基于ABC三相电的电网监测系统监控终端的设计

　　摘要：为了有效解决远程实时监测电网线路的ABC三相电温度和周边环境情况，实现电网的智能预警，减少人力和物力资源的投入及人工监控的弊端，设计了电网监测系统。该系统在嵌入式Linux操作系统基础上，采用GPRS无线通信技术，通过基于ARM9的S3C2440A处理器对采集的传感器信息进行处理，实现智能实时监控，不仅保障用电单位的用电处于安全状态，而且也为整个电网的安全经济运行创造了条件。电网监测系统分为主控中心和监控终端两部分。本文主要讨论监控终端设计。

　　引言

　　当前，电网庞大复杂，输电设施多在距离人们居住地方较远的山上、陡坡等处架设，一方面管理人员不易对故障设施检测并修复，另一方面很容易对管理人员的人身安全带来威胁。尤其在较寒冷的冬天，电力工作人员须在冰冷、湿滑的环境下，对电网设施进行清冰、检测等工作，很容易出现安全事故[1]。

　　针对上述安全问题，以及在国家大力发展智能电网的环境下，本文设计了一种新型的输电设施监控系统。通过本系统，可以自动地对输电设施进行全天候的监控，如果监测到输电设施各个参数的数据有异常，系统会将警报信息自动发回给远端的服务器系统，实现实时监控。

　　系统设计

　　本系统主要采用了以ARM9为核心的TQ2440开发板作为数据处理平台，并分为两部分：主控中心与监控终端，本文主要讨论电网监测系统的监控终端设计。在监控终端处，主要对电网的A、B、C三相电电力线缆接头处的温度和电网塔杆的角度进行监测，同时对外界环境中的温度、湿度、风速、阴晴度进行了监测。并利用GPRS无线通信技术，将各个传感器采集到的数据发送回主控中心，主控中心再进行相关的处理。考虑监控终端野外工作的特性，采用了太阳能电池板进行供电，同时也实现了太阳能自动跟踪系统，保证了监测设备供电的特殊性。

　　监控终端功能设计

　　监控终端设计主要采用S3C2440作为处理器，并结合了TLC2543 AD 转换芯片、风速传感器、湿度传感器、铂电阻(PT100)、温度传感器和角度传感器对电网上的电力线缆的ABC三相电接头处温度和塔杆的倾斜角度以及外界环境的温度、湿度、风速进行监测，并通过GPRS无线传输技术将数据传回主控中心。监控终端系统模块图如图1所示。

　　A、B、C三相电温度检测

　　高压线缆表面温度测量，对传感器的要求比较苛刻。本系统采用的传感器件为WZP型Pt100铂电阻，具有抗震动、稳定性好、准确度高等特点，满足这一特殊环境使用要求。测量电路主要包括三个部分：恒流源电路、模拟信号放大部分、AD转换部分。恒流源电路利用运放原理[2]搭建，输出端接铂电阻接反相输入端形成负反馈，利用基准电压源芯片LM336得到2.5V电压接精密电阻到运放负向输入端，由虚短虚断的原理可知流过铂电阻电流大小等于流过精密电阻的电流，实测恒流效果较理想。放大部分采用AD620(标准三端运放)运算放大器，外接合适的增益电阻，可实现0~1000倍的增益放大，使用简单。数模转换采用12位AD转换芯片TLC2543，对模拟信号进行转换后，送处理器进行数据处理。设计的运算放大器放大增益为20，可实现-100℃到+100℃的准确测量，完全满足实际使用要求。三相线表面温度测量原理设计图如图2所示。

　　温度、风速、角度测量

　　温度测量采用的是DS18B20传感器，该传感器独特的单线接口方式，在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯，测温范围-55℃~+125℃，固有测温分辨率0.5℃。工作电源：3~5V/DC，在使用中不需要任何外围元件，为保障数据的稳定传输，串接4.7kΩ上拉电阻来提高驱动能力。

　　对于风速的测量，有些风速传感器需要外接电源，输出精度相对较高，如果直接放置外界测风速，会受高压电网环境强电磁场的影响，精度自然会降低。本系统采用自发电式风速传感器，壳体用工程塑料制作，轻便的同时，防环境雷击和电场等破坏。不需要外接电源，可实现0~5V模拟电压信号输出，输出稳定，测量风速范围在0~12级之间，精度误差3%，输出模拟信号连接AD转换芯片送给处理器处理。

