低压电网电力参数监测系统设计

低压电网电力参数监测系统设计

曾豪

社会进步和科学技术的发展，一方面为电力系统的发展提供了空间和新的技术手段，另一方面也给电网的安全运行带来许多负面影响，电力系统中各重要节点的电压、电流、用电量及绝缘设备老化程度等都对整个系统的安全稳定运行起关键作用，所以要实时监测电网的各种运行参数，并根据检测数据分析运行质量，预防设备故障。

1、低压电网电力供电路径的确定要点

低压电网的电力供电路径是低压电网电力设计的主要内容，电力部门通过相应的供电路径将电能输送给用户，其中，低压配电网起着至关重要的作用，我国的低压配电网结构较为复杂，且分支多、负荷大，又由于我国城市化进程的加快，很多用电集中的地区对低压电的可靠性要求很高，同时，一些老城区的供电设施也存在很多问题，因此，确定低压电网电力的供电路径是十分必要的，在选择供电路径过程中应该充分的考虑可能对供电设备与供电效果产生影响的各种因素，例如，电线埋藏的深度是否对供电造成损害，以及地质条件、水文状况等能否对低压电网的电力施工造成影响。另一方面，在确定低压电网的电力供电路径时，根据当地的经济承受能力与地域问题，尽量的避免资源浪费与成本提高，在实际的施工过程中不出现转角、档距或迂回的问题，通过科学有效的技术手段与检测方法，选择最佳的供电路径，从而提高低压电网电力的施工效果。

2、系统的硬件设计

2.1系统硬件总体方案。本研究的目的是设计一个三相电力参数综合监测系统，主要应用于低压配电和用户端，实现对电网参数的长期现场监测。整个系统以DSP为中央处理单元（CPU），采用复杂可编程逻辑控制器CPLD作为系统的逻辑控制中心。

2.2系统数据采集模块的硬件设计。数据采集系统硬件设计要经济合理、安全可靠、有足够的抗干扰能力，要保证设备在规定环境下性能稳定、工作可靠，在正常干扰条件下，系统工作正常，并满足精度要求。本装置的信号采集和模数转换由A/D采样板完成。待测线路上三相交流电压和电流原始信号变换成—5～+5V的交流电压信号，送入采样芯片A/D，对变换后的模拟信号进行采样保持、模数转换，并把转换结果传给DSP处理。本装置所采用的电压/电流变换器为LXYA300V/3.53V及WGLSA10A/3·35V型号的精密电压电流变换器，其比差非线性度仅为0·1%，原边不串电阻，电压直接输入，副边直接输出电压，所以误差非常小。A/D转换器是转换电路中的核心器件，在监测系统中占重要地位。为提高采样精度，要求选择A/D转换芯片的位数应尽量高。根据实际情况，需对三相电压和电流同时采样，故本系统选择AD公司的AD73360。AD73360中各通道相互隔离，各自转换，数据通过公共串行口输出，保证各通道采样转换的同步性，其功能通过对内部8个控制寄存器（CRA0～CRA7）的编程来实现。其串行口可在程序模式、数据模式和混合模式下工作。在实际使用中，必须保证AD采样频率和串行口传输速率的设置相互协调，以确保DSP有足够时间读取采样数据。根据设计要求，直接利用McBSP数据接收来触发中断。考虑到AD73360采用共用串行寄存器进行传输，为防止多路数据传输时出现漏码现象，将AD73360设置为主模式，DSP为从模式，时钟和帧信号均由AD73360提供。AD73360的6个模拟输入通道都配置为单端输入，50Hz的交流信号直接耦合到AD73660的模拟输入端，由于AD73360具有内置抗混叠滤波电路，所以在A/D外面采用由R12和C12组成的RC一阶低通滤波电路。AD73360的时钟信号需要外接，这里采用PLL产生时钟信号。

