本科毕业设计论文基于单片机的低压配电网综合参数测控系统研究.docx
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本科毕业设计论文基于单片机的低压配电网综合参数测控系统研究
基于单片机的低压配电网综合参数测控系统研究
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得到了广泛的应用。
本文介绍了一种将无功补偿器和配电网测控仪两套装置合二为一的设计方法，使得装置在投入成本上降低，在管理上更加灵活方便。
本测控系统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ATT7026来采集转换后的交流信号，将所测量到的参数通过SPI口送往主控制器，并在LCD12864上显示所测的各参数。
而本系统采用AT89C52单片机作为主控制器来对整个系统进行控制和监测。
同时该测控系统还具有无功功率补偿的作用，配有RS485通信，可以将所测量的参数和信息送往调度中心。
本测控系统实现了配电网测控和功率因数校正及无功补，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，ATT7026,AT89C52,无功功率补偿，RS485通信
Microcontroller-basedlowvoltagedistributionnetworkintegratedmeasurementsystemofresearch
Abstract：
Inordertoensurethesafeoperationofdistributionsystemsandknowthestatusofdistributionsystemoperation,thereisaneedthatparametersshouldbemeasuredandmonitoredintime,andthenbesenttothecontrolcenter.Itstimulatesawideapplicationofthemeasuringandcontrolinginstrumentforthelowvoltagedistributionnetwork’sparametersnowadays.Whencostormanagementistakenintoconsideration,ThispaperpresentsareactivepowercompensatorandthedistributionnetworkMonitortwodevicesintooneofthedesignmethods,inaccordance,thecostoftheinstrumentswillbereducedgreatly,andthemanagementwillbemoreflexible.ThemeasuringandcontrolinginstrumentutilizesvoltageandcurrentinductorstotransformtheACsignalatthethree-phaseandfour-wiresystem,usesthespecialelectricenergycalculationchiptomeasurethetransformedsignal,andthensendsthemeasuredparameterstothemaincontrollerbySPIinterface.ThisinstrumentutilizesAT89C52asthemaincontrollertocontrolandmonitorthewholesystem.Atthesametime,theinstrumentownsthefunctionofthereactivepowercompensationandisequippedwiththeRS485communication,soitcansendmeasuredparametertothecontrolcenter.Theprecisionofthisinstrumenthasalreadyreachednationalindustrystandard.Itisanew-typeinstrumentwhichproofreadpowerfactor,andhastheroleofreactivepowercompensation.Themeasuringandcontrolingsystemenjoysmanyadvantages,suchassimplestructure,highprecisionandstonganti-disturbing,etc.Ithasenormousmarketpotential.
Keyword:
voltageinductor,currentinductor,ATT7026,PIC16F877,reactivepowercompensation,RS485communication.
