第一章 緒論

1.1 研究背景

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)的依賴已經(jīng)到了無(wú)可取代的地步。然而一些偏遠(yuǎn)地區(qū)的人們由于地理位置的原因，電力設(shè)備很難得到普及。而這一現(xiàn)象將會(huì)在未來(lái)幾年中得以改變，國(guó)家正全力建設(shè)新型智能電網(wǎng)系統(tǒng)，使得更多人可以因此改善日常生活。然而一旦電網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)完成之后，將會(huì)遇到諸多問(wèn)題：（1）由于我國(guó)幅員遼闊，而電力設(shè)備又會(huì)大大增加，一旦某一地區(qū)電網(wǎng)出故障，而又沒(méi)有備用方案，那么直接造成不便，因此可靠性低[1-5]。（2）遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)與通信困難。原有的電力設(shè)備無(wú)法有效地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，通信距離的原因也使得電網(wǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不能安全無(wú)誤地及時(shí)送達(dá)給上位機(jī)。（3）故障定位困難。人工檢修只能地毯式進(jìn)行，并不能精確地定位具體故障位置，以及故障原因。（4）電能參數(shù)統(tǒng)計(jì)困難。大數(shù)據(jù)分析在現(xiàn)在智能電網(wǎng)建設(shè)過(guò)程中至關(guān)重要。但是原有的電力設(shè)備鮮有自動(dòng)抄表系統(tǒng)，使得電能數(shù)據(jù)不能及時(shí)統(tǒng)計(jì)。（5）區(qū)域電網(wǎng)電能質(zhì)量管理難以統(tǒng)一。傳統(tǒng)電能質(zhì)量統(tǒng)計(jì)還是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)為主，缺少電網(wǎng)優(yōu)化、載波監(jiān)聽(tīng)等手段，區(qū)域范圍內(nèi)的諧波源難以被偵測(cè)到，電能管理無(wú)法合理統(tǒng)一。

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1.2 研究目的與意義

總上所述，為了實(shí)現(xiàn)真正的智能電網(wǎng)，就必須全方位對(duì)電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在現(xiàn)代智能電網(wǎng)中，電力開(kāi)關(guān)設(shè)備主要包括斷路器，互感器、熔斷器、負(fù)荷開(kāi)關(guān)以及隔離開(kāi)關(guān)等，內(nèi)部包括一系列測(cè)量裝置、控制裝置、執(zhí)行裝置、信號(hào)發(fā)射裝置等組成。所承擔(dān)的功能也不僅僅是隔離故障源，還要保護(hù)設(shè)備內(nèi)部元器件。此外，還需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電力開(kāi)關(guān)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，并及時(shí)與人機(jī)接口進(jìn)行交互。一二次側(cè)設(shè)備生產(chǎn)日益成熟，使得原本分開(kāi)的一二次互感器能夠很好地融合為一體，極大地縮小了一體化智能開(kāi)關(guān)的體積；互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)使得人機(jī)對(duì)話變得簡(jiǎn)便。基于這些先進(jìn)技術(shù)，文章提出一體化智能開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)[6-8]。

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第二章 一體化開(kāi)關(guān)整體系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 總體方案設(shè)計(jì)

微處理器模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心。主要采用的是 STM32F103 為主控芯片，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理與分析。主程序存儲(chǔ)在微處理器模塊內(nèi)嵌的 FLASH 中，為了防止內(nèi)存空間不夠，還外接了一個(gè) RAM 中，負(fù)責(zé)存儲(chǔ)一些緩沖文件，主程序會(huì)周期對(duì)其進(jìn)行清理。系統(tǒng)采集的電力數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在一片外接的鐵電存儲(chǔ)器中。電能計(jì)量模塊采用 ATT7022E。ATT7022E 內(nèi)自帶電能參數(shù)統(tǒng)計(jì)算法，因此外接電路只需要對(duì)其連接的接口進(jìn)行檢測(cè)，將統(tǒng)計(jì)好的電能參數(shù)按照正常工作時(shí)序傳入單片機(jī)即可。具體內(nèi)部電能參量計(jì)算后面章節(jié)會(huì)詳細(xì)給出。微機(jī)繼電保護(hù)是一體化開(kāi)關(guān)必不可少的一部分。微機(jī)控制系統(tǒng)都是低壓工作模式，然而電網(wǎng)電壓往往都是高壓或者特高壓，繼電保護(hù)模塊一方面將強(qiáng)弱電進(jìn)行隔離，另一方面也是二者的媒介，微處理器可對(duì)繼電保護(hù)的低壓側(cè)發(fā)出指令，繼電保護(hù)的驅(qū)動(dòng)電路隨之動(dòng)作，從而對(duì)電網(wǎng)分合閘，達(dá)到預(yù)期效果。繼電保護(hù)的另外一個(gè)功能就是采集電壓電流信號(hào)，將二次側(cè)的電壓電流信號(hào)分別用相應(yīng)的互感器采集過(guò)來(lái)，經(jīng)過(guò)濾波，放大等環(huán)節(jié)送給微處理器模塊，最后上傳至上位機(jī)，做到對(duì)電網(wǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。微機(jī)繼電保護(hù)不僅對(duì)微處理器進(jìn)行隔離，也起到對(duì)整個(gè)系統(tǒng)所有模塊都進(jìn)行隔離保護(hù)功能[23-28]。