根据FFT算法的要求，采样点应该均匀分布在一个信号采样窗口内，即应当实现严格的同步采样否则会引起信号的频谱泄漏，带来很大测量误差。现在常用的同步采样方法主要分为硬件同步和软件同步两大类，本系统采用锁相环电路实现硬件同步。锁相环CD4046是一种低频多功能单片数字集成锁相环电路，最高工作频率1MHz，电源电压5～15V。同步方波作为锁相环输入频率f1，输出频率f2经计数器分频后跟踪f1，故分频器前的频即为f1的N倍。理想电网电压和电流频率是正弦50Hz，采样率通过锁相环电路对电网频率进行倍频，倍频数128，其稳定度与电网基波相当。倍频电路由CD4046和异步计数器CD4020组成，施密特触发器（CD40106芯片）将来自电网的电压信号由正波变为频率同步方波。本设计的锁相128倍频电路，锁定的频率采用异步通信（UART）控制器为50Hz×128=6·4kHz。同步方波信号接到CD4046的信号输入管脚IN，CD4046管脚VCOUT输出PLL信号传送给AD得到同步采样脉冲，同时将PLL信号作为计数芯片CD4020的时钟信号。

2.3DSP与PC机通信接口电路的设计。TL16C752B来实现DSP与PC机间的通信，CPU只需通过UART提供的接口来编程，就实现串行通信，TL16C752B的地址线A0～A2，数据线D0～D7分别和DSP的地址线A0～A2、外部数据线D0～D7直接相连，而选通信号CSA/CSB、读写信号IOR/IOW、复位信号RESET及中断信号INTA/INTB则接入CPLD，由CPLD进行处理。同时DSP端的PS，DS，IS，IOSTRB，R/W，MSTRB也同时接入CPLD以用于生成控制信号。此通信的设计方案具有接口较简单、数据速率大、传输距离较远、可靠性高等特点。并采用MAX3160芯片完成电平转换操作。

另外，除了上述主要电路设计外，本系统其他功能模块还有率测量电路、实时时钟、看门狗、外部存储器的扩展电路等，RTC（实时时钟芯片）以及备用电源为装置提供断电时间记录保证，使用时间可达5a以上；看门狗电路，保证系统在非正常时的自启动功能，有效维持了系统可靠性。由于TMS320VC5402的片内RAM是易失性的，掉电后其内容会丢失，不能用于固化用户程序，因此需要在C5402片外扩展用于固化用户程序的非易失性存储器。加之本系统的程序运行时，需要的数据空间较大，故采用外扩存储器。由于篇幅所限，其具体电路不再赘述。

3、传感器与微型计算机的连接设计由检测电路预处理过的检测信号在输入微型计算机前还要经过相应的接口电路进行处理，转换成CPU能直接进行运算处理的信号，如模拟信号要转换成数字量，而数字信号也要转换成能被计算机能接受的数字量。不同类型的传感器输出信号不同，进入计算机的接口电路也不同。多路模拟信号输入通道的结构比较复杂。

3.1多路模拟开关（MUX）。在输入信号有多个时，常用多路模拟开关对它们进行巡回检测，以节省A/D转换器和I/O接口。这种开关的种类很多，但是它们的工作原理基本上是一致的。CD4051/CC4051是单8通道数字控制模拟电子开关，有三个二进制输入端A、B、C和INH输入，具有低导通阻抗和很低的截止漏电流。幅值为4.5～20V的数字信号可控制峰值到20V的模拟信号。当INH输入端为“1”时，所有的通道截止。三位二进制信号选通8通道中的一通道，可连接该输入端至输出。

3.2采样保持器（S/H）。A/D转换芯片完成一次转换需要一定的时间。当被测量变化很快时，为了使A/D转换芯片的输入信号在转换期间保持不变，需要应用采样保持器。采样保持器有两种运行模式——采样模式和保持模式，由模式控制信号控制。开关K受模式控制信号控制，在采样模式下，开关K闭合，A1是高增益放大器，其输出对CH快速充电，使CH上的电压和输出电压Uo快速跟踪Ui的变化，即Av=1。

总结：本文就低压电网参数监测系统设计进行研究，以期通过本文章的研究和论述，能够为我国低压电网发展提供有价值的理论参考依据。

参考文献：

[1]何玉鹏.低压电网电力参数监测系统设计[J].装备制造技术,2011(02):49-51+53.

[2]宋永献,张晗霞,贺乃宝.基于DSP低压电网电力参数监测系统设计[J].淮海工学院学报(自然科学版),2009,18(03):37-40.

[3]杨翠峰.基于DSP的低压电网电力参数监测系统的研究与设计[D].武汉理工大学,2007.