注释表
MCU：
Micro-ControlUnit单片机；
SCADA：
SupervisoryControlAndDataAcquisition数据采集与控制；
RTU：
RemoteTerminalUnit终端远动装置；
CPU：
Centralprocessingunit中央处理单元；
DSP：
DigitalSignalProcessing数字信号处理；
ADC：
AnalogtoDigitalConverter模数转换器；
SPI：
SereialPeripheralInterface串行外设接口；
RISC：
ReducedInstructionSetComputing精简指令集；
PFC：
PowerFactorCompensation有功功率补偿；
U-----电压有效值I-----电流有效值PF-----功率因数
P-----有功功率Q-----无功功率F------频率
S-----合相功率
----有功能量
-----无功能量
Φ
----磁通φ
----补偿前功率因数角φ
-----补偿后功率因数脚
C-----补偿电容的容量N-----仪表常数Un-----额定电压
Ib----额定电流Imax---最大电流Istart—启动电流
ω----角频率N1----一次绕组N2-----二次绕组
Vcc---工作电压Avcc—模拟电源电压cosφ---功率因数
1.2.2国内研究现状…………………………………………………………………2
3.1.2电压互感器的选择……………………………………………………………6
第一章绪论
1.1课题研究背景及意义
低压配电网系统包括36kv以下电压等级的终端用户变电所的内容。
由于
（1）10（35）kv/380终端变电所一般分布在负荷相对集中的地方，其终端用户变电所系统中涉及面最广；
（2）它是电能最终分配并且直接送往用户产生经济效益的变电所；（3）其负荷回路多、开关类型多、故障率高等特点使其成为电力系统中实现综合智能监控难度较高、也是进行综合自动化的最薄弱的领域，但是它的运行情况直接影响电力系统的整体水平[1]。
而且由于我国电力用户功率因数偏低且低压配电网的非线性、不对称以及冲击性负荷迅速增多，也使电网的电能质量恶化。
因此进行对配电网测控系统智能化，对在线运行电网设备远方监测和控制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。
其所监控的参数主要为三相四线220V交流电压、频率和5A的交流电流以及功率因数、无功功率、有功功率等参数。
对低压配电网综合参数测控系统的研究既是发展国民经济的要求也是电力企业自身发展的需要。
另外对于配电网系统和电力用户，进行适当无功补偿既可以减轻上一级电网的压力也可以提高用户配电变压器的利用率，从而改善用户功率因数和电压质量，有效降低电能损失、减少用户电费、提高供电能力。
1.2国内外研究现状
1.2.1国外研究现状
在一些发达国家中，其配电测控系统已形成了集变电所自动化、馈线分段开关测控、电容器组调节控制、用户负荷控制和远程抄表等系统于一体的配电管理系统（DMS），能也多达140余种。
国外很多著名电力系统设备的制造厂家均推出了各具特色的配电系统自动化的产品[2]。
日本从上世纪出50年代采用自动隔离故障区至今已完成了计算机系统与配电设备的配电自动化系统，实现了配电线故障后的按时限自动顺序送出以及配电线开关的远方监控。
韩国、台湾地区于90年代完成了局部馈线自动化，建立了配电网自动化实验网络。
新加坡也在上世纪投运完善大型配电网的SCADA系统。
从国外配电系统采用的通信方式看，还没有一种通信技术能很好地满足于配电系统所有层次的需求。
由于一个配电自动化系统的通信系统是由多种通信技术综合而成，因此各层次据实际需要选择合适通信方式[3]。
目前，国外致力于配电自动化专家系统和配电网仿真培训系统等的研究，并研究通过优化负荷分配减少损耗且对变压器负荷进行管理，以求最大限度地利用变压器容量并降低系统有功损耗，及按即时电价对用户负荷进行管理等。
1.2.2国内研究现状
相对于欧美等发达国家我国起步较晚，技术相对落后。
目前我国的配电网结构还是比较薄弱的，绝大部分为放射树状结构，而且多数为架空线，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[4]。
传统的低压无功补偿装置可靠性差，严重影响了电网的质量。
自动化程度低、管理不善是造成这些情况的重要原因。
从20世纪90年代以来，我国电力系统35kv变电所实现了四遥功能，但是规模覆盖变电所自动化、馈线的故障的定位与隔离及自动恢复供电、负荷控制、远程自动读表、最低网损、电压、无功优化、配电投资系统、变电配电和用电管理信息系统的配电网综合管理系统，则都是近年来才开始起步的[5]。
上海市在浦东金桥金藤开发区实施了配电自动化工程，基本达到遥控、遥测、遥信的目的，但规模小，造价高且依赖进口设备，不便于推广。
此外，北京，沈阳也进行过一定规模的尝试。
目前我国第一套通过技术鉴定的配电自动化系统是银川城区配电自动化系统。
其全部采用国内自行研制的设备实现了配电网中30余条进线、几十条馈线和7个开闭所及小区变的全面监控，获得了大量宝贵的经验[8]。
目前，通过这些试点，由配电主站、子站及馈线终端构成的三层结构已得到普遍认可，另外光纤通信作为主干网的通信方式也得到共识[9]。
目前，我国研制出来的测控仪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[10]。
