7 7 5 8 设置校表台电压、 电流，三相四线制， 功率因数p f 为1 读取电流电压有效值 计算电雎电流有效值偏 差，并写入对应的偏差 寄存器 在功率因数为l 时校准有 功和视在电度的增益 设置校表台电压、 电流，三相四线制， 功率因数p f 为0 计算无功电度增益并写 入相应的寄存器 设置校表台电压、 电流，三相四线制， 功率凶数p f 为0 5 计算p h c a l 并写入 寄存器x p h c a l 在功率凶数为l 电流最小 时计算有功偏差并写入 相应的寄存器 在功率l 大l 数为o 电流最小 时计算无功偏差并写入 相应的寄存器 结束 图4 1 5 校表流程图 ( 1 ) 电压电流有效值偏差校准 坎删和凇? i 么如s 被用来去除输入端的噪音和偏差。有效值偏差校正应该 在黝g 么州校j 下之前完成，对有效值偏差的校正也同样去除了瑚计算中的偏差。 a d e 7 7 5 8 的电流有效值测量是在5 0 0 ：l 的线性范围内的，电压有效值的测量是 在2 0 ：l 的范围。为了测量电压有效值的偏差，应在两个不同的非零条件下测量 有效值，例如：伽和洲伪。为了测量电流有效值偏差，应在非零条件下测 量两组值，例如：辩和厶础，姗。将这两组电压值和两组电流值组合，可以形 成三组不同的组合。具体电流有效值偏差计算公式如式( 4 - 6 ) 所示： 江苏。大学硕士学位毕业论文 一傩：一志坠丝型乎学粤型立佥( 4 - 6 ) 、6 ，3 8 4 i m t x | x 1 一i t e s ? 、。 式( 4 6 ) 中的k r 嬲和厶麒，j 舢分别是在输入酊和厶袱，z 时没有经过偏 差校正的有效值寄存器中的值。 电压有效值偏差计算公式如式( 4 - 7 ) 所示： 脚傩：上鳖兰堑! ：! ：竺二堑! ! ! 兰鳖；丝 ( 4 7 ) 6 4 伽2 0 一伽 、 式( 4 7 ) 中，伽r 榔和伽脚艄分别是在输入伽和伽胱时没有经 过偏差校正的有效值寄存器中的值。 ( 2 ) 增益校准 增益校正被用于仪表到仪表的增益校正，彳p c f 或黝r c f 输出速率校正， 和确定臃妨，黝r 。姐，蚴矗船常数。写到x 嬲增益寄存器中的数值 可以按式( 4 - 8 ) 进行计算： 兰孥：竺垒丝型超坐避兰g 竺塑x 丝竺丝竺一凇( 4 - 8 ) 2 比 1 ，0 0 0 3 ，0 0 0 x 彳力w 耐l l ：0 1 、 式( 牟8 ) 中的累计时间计算公式如式( 4 9 ) 所示： 么一砌p = 两篇器 ， 式( 4 9 ) 中的脚是测量常数，p 是电流和电压之间的角度，线性频率是从脚q 寄 存器中读取的或是已知，所选相的个数是c y c ? i 扣d e 寄存器中乃圆比位被置l 的个数。 写到石黝g 寄存器中的数值按照公式( 4 1 0 ) 进行计算： 辈：兰些坠生盥竺塑* 兰型竺塑! 形4 d ( 4 - 1 0 ) 2 “ 1 ，0 0 0 3 ，6 0 0z 玢l 舰1 1 ：0 1 、 分别将上面计算得到数值写到工孵和x 瑚g 寄存器中，在髓w 职g 】，中断后 读取z 瑚殿炽寄存器中的值。 写到x 以r g 寄存器中的数值按照公式( 4 1 1 ) 进行计算： 掣：垒坠监坐呈塑丝型! 墅! 