摘要：介紹了電力監測中智能監控系統的模型設計。此監測系統采用單片機實現電力參數的交流采樣。系統對來自電流互感器和電壓互感器電力信號進行實時處理。該裝置主要用于低壓系統的繼電保護，集綜合測量、顯示功能于一體，可組成功能完善的計算機電能管理網絡系統。給出了低壓數字繼電器的詳細設計方案及其硬件和軟件上的實現。 1 引言 　　 在低壓電力系統中，涉及測量、計量、繼電保護等基本要求。傳統的低壓元件多采用機電式結構，這種結構的低壓元件性能差，體積大，成本高，功能單一，不具備智能。低壓數字繼電器是根據我國對電力設備運行、保護和計算機監控要求設計的，適合我國工礦企業、民用建設等供配電的自動化裝置，主要用于低壓系統（0.4kV）的繼電保護，具有很強的綜合測量、顯示功能，能直接顯示三相電流、三相電壓、功率因數、無功功率、有功功率、電度、頻率等電量參數，能指示斷路器的分閘、合閘和故障狀態。通過操作按鍵可整定CT變比、直接顯示進線的一次電流、一次電壓；通過對各項保護參數的整定，可實現短路速斷、過流報警、過壓報警、欠壓報警等保護功能。通過RS485通信接口，可以組成功能完善、經濟實用的計算機電能管理網絡系統。 2 原理 　　 一次電壓信號（AC 380V）直接接在本裝置上，電壓信號經電壓互感器整理送入采集芯片CS5460A；一次電流信號（AC 5A）經CT接入本裝置，電流信號經電流互感器整理也送入采集芯片CS5460A。然后，運用單片機實現電力參數的交流采樣，從CS5460A中讀出當前的電流、電壓、電能等參量送顯示。根據整定值和測量值控制輸出觸點的閉合，還可根據外部狀態輸入顯示外部狀態。 　　 3 硬件構成 　　 3.1 以單片機為核心的硬件設計 　　 本裝置以單片機為核心，功能單元由主控板、采樣電路、顯示驅動電路、看門狗及掉電保護電路、RS485串行通信接口電路、電流電壓互感器板、繼電器板及外殼和接線端子及電源組成。內部各部件采用分層安裝，散熱好，抗干擾能力強。裝置的整體結構原理如圖所示。 3.2 數據采集 　　 在實現電力自動化的過程中，最關鍵的環節是數據采集。本裝置全部電量的測量采用單片機交流采樣獲得。為了降低成本，大信號的三相電流使用電流互感器得到交流小信號，而大信號的三相電壓則用電壓互感器得到交流小信號。為保證有功功率、無功功率和電量的精度，應盡量選用一致性好、相位誤差小的精密互感器。信號調理電路實際上是對信號的變換和低通濾波。模擬信號經過互感器的轉換送入采集芯片CS5460A，CS5460A芯片是采用CMOS 工藝制造的用于測量能量的單片集成芯片，包含1個可編程的增益放大器、2個Δ-Σ的模數轉換器，兩個高通濾波器；具有系統整定以及功率計算功能，用于精確的測量和整定能量、瞬時功率、電壓有效值和電流有效值等。CS5460A片內可以進行交流的系統整定，從而很容易完成電壓、電流值到數字量的轉換。微控制器從CS5460A的串行接口中讀出當前的電流、電壓、電能等參量。如圖（所示交流電壓和電流分別通過CS5460A芯片的微分電壓正極Vin+端、微分電流正極Iin+端輸入信號，采樣電路經過CS5460A芯片的SDO引腳輸出數字化的電流、電壓和電能等，送控制器顯示。 　 3.4 看門狗及掉電保護 　　 當程序跑飛或進入到一個臨時構成的死循環中時，系統將完全癱瘓。“看門狗”可自動復位使CPU從死循環中進入正常的程序流程。美國Xicor公司的可編程看門狗監控E2PROM芯片X25045集成了看門狗定時器、電壓監控和E2PROM三種常用的功能，從而大大降低了成本并節約了電路空間。X25045帶有的512Í8位的非易失串行ROM對儀表保存一些重要數據非常重要（如參數設定），即使掉電也不會丟失。單片機對X25045的讀寫是分別通過寫端口SI、讀端口SO和時鐘端口CLK按照一定的時序配合來實現的。 　　 