【基于51单片机的小区智能配电系统设计16000字（论文）】

[14]。小型配电主站硬件体系如图4.1所示。小型配电主站屏柜配置如图4.2所示。图4.1小型配电主站系统硬件体系图4.2小型配电主站屏柜配置图4.3.1数据采集服务器数据采集服务器主要功能：配电SCADA数据采集；系统时钟和对时。4.3.2SCADA服务器配电SCADA系统在配电系统运行过程中起到监视和控制的作用，通过应用数据采集模块监控现场设备，可以获取数据的采集、设备运行和控制、精确测量、主要参数调整以及得到各种信号警报。SCADA服务器应用冗余技术，比如当其中一台服务器出现异常时，系统可以自动切换到另一台服务器上。因此可以保证系统正常运行时的稳定性，同时SCADA服务器之间可以相互监视，为工作人员提供管理决策依据。4.3.3应用服务器应用服务器主要功能：馈线故障处理配电网分析与应用智能化应用与SCADA服务器合并4.3.4历史数据库服务器历史数据库服务器可以查询且储存SCADA服务器收集的实时数据，并承担长期保存的功能。SCADA服务器收集的实时数据的实时性规定很强，全部能源系统的I/O点许多，因此很有可能必须在短期内储存大批量的数据，所以，历史数据库应该是一个专用型的工业生产数据库，每秒钟最少可以读写能力20000个事件。此外，实时历史数据库需要达到毫秒级的时间精度规定。4.3.5动态信息数据库服务器动态信息数据库服务器主要功能：全息历史数据的处理和存储为系统的管理调度提供相应的数据支持4.3.6WEB服务器Web服务器是联接SCADA服务器和顾客服务端的中介，应用浏览器工具可以浏览Web服务器，以获得一部分系统的公布信息。4.4小区智能配电系统实施硬件4.4.1高压开关柜本设计共20面高压开关柜，分别配置16台温度控制器，以实现遥测、遥信及开关柜温度采集。1.2面进线柜，可实现：遥测：电压、电流、功率、柜体温度等遥信：断路器分合闸状态、开关位置等2.1面隔离柜，可实现：遥测：柜体温度遥信：隔离手车工作状态3.13面馈线柜，可实现：遥测：电压、电流、功率、柜体温度等遥信：断路器分合闸状态、开关位置等4.4.2低压开关柜本设计共13面低压开关柜，分别配置8台温度控制器，以实现遥测、遥信及温度采集。1.2面进线柜，可实现：遥测：电压、电流、柜体温度遥信：开关的具体状态等2.6面馈线柜，实现：遥测：电压、电流、功率、柜体温度遥信：开关的具体状态等4.4.3变压器变压器需配置带通讯接口的温度控制器，通讯接口可为RS485总线。可以实现：遥测：温度遥信：高温告警超温跳闸风机状态等4.5小区智能配电系统主站软件的选择4.5.1软件配置原则1.系统软件需要选用高级、完善、平稳、规范的工业软件，而且必须持有软件许可证。另一方面，软件配备需要达到由即时多个任务操作系统软件、支持和应用软件、适应性、稳定性、可维护性及可扩展性构成的开放式标准，同时，软件系统采用模式化的结构。2.系统软件务必应用完善、可靠、详细的操作系统软件，此软件具备避免内容丢失或毁坏的作用，可适用虚拟存储并高效管理外部设备。3.数据库的经营规模务必达到主站系统软件全部基本要素的数据信息规定。性能参数务必达到系统功能。数据库具备对自身的快速访问解决和处理的作用。改动数据库时，务必设定工作管理权限，并纪录改动前的內容、修改时间等信息。4.软件系统可以采用分层模块化结构，具有检测出错的能力。5.当某功能不正常运行时，不应影响其他功能的运行。4.5.2配电主站软件体系配电主站系统的软件不但要达到配网SCADA与顶层调度自动化系统中间数据交换平台的基本功能，还需要达到主站系统的具体规定、运用规定和开发设计规定。配电主站软件体系如图4-3所示。图4.3配电主站软件体系主站的软件系统应用分层次模块化设计构造，根据运用分布式数据库屏蔽掉最底层实际操作，可以在异构体服务平台上完成分布式应用程序流程。