基于LonWorks技术与AVR MCU的多功能电力监控终端的设计.pdf

探讨 一 交流R e s e ar ch Di s c u s s i o n 图1 P M1 0 0 D多功能电力监控终端原理框图 3 1 1 速度快 具备1 MI P S MHz 的高速运行处理能力 ；先进的 精简指令集 ( RI S C)，具有3 2 个通用工作寄存器 ， 可在一个时钟周期内执行一条指令来访问两个独立的 寄存器。A、 ， R 单片机是用一个时钟周期执行一条指令 的，即在执行前一条指令时就取出下一条指令 ，然后 在一个周期 内执行完指令 ，是8 位单片机中第一种真 的R I S C 单 片机 。 3 1 2 A V R 片上资源丰富 带E 2 P R O M， F L AS H、 P WM， I 2 C， S P I ， U S AR T ， AD， An a l o g C o mp a r mo r ， WD T 等； 3 1 3工作电压范围宽 ( 2 _ 7 5 5 V)、抗干扰能力强 本产品A T me g a 1 2 8 L 来完成各项监测、控制、 通信 ，包括实时读取电能计量I C中各电参数的数据并 加以处理 、读取实时时钟 、检测是否掉电、根据命令 或定时控制输出、实时检测输入状态 、对键盘信号 的读人和处理 、控制L E D 数码管和发光二极管显示输 出、与L o n Wo r k s 通信模块的数据传输、处理R S 4 8 5 接 口的通信。 AT me g a 1 2 8 L具 有 1 2 8 K字 节 的 系统 内可 编程 F L AS H， 因此适用高级语言的开发和较复杂系统的设 计 ； 内部4 K -： 节 的E E P O R M用于存 储有功 无功电量、 各校准参数、 以及P T 、 C T 、 DO 输出方式、 DO 输出脉冲 宽度、 电网方式、 定时时间、 超限报警门限等参数的存 储； 片内的模拟比较器用于检测是否掉电； 两个可编程 的串行US AR T ， 一个用于与L O NWO RKS 通信模块通 信， 另一个用于R S 4 8 5 接口； S P I 接口用于与电测量I c 和 时钟I c 通信， 实时读取各电参数及时间和日 期 ( 软件加 人防时钟异常走时处理， 当本次读取的时间与上次读 取的时间相差过大时进行自 校准处理) ； 部分通用I O 接 口 用于检测键盘输入和处理 ( 软件加入防抖动处理) 、 控 1 1 2 位数码管显示和发光二极管。 3 2 电源设计 电源是 装置 中一个非常重 要的部分， 电源性 能 的 好坏将直接影响整个装置的稳定性。 本设计中采用的 是开关电源， 它的特点是体积小 、 重量轻、 输入电压范 围宽 、 交直流通用 ( A C 8 0 2 6 5 V 、 DC 1 l 0 3 0 0 V) ， 从 而使装置能适应在更广的场合使用； 由于开关电源在 电磁兼容问题有其特殊性， 功率开关管在开关过程中 产生较大的传导电磁干扰和谐波干扰， 对电网和附近的 电气设备造成电磁干扰， 同时， 电网上的电磁干扰也容 易造成开关电源的异常， 因此在开关电源中增加抗干扰 和抑制干扰产生的措施是十分必要的， 如在输入端增 加共模电感， Y电容、 x电容、 在输出增加L c 滤波电路 等措施。 3 3 电测 量单元 电参数测量采用当今国际上先进的三相多功能电 能计量I c ， 该I c 内嵌了高精度的模数转换器和数字信 号处理器 ( DS P ) ， 具有数字积分、 数字滤波和具有众 多 实用 电能监 测 、 计 量 功能 ， 简化了电力 测量 的设计 难度， 该芯片能测量三相电压、 电流、 频率、 有功 无功 功率、 有功 无功电量等参数的测量； 外围电路将实测 的电压、 电流信号进行降压并隔离后将转换后的小电 压信号连接至该I c， 该I c 根据这些小电压信号就可以 得到各项的电压、 电流、 功率 、 电量等电参数的数据， A T me g a 1 2 8 L 通过S P I 接口读取各电参数的数据并加以 处理换算成实际的电参数值。 3 4 掉 电检测 电路 本设计的一些重要数据如电量、 校准参数、 P T 、 C T 、 定时等设置参数需掉电保存， 校准参数和P T 、 C T 、 定时等参数只需在数据有变化后才需要重新保存， 但 电量是实时更新的因此需实时存储或掉电后保证最新 的数据能保存好 ； 如设计加入铁电存储器则可对电量 数据进行实时的存储， 但增加了成本。 而A T me g a 1 2 8 L 片内含有4 K 字节的E E P R O M， 可用于本设计的数据存 储， 但E E P R O M的擦写次数是有限的为1 0 0 0 0 0 次； 对于 校准参数和P T 、 C T 、 定时等只需在有变化时才需重新 保存的参数E E P R O M完全可行， 但对电量不能进行实 时的存储； 因此本设计加入了掉电检测电路， 该电路只 需几个分立元件成本较低。 掉 电检 测 电路 的 目的是 当发 生掉 电事 件 时及 时 的将掉电信号通知AT me g a 1 2 8 L ， 以便A T me g a l 2 8 L 及 时 的存 储 重 要 的数 据 。当 掉 电发 生 时就 触 发 了 A T me g a 1 2 8 L 的模似中断， 并进人中断服务程序来处理 有功、 无功电量的存储工作； 此时A T me g a 1 2 8 L 由一个 较大容量的电容的放电来提供电源， 据A T me g a l 2 8 L 的 运行速度和工作电压范围， 则完全能处理完有功、 无功 电量的存储工作。 