3.5 顯示驅動電路 　　 ZIG7289A是具有串行接口的、可同時驅動8位共陰式數碼管或64只獨立LED的智能顯示驅動芯片，采用串行方式與微處理器通信，串行數據從DIO引腳送入芯片并由CLK端同步，當片選信號CS變為低電平后DIO引腳上的數據在CLK引腳的上升沿被寫入ZIG7289A的緩沖寄存器。 　　 4 軟件系統設計 　　 4.1 主程序 　　 實現對保護裝置電參數的測量與監視，必須實時地收集與處理電量、開關量狀態等參數。裝置對測量的精確性，保護動作的可靠性、迅速性、安全性都有很高的要求，在單片機上實現多種功能，軟件的設計必須對實現功能占用CPU時間的分配上做到有主有次，既要保證功能的完整性，又保證實時性。本裝置軟件需完成以下任務：每1.667ms對三相電壓電流采樣轉換一次，即在一個交流正弦信號周期（20ms）內采樣12個點，然后計算電壓電流的有效值及其他相關量；通信任務，接受上位機的下行命令，將電壓、電流及有功功率、無功功率、電能等實時地傳送給上位機，并執行上位機發出的控制等其他命令；測量結果保存及顯示；鍵盤檢測及響應。 　　 程序設計采用模塊化設計方法將全部功能劃分為主模塊及功能模塊。在具體實現時則采用中斷與查詢相結合辦法，運用任務調度的設計思想，優先級高的任務通過中斷實現，低優先級的任務則通過設置和查詢標志的方法用各個功能模塊。如圖4所示主程序首先對系統初始化，包括CPU本身、顯示面板、通信及開關量輸出初始化，然后進入主循環。主循環中通過查詢標志的方法調用各個功能模塊：檢查是否有鍵盤查詢標志，有則調用相應處理子程序，該程序已對鍵盤抖動及干擾信號作了處理；檢查是否有新的A/D采樣結果，如果有則用保存在E2PROM中的通道系數（該系數通過上位機下載）對A/D采樣結果進行調整；檢查是否通信需要處理，通信處理包括校驗和計算和檢驗、相應命令的處理及上發反饋信息。在完成一個周波的12點采樣及調整后，調用計算子程序完成所有計算任務，包括電壓、電流、功率、電度以及頻率；顯示測量結果，顯示子程序根據顯示狀態顯示不同的測量結果。 4.2 通信協議 　　 本裝置數據鏈路層采用基于Modbus總線的通信，使信息和數據在上位機（主站）和電力監測系統之間有效地傳遞。其作用包括允許主站訪問和設定所接電力監測儀的全部設置參數；允許訪問電力監測儀的所有測量數據。 　　 Modbus是一種廣泛應用于工業上的開放式現場總線協議，可以利用RS232或者RS485進行通信。基本通信方式是一條通信線路上只能有一個主站控制通信，由主站發出數據請求命令，而子站響應主站的數據請求信號。在一個時刻只能有一個子站響應主站的請求。數據的傳送采用ASCII碼，8位數據位、無校驗、1個停止位。每個Modbus數據包由子站地址、功能、數據和錯誤校驗4個部分組成。子站地址為1個字節，且在1個鏈路中應當唯一，有效的地址范圍為1～247，當所有的子站接收到符合Modbus協議的標準的數據包時，首先檢查該數據包的子站地址，若相吻合，則作處理后返回結果，否則不予響應。功能碼也是1個字節，指明該指令要求子站執行的操作（設置參數、讀數據等）。響應數據包告知主站已經完成的操作。數據的長度視指令功能而定。一般而言，數據按照16位獲32位模式組織。錯誤校驗，采用CRC-16檢驗方式。 　　 5 結束語 　　 低壓數字繼電器是在借鑒國內外同類產品的基礎上，根據我國對電力設備運行、保護和計算機監控要求設計的，適合我國工礦企業、民用建設等供配電的自動化裝置，可廣泛應用于電力、紡織、輕工、化工、石油等行業的電量參數的監測。該儀表具有以往儀表所不具備的優點，會有廣泛的應用前景。 　　 參考文獻： 　　 ［1］劉小端，等. 基于MSP430F149的低成本智能型電力檢測儀［J］. 電子技術，2002（4）. ［2］劉俊峰，等. 基于單片機的電力監控系統交流采樣技術的實現［J］. 單片機與嵌入式系統應用，2001，（6）. ［3］孫國凱，等. 電力系統繼電保護原理［M］. 北京：中國水利水電出版社，2002. ［4］李仁俊，等. 一種低壓網絡系統的保護繼電器［J］. 繼電器，1994.