软件控制模块要求符合IEC61970、IEC61968规范，接口需要符合国家行业标准、国际标准。软件功能包含基本功能、平台功能和扩展功能。软件功能组成如图4.3。4.5.3配电主站软件功能部署4.5.3.1平台层1.支撑软件其软件可以提供统一、标准的用户开发环境。主要功能包括：关系数据库软件动态信息数据库软件2.数据库管理主要功能包括：数据库维护工具数据库同步多数据集离线文件保存带时标的实时数据处理数据库恢复3.数据备份与恢复软件系统提供了可靠的备份和恢复体制，可保证数据库安全和可恢复。4.多态多应用保证配电系统对多场景的应用需求，可以灵活配置应用与相关切换。5.权限管理管理权限可以按照工作中职能和类型为工作人员提供不一样的管理权限和权限有效期。关键功能包括：层次管理权限绑定及配置6.告警服务报警服务可以为每一个应用软件提供报警适用。关键功能包括：告警动作告警分流告警定义画面调用告警信息存储7.报表管理报表管理为每一个应用软件提供统计分析汇报功能。8.人机界面配电系统的监控功能提供了友好且丰富的人机界面，使管理人员可以监测和实际操纵配电线路。关键功能包括：界面操作图形显示交互操作界面数据处理支持多样化显示图模库一体化建模设备快速查询和定位9.系统运行状态管理系统运行状态管理可以监管和操纵配电系统主系统各网络层的运转情况，关键功能包括：节点状态监视软硬件功能管理状态异常报警在线/离线诊断测试工具10.WEB发布主要功能包括：网上发布报表浏览权限限制4.5.3.2应用层1.操作与控制主要功能包括：人工置数标识牌操作闭锁和解锁操作远方控制和调节功能2.事故反演假如系统软件检查到预定义的安全事故后，事故反演会自动储存事故前后左右的全部信息，有利于事后查看、分析和反演。3.系统时钟和对时系统软件可以应用GPS时钟对时功能，并兼容多种多样的时钟源和对终端/子站对时，具有较高的安全性。4.打印主要功能包括：各种信息打印功能定时/召唤打印各种实时报表批量打印报表5.网络拓扑分析网络拓扑分析可以分析配电系统的联接关系和设施运作状态，将分析结果运用于配电系统监控等作用，还可以运用于繁杂配电系统的实体模型，产生状态估计、潮流计算的实体模型。6.拓扑着色拓扑着色根据人机界面以差异色调表明配电系统开关的即时状态，能够更好地明确各种设施的带电状况，并给予配电点和各源点的配电路径。7.负荷转供主要功能包括：负荷信息统计转供策略分析转供策略模拟及运行

第5章小区智能配电系统设计与实施5.1监控系统配置本小区开闭所内有10KV高压开关柜共20面，低压开关柜13面。在进行配电室监控系统设计时，应用51单片机作为下位机，MCGS为上位机。通过测量配电室内开关柜中的电压、电流，将数值传送到V9881D功率器以便精确测量输出功率值，同时与ZigBee通信模块相配合，可以将数据传送到监测主机中形成表格，以实现对配电室开关柜的实时监测；温度传感器和功率感应器将采集到的温度传送到单片机上，单片机将数据传送到显示屏上，超过阈值时，蜂鸣器报警；功率阈值和温度阈值都可以通过按键来设置，并具有历史曲线和表格查询功能。系统总设计框图如图所示：图5.1系统总设计框图5.2系统硬件设计5.2.1微控制器STC89C51单片机在进行监控系统的设计时，应用STC89C51单片机为硬件的关键。STC89C51单片机是一种微处理器，同时体现了超高抗干扰和高性能的效果。工作电压与频率范围分别为5.4V~3.7V和0~40MHz。STC89C51具有512字节的RAM，同时还具有3个16位的定时器/计数器。STC89C51的引脚图如图5.1所示。图5.1STC89C51单片机引脚图5.2.2V9881D芯片V9881D是英国Crystalsystem企业生产制造的处理芯片，是精确测量电流电压和电力工程输出功率的处理芯片，具备高精密、性能卓越、成本低等特性。V9881D集成化了2个仿真模拟-数字转换器、用以相对高度集成化串行通信的仿真模拟-数字转换器和用以快速功率计算公式的计数。