3 5 L o n Wo r k s 通信模块设计 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 为使终端即能接入L o n Wo r k s 绞线网络， 又能适 用L o n Wo r k s 电力线网络， 终端的设计需在同一设计下 能完成这两种接口的切换， 因此设计中将L o n Wo r k s 双 绞线与电力线通信模块设计成接口完全兼容的结构， 需L o n Wo r k s 双绞线接口时安装上L o n Wo r k s 双绞线通 信模块， 需L o n Wo r k s 电力线接口时安装上L o n Wo r k s 电力线通信模块， 同时通过跳线还可成为不带电的 L o n Wo r k s 电力线通信接口， 接口之间的切换非常方便 灵活， 从而可适应不同场合的应用。 L o n Wo r k s 通信模块与A T me g a 1 2 8 L 通过串行口 进行通信和数据传输， L o n Wo r k s 通信模块定时的从 A 1 m e g a 1 2 8 L 读取各种参数和数据， 包括电参数 ( 电压、 电流、 有功 无功功率 、 功率因数、 频率 、 有功 无功电 度、 P T 、 C T ) ， 电参数超限报警、 时间、 E t 期、 输人输出 状态、 定时时间等， 协议转换之后数据以L o n Wo r k s 输 出网络 变量或输入 网络变量 的形式输 出； 通 过输入 网 络变量可控制DO 的开关、 设置D O输出的工作方式 ( 脉 冲、 电 平 ) 、 定时时间、 校准电参数、 校时、 设置P T 、 C T 、 密码等等。 3 6输入输出控制单元的设计 本产品设计有3 路光电隔离开关量输入和3 路光电 隔离继电器输出， 通过通用I OH对3 路开关量输入进行 实时检测， 通过远程命令或定时设置对3 路继电器输出 进行控制； 输入输出光电隔离并在输人和输出端口处增 加Y电容和压敏电阻增强E MC 抗干扰能力。 4 P M1 O O D 多功能电力监控终端的应用 表1 测量 三相 三相 三相有 三相无 三相功 电压 电流 功功率 功功率 率因数 P M1 0 0 D 有 有 有 有 有 普通电能表 无 无 无 无 无 变比预 设 测量和读数 电量 脉冲 测量 电压 电流 有功电度 无功电度 输出 精度 有 ，读 出的 有 ，读 出的 值即为实 值即为实 P M1 O O D 有 有 有 O 5 际值 ( 单 际值 ( 单 位k w h ) 位k w h ) 有，读出的 无或读出的 普通电 值需乘电压 值需乘电压 1 0 能表 无 无 变比和电流 变比和电流 有 2 0 变比后才 变比后才 为实际值 为实际值 P M1 0 0 D 多功能电力监控终端是集遥控、遥信 、 遥测及定时控制于一体的多功能电力监控终端 ，可广 泛应用 于发 电厂 、变 电站 开 闭所 变 电所 、城市及农 村配电网、城市道路照明、等领域的自动化监控 ；目 表3 探讨 交流 预设门限值与超 上、下限报警 远程输 输入状 通信接口 出控制 态监测 电压、电流、功率 有，三 L o n Wo r k s 有，需通 有，需通 路输 双绞线接 P M1 O 0 D 过上位机 过上位机 出控 有 ， 口或电力 制( 可 三路 线接 口 软件设置 软件查看 定时 或R S 4 8 5 控制) 接口 普通 电 无 无 无 无 R $ 4 8 5 能表 接 I： 1 前本公司已经在高速公路 、特大型桥桥梁、火车站、 建筑能源、企业计量数据采集等自动化监控系统中得 到广泛应用。 4 1 P M1 O O D 多功能电力监控终端在韶钢计量数据采 集管理系统中的应用 韶钢厂区面积较大， 大约有十几平方公里， 而能源 计量检测点分布在公司的各个生产工序， 很难集中管 理。 如何准确计量各生产单位投入产出的能源数据， 如 何对能源数据进行集中采集管理成为制约韶钢信 息 化 发展的瓶颈之。 为了充分挖掘计量数据的效能， 使其 成为公司财务结算、 生产调度、 产量统计、 成本核算、 指标考核、 投入产出平衡分析和领导决策的重要基础 数据， 使公司的经济效益和管理水平上新台阶 韶钢实 施计量数据采集管理系统， 并引进了L o n Wo r k s 控制网 络技术， 对公司范围内几十个不同区域的1 0 0 0 多个计量 检、?贝 0 测点通过L o n Wo r k s 控制网络技术分几十个采集子 站进行集中采集。 而本公司的P M1 0 0 D多功能电力监控 终端则完全满足了韶钢对电能计量数据的采集的需求， 为满足韶钢对于电能的二、 三级计量数据采集与管理 提供了技术装备。 同时， 本公司L o n Wo r k s 电力监控终端 产品， 达到国际同类产品的先进水平， 其产品价格远低 于进口产品， 解决了韶钢长期依赖进 口 产品、 成本高维 护难的问题。由于本产品功能强， 性价比好， 可靠性高， 在韶钢能源计量管理系统中应用， 实现了预期的目标和 效果， 深得韶钢的好评和信赖， 已从本公司采购了数百 台的P M1 0 0 D 多功能电力监控终端， 后期仍有大量的采 购需求。 图2 为韶钢计量数据采集管理系统结构图。 。 L o 岬 也 总蛙 总蠼 吣慨 裹 广j1r 丌 现 场流量、压力、温 度+ 现J 砑 流量、压力、沮 度 图2 韶钢计量数据采集管理系统结构图 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m