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              • 頭條應用以太網控制芯片W5200,設計電能質量遠程監控系統
                2021-07-19 作者:夏文 馮國偉 等  |  來源:《電氣技術》  |  點擊率:
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                導語隨著電力電子裝置應用,電網質量嚴重降低,電能質量的監控與治理勢在必行。本文提出了基于電網參數采集和以太網遠程監控技術實現電能治理現場和遠程監控的設計方案。硬件上結合ARM和以太網控制芯片W5200搭建網絡監測系統,采用PC機與控制器通信實現遠程通信,同時通過投切電容實現無功治理;軟件部分分別介紹了控制器和上位機遠程監控PC機軟件。通過一段時間的實際運行證明了此設計方案是切實可行的。

                隨著電力電子技術的不斷發展,電力電子設備得到了廣泛應用,使得電網負荷中的感性負載占很大比例,如變壓器,電動機等,同時也產生了電網諧波。無功功率會增加設備容量以及線路損耗,同時沖擊性無功功率負載還可能引起電壓劇烈波動,使得電網質量嚴重降低。

                而諧波的危害更大,諧波使得元器件產生附加的損耗,此外諧波可能影響各種電氣設備的正常運行,如機械振動、噪聲和過電壓,使得變壓器、電容器局部過熱、絕緣老化,壽命縮短,嚴重時發生爆炸,發生事故。同時也可能影響鄰近系統的數據通信,嚴重時系統無法正常通信。

                為了保證電網安全穩定運行,必須綜合治理這些影響電網的關鍵因素。治理的關鍵是對電網參數的實時準確的監測與分析。電網參數的通信方式比較多,主要有串口通信接口、USB接口、GPRS以及網絡接口等。以太網通信傳輸速率高,便于實時數據通信,從而進行數據分析,減輕現場工作強度,對電網長期運行評估預測意義重大。

                本文基于ARM和W5200設計了一種無功補償控制器,其具有無功補償,電壓電流諧波等參數測量,數據統計存儲以及以太網接口等功能,使用該控制器和后臺PC軟件可構建遠程監控系統,實現電能質量的遠程監控。

                1 總體設計方案

                1.1 遠程監控系統設計

                遠程監控系統的組成結構如圖1所示。

                應用以太網控制芯片W5200,設計電能質量遠程監控系統

                圖1 系統組成結構圖

                系統主要由4個部分組成,無功補償控制器,以太網模塊,遠程PC終端以及輸出控制單元部分??刂戚敵鰡卧荰DS系列智能電力電容器,可實現就地無功補償。以太網模塊主要實現電網數據的網絡傳輸。遠程PC終端實現了遠程數據的監視,遠程設置參數,歷史數據采集,遠程電容器控制等功能。無功補償控制器的設計是本文的重點。

                1.2 無功補償控制器設計

                如圖2所示,無功補償控制器主要由以下8個模塊組成,,各模塊的主要作用分別為:

                應用以太網控制芯片W5200,設計電能質量遠程監控系統

                圖2 無功補償控制器組成框圖

                • 1)電源模塊:將電網電壓轉換成芯片可用的工作電源,通信電源等。
                • 2)數據采集模塊:完成電網數據信號的采集,主要包括三相電壓,三相電流。
                • 3)數據處理模塊:主要完成電網有功、無功、功率因數,諧波總含量以及3-25次諧波分量的計算處理,諧波的計算采用FFT算法。
                • 4)顯示模塊:采用128*64點陣液晶,主要顯示電網參數以及工作狀態,電容狀態等。
                • 5)數據存儲模塊:將電網參數的整點數據存儲起來,便于現場運行情況的分析處理。這些數據既可通過上位機軟件檢測,也可連接U盤將數據讀取出來,導入上位機。
                • 6)網絡接口模塊:主要實現與網絡模塊的通信,這是實現遠程監控的關鍵。
                • 7)RS485模塊: 主要實現了與TDS智能電容器的通信,從而實現電容器狀態和信息的實時監測與本體控制。
                • 8)報警輸出模塊:為保證系統的安全穩定運行,當過壓、欠壓、諧波過大等情況下,通知用戶發生故障及自動及時切除已投入電容。

                2 硬件設計方案

                無功補償控制器的主控芯片選擇意法半導體公司基于ARM Cortex-M3內核的32位處理器STM32F103。硬件總體設計包括電源設計、復位電路、晶振模塊、JTAG/SWD接口、人機接口、采集部分、RS485、SPI網絡接口及存儲設備等。

                2.1 主控芯片

                STM32F103最高可工作在72MHz,包含5個USART、2個DMA控制器、3路SPI、3個ADC、ADC包含16路通道,提供電壓檢測器,提高了抗干擾能力,可保證系統的穩定運行。

                2.2 晶振模塊

                晶振主要提供主控芯片的時鐘信號,W5200的工作時鐘是由STM32的軟件控制的。STM32內部雖自帶RC振動器,可產生8 MHz時鐘,但精度較差。因此選用外接獨立晶振提供8 MHz時鐘源。

                2.3 電源設計

                運行現場不可能直接提供芯片的工作電源,就需要進行電源轉換。設計采用傳統電源設計模式:220V交流電壓通過變壓器變壓,整流橋整流,電容濾波,最后穩壓芯片穩壓后輸出直流電源。穩壓芯片選用ASM1117,電壓轉換成3.3 V直接給STM32與W5200供電。