因而，可以精准检测和测算精确测量电源电路的高效输出功率、电流电压的有效值和电压电流输出功率的瞬时值。因而，通常用以开发设计三相四线制和单线两相仪表盘。V9881D的伏安特性曲线键入端不可以立即精确测量电缆线的数据，务必根据便宜的伏安特性曲线变电器精确测量比例。V9881D处理芯片和微处理器根据串行通信数据传送联接。V9881D还给予“自动运行”作用。这代表着不用微处理器就可以单独运作。在这样方式下，系统软件接通电源后会全自动复位，外界存储器可以载入要校准的数据和启动命令，进而大幅度降低了成本费。V9881D处理芯片的融合水平比微处理器高得多。V9881D引脚图如图所示：图5.2V9881D的引脚图V9881D的主要功能：1.可以在处理芯片内开展数据测算和解决；2.不用微处理器，可在自动运行方式下联接到外界存储器，并给予开关电源/单脉冲互换作用；3.数字模拟/仿真模拟-数据系统软件校准工作能力；4.应用简易的三线数据串行通信传送插口，数据传送、载入和写入都非常容易；5.具有看门狗定时功能；6.以上2.5V规范检测(6010-6/OC)表明单开关电源电路为5V或双开关电源为2.5V；7.具有方向的功率输出指示；8.可以精确检验和测算与瞬间伏安特性曲线和输出功率相匹配的值、周期时间输出功率总产量和电流电压的有效值，可以开展电磁能间的单脉冲变换；9.电能测量精度：0.1%；10.可以在片内开展相位差校准和系统软件校准；11.上面配有设备检测仪或伺服电机的控制器；12.内带电源监视器；13.电力工程数据的线性：在1000:1数据的动态性检验范畴内，电力工程数据的线性约为0.1%；14.功率消耗<12mW。5.2.3LCD1602显示屏工业生产文本液晶显示屏，可表明二行数据信息，每排可表明16个标记、标识符或数据。体型小、功能损耗低、表明效果非常好，是特别适用的液晶显示屏机器设备。LCD1602共有16个引脚，LCD1602引脚配置表如下：表5.1LCD1602引脚配置表引脚号引脚名称引脚功能1GND电源接地端2VCC5V电源正极3VL调节显示器对比度4RS寄存器选择端5RW读写信号线6E使能端口7~14D0~D7双向数据端口15BL+背光正极16BL-背光负极5.2.4DS18B20温度传感器DS18B20温度传感器的参数如下：1.测温范围为-55℃到+125℃，在-10℃到+85℃范围内误差为±0.4°。2.返回16位二进制温度数值3.主机和从机通信使用单条总线，即在数据传输和接受中使用单线4.在使用中不需要任何的外围元件，独立芯片即可完成工作。5.内部包含EEPROM，通过配置寄存器可以设定数字转换精度和报警温度，在系统关机后，仍可保存分辨率及报警温度的设定值。6.每个DS18B20都有独立唯一的64位-ID，此特性决定了它可以将任意多的DS18b20挂载到一根总线上，通过ROM搜索读取相应DS18B20的温度值。7.宽电压供电，电压2.5V~5.5V。8.DS18B20返回的16位二进制数代表此刻探测的温度值，其高五位代表正负。5.2.5ZigBee通信模块ZigBee是一个无线数据传输网络平台，由可多达65000个无线数据传输模块组成，与现有的移动通信的CDMA网或GSM网非常相似，每个ZigBee网络数据传输模块都与移动网络的基站相似，在整个网络范围内可以进行相互通信。ZigBee技术是一种双向无线通信技术，具有功耗低、数据传输可靠、网络容量大、高兼容性，高安全性等功能。常用于距离短、功耗低、传输速率低的各种电子设备之间的数据传输，以及用于传输常规周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据的应用。图5.3ZigBee通信模块结构图5.3系统硬件电路设计本系统可划分为电能计量模块、LCD显示模块、温度采集模块、蜂鸣器报警模块、电路等关键部件。