对比与国外的先进技术，我国还有很多的不足。
利用好城市网、农村网建设与改造的有利机遇，发展配电系统自动化技术，做好低压配电网综合参数测控系统的研究有着非常重的意义。
1.3本课题相关技术综述
在低压配电网中，输电线路一般采用三相四线制。
三条线路分别代表A,B,C三相，另一条是中性线N。
在进入用户的单相输电线路中，有两条线，一条我们称为火线，另一条我们称为零线，零线正常情况下要通过电流以构成单相线路中电流的回路。
而三相系统中，三相平衡时，中性线（零线）是无电流的，故称三相四线制；在380V低压配电网中为了从380V线间电压中获得220V相间电压而设N线，有的场合也可以用来进行零序电流检测，以便进行三相供电平衡的监控[15]。
在高电压及大电流的测量中，测量器具往往无法对被测电压或电流进行变换，这时需要先对电压或电流进行变换，这时便出现了互感器。
电压互感器结构相当于一台降压变压器，其与变压器的区别一是其对电压变换的比例及前后相位有严格要求，二是其主要传输被测量的信息[19]。
电流互感器相当于一台电流变换器，其与电流变换器的区别一是对于变换的比例及变换前后的相位有严格的要求，二是其主要传输被测电流的有关信息[20]。
Proteus软件是一款EDA工具软件。
它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。
第二章系统总体方案设计
2.1系统需要实现的各功能
该配电网测控系统配有较多的输入、输出接口，其功能主要有：
⑴能准确的测量三相四线制的220V电压、5A电流、频率、有功功率、无功功率、功率因数等参数；⑵采用LCD将参数显示，由于参数比较多，采用翻屏显示，每屏显示三个参数；⑶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；⑷能监控配电网的运行状况：
是超前还是滞后；⑸具有RS485通讯，可以将测量的参数和运行状况通过RS485通讯传送到控制站或用电中心；⑹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：
a）直流采样方案；b）交流采样方案。
当前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。
它以数字电路为主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。
因此本课题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
根据设计要求，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。
系统的总体结构图如图2.1所示。
图2.1系统总结构图
本测控系统的基本技术指标有：
a.精度：
有功0.5级，无功2级；
b.仪表常数N：
1600imp/kWh；
c.额定电压Un：
三相四线制电压220V；
d.额定电流Ib：
5A；
e.最大电流Imax：
10A；
f.启动电流Istart：
≤0.4%Ib。
为了满足各种性能的需要，采用以下几个功能模块,而各个模块的功能实现主要是通过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。
本设计主要包括以下几个模块：
图2.2主控电路原理图
1．交流信号转换模块：
将配电网上的220V交流电压和5A的电流转换成小电压和小电流，提供给专用电能计量芯片ATT7026，同时也包括电源部分的设计。
2．交流信号采集与处理模块：
对采集到的交流信号进行采集和处理，并通过SPI口将所测量的参数送往MCU，同时通过SPI口接收MCU传送过来的校表参数。
3．系统控制模块：
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RS485通信送往调度中心，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。
第三章电源电路
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
电压互感器其工作原理与变压器基本相同。
电压互感器的额定变比=
=
图3.1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。
（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。
（4）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。
（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。
3.2电流互感器的选择
3.2.1电流互感器的工作原理
电流互感器其工作原理与变压器基本相同。
图3.2电流互感器（a）原理结构图（b）图形符号
电流互感器额定电流比Ki=
=
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，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。
（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。
（5）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。