                2.4 采集部分

                由于STM32具有12位ADC采樣,采樣速度最快可達到1 us采集一次,精度也可保證,因此,直接將電網信號轉換成STM32口線可以采集的信號接到STM32口線上。

                采集的具體流程圖如圖3所示。

                應用以太網控制芯片W5200,設計電能質量遠程監控系統

                圖3 電網信號采樣流程圖

                電信號經過互感器采樣后,加上濾波放大電路和電壓轉換電路后轉換為電壓信號,由于STM32采集的模擬量范圍是 0~3.3V,所以要再經過一個電壓偏移電路,加上基準電壓,就形成 STM32所能處理的模擬量信號。濾波電路選用最簡單的 RC 濾波電路,主要濾除外界對電網信號造成的干擾。電網信號的檢測采用電流、電壓互感器實現。

                2.5 復位電路

                復位電路可靠性是整個系統運行正常的關鍵。本系統采用了常規的阻容復位和芯片MAX706S結合的復位方式。系統采用了雙看門狗方式,一個為STM32的內部獨立看門狗,一個為MAX706S提供的硬件看門狗。由于W5200的工作電源需要3V以上,而STM32只需2V就可正常工作,此時MAX706S提供的低電壓復位信號起作用,這樣就保證了系統的正常運行。

                應用以太網控制芯片W5200,設計電能質量遠程監控系統

                 

                2.6 SWD接口

                為便于主控芯片程序的調試和下載,就需要設計調試接口。較JTAG接口,SWD接口簡單,只需兩根口線就可以實現,接口電路如圖4所示。

                應用以太網控制芯片W5200,設計電能質量遠程監控系統

                圖4 SWD接口電路

                2.7 SPI網絡接口

                由于W5200集成了TCPIP協議的網絡控制器,對軟件設計人員水平要求不高,通過SPI接口就可實現網絡連接,比較適合單芯片實現TCPIP協議棧、10/100M以太網MAC和PHY。W5200 內部有32K的存儲器用于通信數據的存儲,通過簡單的端口編程,用戶可實現以太網通信,而不必要處理復雜的以太網控制。W5200的SPI接口可以支持高達80MHz的時鐘。

                應用以太網控制芯片W5200,設計電能質量遠程監控系統

                圖5 網絡模塊結構圖

                模塊的結構如圖5所示,ARM芯片提供了時鐘信號,復位信號,控制信號,RJ45接口提供了以太網通信接口,網絡指示燈指示網絡的工作狀態。

                W5200支持8個獨立的端口同時工作,可以實現同一無功控制器通過網絡交換機受控于多臺上位機終端。

                2.8 串口通信模塊

                為了實時采集多臺電容器的實時工作狀態及其電容器信息,同時實現電容器的實時控制,為保證數據通信的可靠性,采用傳統的RS485通信。

                同時,無功補償控制器備用了2個RS232接口,可用來連接GPRS模塊實現遠程數據采集和電表數據采集。

                3. 軟件設計方案

                3.1 開發環境(MDK)

                MDK開發平臺是一個針對ARM處理器的專用集成開發環境??梢允褂肅/C++和匯編語言方便開發應用程序。MDK的在線調試與仿真,對軟件開發具有很大的幫助。

                3.2 軟件設計

                整個系統的軟件流程圖如圖6所示。

                應用以太網控制芯片W5200,設計電能質量遠程監控系統

                圖6 軟件流程圖

                本系統的軟件設計主要包括ARM的應用程序的開發和μC/OS-Ⅱ操作系統[10]的移植2個基本部分。ARM的應用程序主要包括數據測量、顯示程序、數據存儲程序、USB數據讀取程序、按鍵掃描處理程序、電容器通信、網絡通信程序、電容器控制和程序和報警輸出程序等。μC/OS-Ⅱ操作系統是協調STM32對程序的任務管理和調度。

                3.3 終端PC機軟件

                上位機遠程監控PC機軟件開發環境采用C++ Builder和SQL數據庫結合設計。C++ Builder集成開發環境提供了可視化窗體設計器,集成編輯器和調試器等系列可視化快速應用程序開發設計,程序員可輕松建立和管理自己的程序和資源。SQL數據庫用來將采集的數據實時存儲起來,便于以后查詢與現場故障分析等。

                PC機與無功補償控制器之間采用標準的電網101規約進行通信,便于接入已成型的智能電網中,實現了電網數據的遙測,設定參數的遙調和電容器狀態遠程顯示及遠程控制。

                如圖7所示,PC機與無功控制器聯機正常運行的實際情況,可見實時現場的電網參數基本上都可以監測到,三相功率因數均達到0.93以上,也取得較好的補償效果。

                應用以太網控制芯片W5200,設計電能質量遠程監控系統

                圖7 上位機遠程監控軟件運行圖

                經過一段時間的實際運行,運行情況良好,電網功率因數達標,證明該設計方案是切實可行的。

                4.總結

                本文以STM32為主控芯片,設計了一種控制器,具有無功補償功能。同時,通過驅動W5200網絡控制芯片實現了電網參數的實時遠程監控與電容器的遠程控制。該網絡接口硬件設計簡單,成本低,開發周期短,便于應用。而電網的長期在線監測,有利于電網的維護與故障分析。

                本文編自《電氣技術》,原文標題為“基于W5200的電能質量遠程監控系統設計”,作者為夏文、馮國偉 等。

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