根据V9981D芯片所收集到的数据信号变换为电子信号，然后进行数据信号调整，提升数据信号的抗干扰性；将数据传送到单片机，在单片机内处理数据后，通过编程完成存储信息或显示。电路原理图如图所示：图5.4总设计电路原理图5.3.1电压电流采样模块的设计在采用V9881D测量电能的过程中，利用互感器来隔离线路，V9881D的测量输入端有允许通过的最大伏安限制，这样不仅可以保护芯片，还可以减少电力线上的各种干扰信号对测量效果的影响。目前，我们使用的线路上的电压电流有效值一般为：220V、10A，在进行模块设计时，仍应用此数值；在计算交流信号时，应用最大值的0.6倍进行计算。互感器是一种精度高、阻抗低的元件，在谐波的情况下，很少出现延时。使用互感器对电路进行隔离后，无需重新应用其他方法来隔离V9881D的输入端口。图5.5电流电压采集和电路连接图5.3.2交流监测模块设计V9881D芯片与51单片机的数据传输是通过串行端口传输方式来实现的，这大大减少了数据传输所需要的I/O端口，从而节省了单片机上的很多端口，使系统能够执行更多功能。图5.6V9881D电路原理图5.3.3继电器模块设计继电器是一种电子控制器件，具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，其功能是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”，因此，在电路中起到自动调节、安全保护、转换电路等作用。电路中继电器通过PNP型三极管驱动，如果阈值超过设定值时，单片机可以从高电平转换为低电平，由此三极管导通，继电器起开关作用，可以驱动负载。继电器电路原理图如图所示：图5.7继电器电路原理图5.4系统软件设计软件部分以智能化的方法划分成多个部分，按照控制模块设计方案程序流程将各部分连接在一起，最后控制开关柜的温度和输出功率。配电室实时远程监控系统软件部分与硬件系统紧密结合，以便完成系统软件条件的即时参数取样、数据处理、与智能终端的通讯等功能。5.4.1主程序主程序模块的设计是全部自动控制系统中最重要的一部分，其具体功用是调用各种各样数据处理方法子程序，完成系统检测，完成系统软件复位。子程序也是整个设计体系中最重要的程序流程，是按序实行的多支系不断循环程序流程，每一个主要参数的测验和操纵都是在子程序中实行。主程序框图如图所示：图5.8程序框图5.4.2温度采集程序DS18B20是以单系统总线运行，51单片机首先对系统总线传出命令，DS18B20对数据进行监测，若没有超出阈值，则将数据传送到LCD显示屏上；若超过阈值，继电器传送命令给蜂鸣器，即蜂鸣器报警。温度采集程序框图如下图所示：图5.9温度采集程序框图5.4.3功率采集程序电压互感器、电流互感器和V9881D芯片将采集到的数据传送到单片机，若没有超出功率上限，则将数据传送到LCD显示屏上；若超出功率上限，继电器传送命令给蜂鸣器，蜂鸣器报警。功率采集程序如下图所示：图5.10功率采集程序框图5.4.4键盘扫描程序在键盘扫描程序中，若监控到按键被按下时，程序会推迟10ms再运行。键盘扫描程序框图如下图所示：图5.11键盘扫描程序框图5.4.5显示屏程序当LCD1602在表明一个字符时，需要得到该标识符的具体RAM详细地址。它的内控制度寄存器有11个操纵指令，包含显示屏消除、鼠标光标挪动和别的指令。显示屏程序框图如图所示：图5.12显示屏程序框图5.5基于MCGS的上位机软件系统设计MCGS配置软件功能齐全、操作方便、可见性高、易于维护。通过与51单片机结合，可以快速、方便地进行数据处理和控制。MCGS采用全中文、可视化、窗口单元，用户操作系统的图形界面配置，使得MCGS的组态工作简单直观，符合中国人的使用习惯和要求。