摘要：介紹了電力監(jiān)測(cè)中智能監(jiān)控系統(tǒng)的模型設(shè)計(jì)。此監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)電力參數(shù)的交流采樣。系統(tǒng)對(duì)來(lái)自電流互感器和電壓互感器電力信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。該裝置主要用于低壓系統(tǒng)的繼電保護(hù)，集綜合測(cè)量、顯示功能于一體，可組成功能完善的計(jì)算機(jī)電能管理網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。給出了低壓數(shù)字繼電器的詳細(xì)設(shè)計(jì)方案及其硬件和軟件上的實(shí)現(xiàn)。
1.引言
在低壓電力系統(tǒng)中，涉及測(cè)量、計(jì)量、繼電保護(hù)等基本要求。傳統(tǒng)的低壓元件多采用機(jī)電式結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)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(shù)字繼電器是根據(jù)我國(guó)對(duì)電力設(shè)備運(yùn)行、保護(hù)和計(jì)算機(jī)監(jiān)控要求設(shè)計(jì)的，適合我國(guó)工礦企業(yè)、民用建設(shè)等供配電的自動(dòng)化裝置，主要用于低壓系統(tǒng)（0.4kV）的繼電保護(hù)，具有很強(qiáng)的綜合測(cè)量、顯示功能，能直接顯示三相電流、三相電壓、功率因數(shù)、無(wú)功功率、有功功率、電度、頻率等電量參數(shù)，能指示斷路器的分閘、合閘和故障狀態(tài)。通過(guò)操作按鍵可整定CT變比、直接顯示進(jìn)線的一次電流、一次電壓；通過(guò)對(duì)各項(xiàng)保護(hù)參數(shù)的整定，可實(shí)現(xiàn)短路速斷、過(guò)流報(bào)警、過(guò)壓報(bào)警、欠壓報(bào)警等保護(hù)功能。通過(guò)RS485通信接口，可以組成功能完善、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的計(jì)算機(jī)電能管理網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
2.原理
一次電壓信號(hào)（AC 380V）直接接在本裝置上，電壓信號(hào)經(jīng)電壓互感器整理送入采集芯片CS5460A；一次電流信號(hào)（AC 5A）經(jīng)CT接入本裝置，電流信號(hào)經(jīng)電流互感器整理也送入采集芯片CS5460A。然后，運(yùn)用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)電力參數(shù)的交流采樣，從CS5460A中讀出當(dāng)前的電流、電壓、電能等參量送顯示。根據(jù)整定值和測(cè)量值控制輸出觸點(diǎn)的閉合，還可根據(jù)外部狀態(tài)輸入顯示外部狀態(tài)。
3.硬件構(gòu)成
3.1 以單片機(jī)為核心的硬件設(shè)計(jì)
本裝置以單片機(jī)為核心，功能單元由主控板、采樣電路、顯示驅(qū)動(dòng)電路、看門狗及掉電保護(hù)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(nèi)部各部件采用分層安裝，散熱好，抗干擾能力強(qiáng)。裝置的整體結(jié)構(gòu)原理如圖所示。
3.2 數(shù)據(jù)采集
在實(shí)現(xiàn)電力自動(dòng)化的過(guò)程中，最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)是數(shù)據(jù)采集。本裝置全部電量的測(cè)量采用單片機(jī)交流采樣獲得。為了降低成本，大信號(hào)的三相電流使用電流互感器得到交流小信號(hào)，而大信號(hào)的三相電壓則用電壓互感器得到交流小信號(hào)。為保證有功功率、無(wú)功功率和電量的精度，應(yīng)盡量選用一致性好、相位誤差小的精密互感器。信號(hào)調(diào)理電路實(shí)際上是對(duì)信號(hào)的變換和低通濾波。模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)互感器的轉(zhuǎn)換送入采集芯片CS5460A，CS5460A芯片是采用CMOS 工藝制造的用于測(cè)量能量的單片集成芯片，包含1個(gè)可編程的增益放大器、2個(gè)Δ-Σ的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，兩個(gè)高通濾波器；具有系統(tǒng)整定以及功率計(jì)算功能，用于精確的測(cè)量和整定能量、瞬時(shí)功率、電壓有效值和電流有效值等。CS5460a 片內(nèi)可以進(jìn)行交流的系統(tǒng)整定，從而很容易完成電壓、電流值到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。微控制器從CS5460A的串行接口中讀出當(dāng)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(guò)CS5460A芯片的微分電壓正極Vin+端、微分電流正極Iin+端輸入信號(hào)，采樣電路經(jīng)過(guò)CS5460A芯片的SDO引腳輸出數(shù)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(hù)
當(dāng)程序跑飛或進(jìn)入到一個(gè)臨時(shí)構(gòu)成的死循環(huán)中時(shí)，系統(tǒng)將完全癱瘓�！翱撮T狗”可自動(dòng)復(fù)位使CPU從死循環(huán)中進(jìn)入正常的程序流程。美國(guó)Xicor公司的可編程看門狗監(jiān)控E2PROM芯片X25045集成了看門狗定時(shí)器、電壓監(jiān)控和E2PROM三種常用的功能，從而大大降低了成本并節(jié)約了電路空間。X25045帶有的512í8位的非易失串行ROM對(duì)儀表保存一些重要數(shù)據(jù)非常重要（如參數(shù)設(shè)定），即使掉電也不會(huì)丟失。單片機(jī)對(duì)X25045的讀寫(xiě)是分別通過(guò)寫(xiě)端口SI、讀端口SO和時(shí)鐘端口CLK按照一定的時(shí)序配合來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
3.5 顯示驅(qū)動(dòng)電路
ZIG7289A是具有串行接口的、可同時(shí)驅(qū)動(dòng)8位共陰式數(shù)碼管或64只獨(dú)立LED的智能顯示驅(qū)動(dòng)芯片，采用串行方式與微處理器通信，串行數(shù)據(jù)從DIO引腳送入芯片并由CLK端同步，當(dāng)片選信號(hào)CS變?yōu)榈碗娖胶驞IO引腳上的數(shù)據(jù)在CLK引腳的上升沿被寫(xiě)入ZIG7289A的緩沖寄存器。
4.軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
4.1 主程序