本系统的主控电路板上需要两种不同精度的5V直流电源，因此在设计时利用A相的220V电压通过变压器转换成9V的交流电压，然后经过整流桥和稳压芯片7805后得到直流电压，再经过滤波就可得到+5V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5V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5V的备用电源，该备用电源主要由电池来提供。
电源电路图如图3.3所示
图3.3电源电路图
3.4信号转换电路的总体设计
本系统的交流信号转换电路框图如图3.4所示，从配电网上传送过来的220V电压和5A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，也就是经过电压互感器转换后，220V的交流电压变为0.5V的交流电压，而5A的交流电流经过电流互感器后出来的电流是2.5mA，由于信号采集模块采集的信号必须是电压信号，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220V电压接入变压器220V/9V经过整流桥后，将其转换为直流9V电压，再经过7805的稳压管将其电压转为5V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5V电压经过二次滤波，才能作为其所需的工作电压。
5v备用电源
ABC相A相整流桥7805稳压控制模块
220v变压器低通滤波5vVcc
电压
二次滤波
电压互感器0.5v电压
计量模块5V电压
ABC相电流互40Ω0.1V
5A感器负载电压
电流
信号线
图3.4交流信号转换电路框图
在设计中，为了满足测量精度的要求，电压互感器选220V/0.5V精度为0.05级，而电流互感器选用的是5A/2.5mA,精度为0.05级。
本电路中电流互感器CT2由电网电流互感器CT1的二次回路（0～5A）取得信号,电压互感器PT2从电网电压互感器PT1二次（0～220V）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120%范围内误差小于0.1%在12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120%。
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（a）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。
由于电流互感器的输入电流只有2.5mA,且负载电阻只有40Ω，因此采用图（a）的接法。
图3.5I/U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。
压敏电阻在电路中的作用可以形容为保险丝。
本电路中的压敏电阻选用的型号是MYG680V/20K,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。
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ATT7026简介
本测控仪的参数测量采用专用的电能计量芯片ATT7026,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∑-∆ADC、参考电压电路及所有功率、能量、有效值、功率因数以及额定功率的测量数字信号处理等电路。
其有功测量可达到1级或0.5级，而无功测量可达到2级或3级；适用于三相三线或三相四线，能测量的参数包括瞬时有功、无功、视在功率，有功、无功能量测量、功率因数、相位、频率、电压和电流有效值测量；同时还能提供分相以及合相参数、相序以及断相检测功能；也能直接提供有功、无功校表脉冲输出；两个步进电机驱动输出，可同时输出有功、无功功率，且具有反向有功指示功能，另外它还支持电阻网络或者软件调试电表，而软件校表支持增益和相位补偿，小电流非线性补偿，可测量到21次以上谐波的有功和无功功率。
它具有SPI接口，方便与外部MCU通讯，单+5V供电。
同时它还支持电阻网络校表以及软件校表两种校表方式。
所有计量参数以及校表参数都可以通过ATT7026提供的SPI接口与外部MCU之间进行传递。
4.1.1ATT7026的性能特点、引脚和内部框图
4.1.1.1ATT7026引脚介绍
1．ATT7026引脚排列图
图4.1ATT7026的引脚排列图
2．ATT7026的引脚描述
表4.1ATT7026的引脚描述
引脚
标识
特性
功能描述
1
RESET
输入
ATT7026复位管脚，低电平有效，内部有300K上拉电阻
2
SIG
输出
ATT7026上电复位或者异常原因重新启动时，SIG将变为低电平。
当外部MCU通过SPI写入较表数据后，SIG将立即变
为高电平。
3、4
V1P/VIN
输入
电流信道正，负模拟输入引脚。
完全差动输入方式，正常工
6、7
V3P/V3N
作最大信号电平为±1.5V，两个引脚内部都有ESD保护电路
9、10
V5P/V5N
5
REFCAP
输出
基准2.5V，可以外接；该引脚应使用10μF钽电容并联100nF
瓷介电容进行去耦
11
REFOUT
输出
基准电压输出，用作外部信号的直流偏置
13,14
V2P/V2N
输入
电压信道的正、负模拟输入引脚。
完全差动输入方式，正常
16,17
V4P/V
升级会员 