瑚讲y ( 4 - 1 1 ) 2 “ l ，o o o 3 ，6 0 0 x 矽么凇1 1 ：0 1 、 江苏大学硕士学位毕业论文 计算臃三船，蹦r 衄和黝j l 衄常数的公式如式( 4 1 2 ) ，( 4 一1 3 ) 和( 4 - 1 4 ) 所 示： 旦：k 互兰兰丝竺! 堑! ( 4 - 1 2 ) 册3 6 0 0 x 翻z 揪 、。 兰丝：生墅兰匕型兰兰竺竺翌竺! ( 4 1 3 ) 三船3 6 0 0 x 既帜 。 鲨：生互兰兰丝型竺塑! ( 4 - 1 4 ) 船3 6 0 0 x 多彳脚 。 ( 3 ) 相位校准 a d e 7 7 5 8 的每一相都有一个用来补偿较小相位误差的相位调整寄存器，对 于较大的相位误差需要通过调整反相滤波器进行补偿。a d e 7 7 5 8 的相位校正是 正负方向上的一个时间延迟。当电流传感器是相位误差源时，在上电时一个固定 的数值将被加到负载上进入x 尸：嬲4 l 寄存器中。在校正过程中，这个值将被从 c 丁调整到c 丁误差。 在j 珊r ，洲和0 5 功率因数测试系统下，计算相角误差，具体计算公式如 式( 4 - 1 5 ) ，( 4 - 1 6 ) 所示： x 黝黝阿。，一些譬 胁卜丐丽丽瓦i l 一 ( 4 1 5 ) 2 砌甜钽胁，( 度) = 一彳，cs i n ( 写 ) ( 4 16 ) 计算灯曰翻三的计算公式如式( 4 - 1 7 ) 所示： 一2 4 “，3 6 0 。l x p 日c 肛：塑壁盟 降l7 ) p h 口s e e r r o r i 、 。 式( 4 1 7 ) 中的周期值可以从a d e 7 7 5 8 的频率寄存器中得到。 ( 4 ) 功率偏差校准 功率偏差校正应该被用于动态1 ，0 0 0 ：1 的范围内，功率偏差校正应在最小 电流或接近最小电流时进行。a d e 7 7 5 8 内有m 份和黝月偏差寄存器工黝劂 和x 黝r 傩寄存器，黝中的测量偏差已经通过调整有效值寄存器得到补偿。 4 l 江苏大学硕士学位毕业论文 在k r ，伽和单位功率因数的测试条件下，得到x 黝嬲的计算公式如 式( 4 - 1 8 ) 和( 4 一1 9 ) 所示： 筛扯兰! 婴坠兰鱼二兰! 婴塑：兰生( 4 - 1 8 )p 凰甜= _ 二型j 竺_ 立翌- 竺兰( 4 18 ) l m | nl t e 汀 工黝删【1 1 ：。】= 石纛淼2 2 9 ( 4 - 1 9 ) 式( 4 1 8 ) 中z 黝姗，脚是在k r 时测得的电度寄存器的值，x 黝脚，。 是在厶删时测得的电度寄存器的值。 在k r ，伽和零功率因数的测试条件下，得到x 瑚尺傩的计算公式如式 ( 4 2 0 ) 和( 4 2 1 ) 所示： 啦舡丝丝掣章挈丝堕监 ( 4 2 0 ) l m i n i t e s t x 黝尺唧1 0 】= 石篇淼2 2 9 ( 4 2 1 ) 4 c c “历yi 聊p 【z k 删 4 1 1 2 数据处理 电网监测仪表需要对有功功率和无功功率等功率信息进行分析，但是 a d e 7 7 5 8 内部没有功率寄存器，只有有功、无功和视在电度寄存器，所以采用1 秒钟读取一次对应的寄存器来获得相应的功率值。有两种方法可以实现1 秒钟定 时读取，一种方法是采用单片机定时读取，另一种方法是采用a d e 7 7 5 8 内部的 姗c 比寄存器来产生定时中断。如果采用单片机定时读取a d e 7 7 5