用户可以使用系统的基本构架，也可以根据自行配置图形界面，生成各种类型和风格的图形界面，包括DOS样式和标准Windows样式的图形界面并且带有动画效果的工具栏和状态栏等。5.5.1主界面设计本设计主界面按照不同的功能划分为报警记录按键、监测记录按键、实时数据监测界面以及温度监测界面。工作人员可通过点击按键分别查询报警信息和监测信息，主界面如下图所示：（a）（b）图5.13主界面设计图5.5.2监测数据查询为了更加方便工作人员随时查询存储在数据库中的各项信息，本系统添加了数据查询功能，以实现工作人员在主界面通过按键功能查询采集到的数据信息，更加直观的监控配电系统的运行过程。监测数据应用EXCEL电子表格的文件生成以及输出。监测数据表格图如下所示：图5.14监测数据表格图5.5.3报警记录查询MCGS上位机软件根据配电系统的运行特点，对报警信息做了详细的记录，并且提供了完整的报警查询工具，实现运维人员快速定位故障，优化配电系统的运行功能，提高系统运行的可靠性。报警信息使用EXCEL电子表格的文件生成以及输出。报警记录查询表格图如下所示：图5.15报警记录查询表格图

第6章小区防雷接地系统的设计6.1建筑防雷级别1.计算年预计累计次数：NN—建筑物每一年的预估累计次数（次/a）；k—校正系数（一般取1）；Ng—建筑所在地域雷击大地的年均值相对密度（次/km2/a）；A—与建筑物相同雷击频次的等效电路的总面积（km2）。2.计算年平均密度：Ng=0.1Td—年平均雷暴日。根据«防雷装置标准»，本小区应属于第三类防雷建筑物。6.2建筑物防雷措施6.2.1防直击雷的措施在屋面上焊接接闪器，产生20*20M或者24*16M以内的网格图。金属屋顶、通风孔、房顶风机等全部的房顶金属材料建筑物都和防雷装置长期保存可靠连接。挑选建筑物构造柱内或墙内的梁主筋焊接作为避雷线，顶端连接到接闪器，底端连接到接地网，水准距离在20m以下。6.2.2防侧击雷的措施建筑物30m以上部位的任何金属材料物件务必稳定地与防雷装置连接，建筑物周边的梁主筋用闭环控制焊接，并连接到多线，竖直组装的任何金属材料管路的上、下节点务必连接到防雷装置。假如建筑物选用玻璃幕墙结构，建筑物的幕墙玻璃等内嵌式构件务必连接到防雷装置上。6.2.3过电压保护设计1.防雷击电磁脉冲：低电压配电系统可以选用TN-S走线方法。安装配电互联网时，应尽量减少易受遭雷击的地域，选用磁屏蔽对策，在建筑物及配电系统中创建等电位联结。2.根据雷电流水平和设备耐压水准将智能型电涌保护器（SPD）安装在配电系统各个配电设备和弱电配电柜内，运用SPD开展多级别保护。3.在公共区域内的配电室内安装SPD进行保护。6.3接地装置及等电位联结设计6.3.1接地装置及接地电阻本毕业论文中全部的弱电机房共同用一个接地保护和防雷接地线的等电位联结，保护接地由接地装置和变压器中性点接地、电气设备构成的。接地电阻在0.5Ω以下。接地装置设计：1.自然接地体是建筑物墙里的建筑钢筋，将混凝土楼板上的建筑钢筋顺着工程建筑的外环线焊接成闭环控制，底版机床主轴上的建筑钢筋和底版上的建筑钢筋相互之间焊接成接地体。2.接地装置安装完成后进行接地电阻的测试，若接地电阻大于0.5Ω则进行降阻设置。3.建筑物内的竖直金属材料管路每四层连接一个接地系统。4.配电室等设备另做接地装置。6.3.2等电位联结本住宅小区建筑物内的建筑钢筋、高低压配电室等用总等电位端子条连接，总等电位端子条由40*4镀锌扁钢或BV-1*25输电线做成，总等电位连接应用连接夹连接，不可以在金属材料管道上电焊焊接。洗手间选用部分等电位连接方法，挑选适宜的地方安裝部分等电位箱，与此同时将洗手间内的金属管道与预制构件连接起来。6.4本章小结此章主要是讲解了建筑物防雷水准、建筑物防雷对策、等电位连接等防雷保护接地系统的设计方案。