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2.2 微機(jī)繼電保護(hù)裝置介紹

電力系統(tǒng)的繼電保護(hù)裝置是隨著電力系統(tǒng)等的發(fā)展和不斷適應(yīng)電力系統(tǒng)發(fā)展的要求而發(fā)展的。早期的繼電保護(hù)是熔斷器，當(dāng)供電設(shè)備發(fā)生短路而造成局部電流過(guò)大時(shí)，熔斷器的熔體會(huì)過(guò)電流發(fā)熱熔斷，電路被切斷。隨著用電設(shè)備和供電范圍的擴(kuò)大，許多情況下熔斷器已經(jīng)不能滿足需求了。于是出現(xiàn)了更專(zhuān)業(yè)的斷流裝置—過(guò)電流繼電器。眾所周知，微機(jī)保護(hù)裝置你需滿足四個(gè)基本要求：選擇性、速動(dòng)性、靈敏性、可靠性。選擇性是指電力系統(tǒng)中發(fā)生故障時(shí)應(yīng)由據(jù)故障點(diǎn)距離最近的保護(hù)裝置動(dòng)作，，切除故障。速動(dòng)性是指電力系統(tǒng)中出現(xiàn)故障后，微機(jī)保護(hù)裝置應(yīng)能迅速動(dòng)作，切除故障，以減少故障所帶來(lái)的損失。靈敏性是指微機(jī)保護(hù)裝置在保護(hù)范圍內(nèi)對(duì)任何類(lèi)型的故障或者不正常運(yùn)行狀態(tài)，都能夠迅速反應(yīng)。可靠性是指微機(jī)保護(hù)裝置在故障的時(shí)候能夠準(zhǔn)確動(dòng)作，在正常運(yùn)行狀態(tài)下不應(yīng)該誤動(dòng)作。

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第三章 一體化開(kāi)關(guān)軟件設(shè)計(jì)................30

3.1 軟件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)................30

3.2 一體化開(kāi)關(guān)主程序設(shè)計(jì)................31

第四章 系統(tǒng)測(cè)試分析................40

4.1 整體測(cè)試工具介紹................40

4.2 電源測(cè)試................40

第四章 系統(tǒng)測(cè)試分析

4.1 整體測(cè)試工具介紹

為了使一體化智能開(kāi)關(guān)能夠準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)電網(wǎng)質(zhì)量，需要對(duì)真?zhèn)�系統(tǒng)進(jìn)行模擬測(cè)試。測(cè)試分為本機(jī)測(cè)試和遠(yuǎn)程測(cè)試，本機(jī)測(cè)試即指通過(guò)下載電路將程序拷進(jìn)單片機(jī)的存儲(chǔ)器中，再檢測(cè)端口，看看能否正常工作。遠(yuǎn)程通信測(cè)試是指利用網(wǎng)絡(luò)通信測(cè)試工具對(duì)主機(jī) IP 和端口，上位機(jī) IP 和端口進(jìn)行連接，并發(fā)送測(cè)試數(shù)據(jù)。測(cè)試部件包括核心電路板、信號(hào)發(fā)生器、JTAG 下載器、個(gè)人 PC 等。

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4.2 電源測(cè)試

整個(gè)電源系統(tǒng)包括開(kāi)關(guān)電源和主電路板上的電源控制模塊。在主電路的電源控制模塊上，每個(gè)電源的 VCC 電位都要測(cè)試，同樣的接地點(diǎn) GND 也要逐一測(cè)試。當(dāng)確定電源引腳焊接無(wú)誤能夠正常工作時(shí)，在進(jìn)行下一步通電測(cè)試。通電前檢查所有 VCC 與 GND 是否有短接現(xiàn)象，先排除硬件故障。再測(cè)試電容的極性，電阻值是否正確。通電后，觀察各個(gè)電源指示燈是否正常亮滅，個(gè)電源模塊有沒(méi)有急劇發(fā)熱的現(xiàn)象。

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結(jié)論

隨著電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)新型智能電網(wǎng)的要求也越來(lái)越高。傳統(tǒng)電網(wǎng)中的電力設(shè)備，配電箱等雖然為整個(gè)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行起到至關(guān)重要的作用，但是功能上比較單一，而且運(yùn)維成本較高，包括硬件的迭代更新，投入使用后的后期維護(hù)，以及人工等。本設(shè)計(jì)針對(duì)傳統(tǒng)電力開(kāi)關(guān)工作效率低等缺點(diǎn)，引入電能計(jì)量模塊實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)抄表的功能。借助內(nèi)置 TCP/IP 的遠(yuǎn)程通信模塊一方面可遠(yuǎn)程監(jiān)控電力設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，還可以準(zhǔn)確定位故障源。系統(tǒng)主要工作總結(jié)如下：(1)根據(jù)一體化智能開(kāi)關(guān)對(duì)電力設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的功能要求，對(duì)系統(tǒng)的通信協(xié)議選擇分析，查閱相關(guān)資料之后確定采用內(nèi)嵌 TCP/IP 協(xié)議棧的 SSIM900A 通信模塊。根據(jù) SIM900A 芯片資料設(shè)計(jì)其硬件電路，結(jié)合整體功能要求進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)部分及流程進(jìn)行初步設(shè)計(jì)。測(cè)試結(jié)果表明 SIM900A 可以減少 CPU 的開(kāi)銷(xiāo)，提高程序運(yùn)行效率，還能夠加強(qiáng)傳輸過(guò)程的安全性和穩(wěn)定性。TCP 傳輸不僅可以雙向進(jìn)行，還帶有差錯(cuò)校驗(yàn)協(xié)議，大大提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，丟包率極低。

參考文獻(xiàn)（略）