　　角度测量采用MMA7455 传感器，MMA7455 是一款数字输出(I2C/SPI)、低功耗、紧凑型电容式微机械加速度计，具有信号调理、低通滤波器、温度补偿、自测、可配置通过中断引脚(INT1或INT2)检测0g、以及脉冲检测(用于快速运动检测)等功能。0g 偏置和灵敏度是出厂配置，无需外部器件。可使用指定的0g 寄存器和g-Select 量程选择对0g 偏置进行校准， 量程可通过命令选择3个加速度范围(2g/4g/8g)。MMA7455数字三轴加速度传感器模块核心为飞思卡尔公司的MMA7455L数字三轴加速度传感器，该模块设计使用官方推荐设计，板卡线路经过高电磁兼容设计和优化，具有输出精确，体积小，工作可靠，各种标识清晰，扩展性好等特点。

　　A、B、C三相电接头温度采集的驱动程序设计

　　采用S3C2440作为监控终端的处理器，通过编写Linux驱动程序[3]，实现了各种传感器的数据采集。并通过GPRS无线传输技术，传回给主控中心。在Linux驱动开发中，驱动框架模板中结构体static struct file_operations armirc_fops = {…}非常重要，它完成了将驱动函数映射为标准接口[5]。对电网电力线缆接头处的温度监测，主要采用了热欧电阻PT100，它的阻值会随着温度的变化而改变。PT后的100即表示它在0℃时阻值为100欧姆，在100℃时它的阻值约为138.5欧姆。在这里主要通过TLC2543[4]实现对数据的采集。

　　程序设计主要是对TLC2543进行通道选择，并且对数据的读取，每次转换和数据传递可以使用12或16个时钟周期得到全12位分辨率，可以使用8个时钟周期得到8为分辨率，在这里采用了12个时钟周期得到12位分辨率。一个片选(CS)脉冲要插到每次转换开始处，或是在转换时序的开始出变化，此后保持CS为低，直到时序结束。每次专属和数据传递使用12个时钟周期和在每次传递周期之间插入CS的时序，即进行一次转换操作一次CS时序。

　　从图3中可以看出，在TLC2543的CS变低时开始数据转换盒数据传送，CPU将选择通道、数据长度选择。前导选择、单双极性选择的控制信息送入输入脚的同时，还从输出脚读出AD的转换结果。在I/O CLOCK上升沿时数据变化，即I/O CLOCK低电平时将要写入的输入数据准备好，当I/O CLOCK高电平时读取输出数据，当CS为高时，I/O CLOCK 和输入被禁止，输出为高阻态，不能操作。

　　当上述准备工作做好后，发现AD转换器只能对其中的一个通道进行数据的正确读取，当多用了几个通道号，发生了通道串位的问题，为了解决这种情况的发生，在数据转换开始时多加了一个for循环，这个循环只能循环三次，这样通道串位的问题就可以解决。在这里利用了TLC2543的五个通道，其中通道0、通道1、通道2是接收热欧电阻PT100发送的数据。其他两个通道原理相同。

　　利用dianya=(float)dian/0x0fff*4.42这个公式计算出来电压值。再利用dianzu=dianya1*32这个公式计算出相应的电阻对应的电阻值。最后根据WZP型铂热电阻(Pt100)分度特性表计算出公式wendu1[i]=(dianzu1[i]-100)/0.385后，得到了相应的电阻对应的温度。

　　结束语

　　本文阐述了ABC三相电智能电网监测系统监控终端的设计实现，该系统经过测试，达到了预期的监测效果和实时速率要求。通过布设监控终端，免除了人工监测的弊端，降低了了整个电网的运营成本，系统易于维护和升级，使电网输电环节智能监测的准确性、实时性以及稳定性得到了极大的改善。但由于电网设备结点大部分都处于位置比较偏僻、人很难接近的地方，所以还需完善，进一步提高稳定性，同时还可实现监测结点的视频监控，以及对输电线浮冰厚度的检测等。

　　参考文献：

　　[1] 曹军威，万宇鑫等.智能电网信息系统体系结构研究[J].计算机学报，2013，36，(1)：144-161

　　[2] 汤普森.实用模拟电路设计[M].北京：人民邮电出版社，2009

　　[3] 韦东山.嵌入式Linux应用开发完全手册[M].北京：人民邮电出版社，2007

　　[4] TLC2543 Datasheet[Z/OL].http：//www.ti.com.2005

　　[5] 陈莉君.Linux操作系统内核分析[M].北京：人民邮电出版社，2000

　　张平

关注读览天下微信， 100万篇深度好文， 等你来看……