第7章结论与展望7.1结论经过本次研究，可以得出以下结论：1.小区智能配电系统可以实现小区配电系统运行保护、智能监控与管理等功能，根据通讯方式可以完成主站的信息传递和共享，有利于小区智能配电系统的安全系数和稳定性，假如系统软件运转环节中机器设备发生问题，可以快速寻找故障并分析解决。在设计小区智能配电系统时，应依照开放性原则、稳定性原则、扩展性原则、可用性原则和可维护性原则。在选择智能配电系统的硬软件时，要处理已经运作的问题，务必与具体使用的目标紧密结合。2.小区智能配电系统可以满足对开闭所、配电室的用电设备保护、检测及控制的功能，保证系统的安全性和可靠性。智能配电系统可以实现远程通讯，利用统一的通讯协议将数据传送到控制中心进行调控。3.智能配电系统根据数据通讯，完成了配电主站和各配电终端设备之间的双重数据交换平台。完成通讯协议的规范化是直接影响全部小区运维安全和配电互联网可靠性的主要确保依据。4.在进行智能配电系统的主站系统的设计中，挑选SCADA功能和适合的故障查找与定位功能，要达到小区配电系统软件的创建。5.在进行监控系统设计时，在硬件设计的基础上，进行了软件程序的设计和编写。硬件设计和软件部分同时应用模块化设计理念，实现各模块的功能需求，证明小区智能配电系统的可行性。7.2展望文中总体设计了住宅小区智能配电系统，但在具体应用中，伴随着技术的发展趋势，还要进一步改善。尤其是由于现阶段云计算技术、5G切片技术、信息智能化的发展趋势，对供电和供电智能化开展了更深层次的科学研究，使供电与互联网大数据信息系统软件集成化，能够更好地融入社会发展的快速发展和要求。此外，分布式发电和储能系统的连接技术变成配电自动化的新课题研究，在智能电网的情况下，自愈配电技术会升级为融入分布式发电双重动能流的馈线自动化技术功能。可是，作为面对终端用户的智能配电系统，在我国在智能化系统科学研究和运用层面开始得比较晚，因而现在对智能配电系统的研究内容合乎产业链操纵规定，需具备很高的稳定性。

参考文献电力工程设计手册.08火力发电厂电气一次设计[Z]:中国电力工程顾问集团有限公司,北京:中国电力出版社,2018.电力工程设计手册.09火力发电厂电气二次设计[Z]:中国电力工程顾问集团有限公司,北京:中国电力出版社,2018.马燕娜.建设电气供配电系统设计[D].石家庄铁道大学学报,2017,28(01):2-3万文.商住一体小区智能供电系统[D].南昌大学,2018.杨京.低压配电室智能配电检测系统设计[D].安徽大学,2018.包志华.智能低压配电系统关键技术研究[D].中国地质大学,2016.王成山等.配电系统智能软开关技术及应用[J/OL].电力系统自动化,2021.董金.某工业厂房智能化配电系统设计[D].华侨大学,2017胡鹏飞等.柔性互联智能配电网关键技术研究进展与展望[J].电力系统自动化,2021,45(8):2-12.包生权,吴昊飞.小区供配电系统电气设计研究[J].住宅与房地产，2017：279.聂凤将.小区配电系统设计优化策略[J].电子测试，2015（12）：103-104.张威.智能小区配电自动化系统技术应用[J].电子元器件与信息技术，2021,5(5):37-38+40.马占敖等.智能小区住宅配电系统设计[J].长春工业大学学报（自然科学版），2010，31（06）：712-715.郭谋发.配电网自动化技术-2版[M].北京：机械工业出版社，2018.程利军.智能配电网及关键技术-上下册[M].北京：中国水利水电出版社，2020.姚思炜.基于配电主站SCADA系统的设计应用[J].通信电源技术，2014，31（6）：158-159+162刘跃.区域供配电监控系统的设计与实现[D].电子科技大学，2013.景国秀.住宅小区建筑电气与智能化控制系统的设计[D].南昌大学，2013.余梅梅等.泛在电力物联网在智能配电系统应用综述及展望[J].电工技术，2020（18）：88-89+92.夏应婷.配电网自动化主站系统的设计与实现[D].华东理工大学，2016.秦帅.华清嘉园小区