基于Profibus的智能电力仪表在智能电网中的和实现

【摘 要】随着智能电网的迅速发展,智能电力仪表也被越来越多的开发和应用.其中智能三相电表能够实时监控电网中的电压,电流以及功率等参数,并且将这些参数反馈给电网系统,从而保证了电网的稳定高效.同时,智能三相表采用了Profibus通讯技术,能够稳定和快速的传输数据,保证了智能电力仪表在复杂工业环境中的应用.

【关 键 词】智能电网；智能三相电表；Profibus通讯技术

1.引言

智能电力仪表是一种用于中低压系统智能化装置,它集数据采集和控制功能于一身,具有电力参数测量及电能计量为一体,提供通讯接口与计算机监控系统连接.其操作方式人性化,操作者能在短时间内掌握,阅读数据和参数设置等操作将变得简单易行.广泛用于中、低压变配电自动化系统,工业自动化系统、智能型开关柜、楼宇自动化系统、负控系统、能源管理系统、工厂电量考核管理等.

中国电力科学研究院相关人士透露,国家对智能电网的建设规划具体思路为：在2020年之前分三个阶段实施,第一个阶段为2009-2010年,主要是研究和试点；第二个阶段是2011-2015年,智能电网将大规模实施；第三阶段是2016-2020年,实现整体的完善和提升.国家电网公司正在加紧制定的我国智能电网技术标准包括近200项.由此可见,国家电网提出要建设坚强统一智能电网,其中,坚强主要依靠一次设备完成,而智能要靠二次设备实现,统一则体现了技术标准的统一.反映到设备商身上,二次设备将成为智能电网的主要受益方.而本文中所要论述的智能电力仪表正是构成智能电网的一部分,其对智能电网的建设有着十分重要的作用,综上所述,对于智能仪表的各种功能的研究和开发具有迫切性和必要性以及广阔的前景.

2.智能电力仪表的作用以及设计原理

2.1基于智能电力仪表的电网监控结构与作用

随着各类精密仪器被越来越多的应用到工业生产过程中,这类精密生产设备对其电网要求也十分高,若是由于雷击等突发状况电网出现不稳定时,会对这些生产设备的正常工作产生负面影响,甚至会损坏这些设备,导致很大的经济损失[5,6,7].本文设计的智能三相电表适用于集成在提供给工矿企业的控制电网中,其能够很好的怎么写作于智能电网的建设完善,其作用如图1如示：

（1）实时监控电网动态,将电网的检测数据通讯给上位机,再由上位机与供电系统进行通讯,从而有效及时的保证电网的稳定；

（2）当出现雷电等突发状况出现时,电网出现波动异常,智能三相表将异常反馈给上位机,上位机能够根据情况及时对电网供电设备进行控制盒保护,防止出现生产中断以及设备损坏的情况产生；

（3）智能三相表能够掌握电网中设备的用电状况,提供大量数据,企业可以根据这些数据制定更加经济环保的用电计划.

2.2智能电力仪表的设计原理

设计的智能三相表能够测量电压有效值,电流有效值,有功功率以及有功能量,无功功率以及无功能量等参数的测量.

（Ⅰ）电压\电流有效值

其通过对电压\电流采样值进行平方,开方以及数字滤波等一系列运算得到.

（Ⅱ）有功功率以及有功能量

根据有功功率的公式P等于,通过对去直流分量的电流电压信号进行乘法加法以及数字滤波等一系列数字信号处理后可得到有功功率.

（Ⅲ）无功功率以及无功能量

根据无功功率的计算公式,其计算与有功功率相似,区别只是电压信号采用移相后90°后的信号.

无功能量的计算与有功基本一致,在此不再赘述.

除了上述的内容之外,本文设计的智能三相表还能测量视在功率以及视在能量,电压线频率,电压电流相角,电压夹角,电压电流相序检测等,由于篇幅原因,就不一一介绍了[6].

3.智能电力仪表的硬件实现

如图2所示,在我们设计的智能电力仪表中通过传感器及采样电路对电力信号进行采集、变换并送往计量专用芯片,由计量专用芯片得到各电力计量基本参数,CPU可通过通讯获取所需基本参数,并进行分析、计算,最终得到各电力真实值,例如三相电的线电压,相电压,相序等等.然后这些数据会通过显示电路进行显示或发给rofibus专用芯片,该芯片会根据Profibus通讯协议完成和上位机的通讯.

如图3所示,ATT7022B是我们所选用的计量专用芯片.ATT7022B是一颗高精度三相电能专用计量芯片,其能够测量各相以及合相的有功功率、无功功率、有功能量以及无功能量,同时还能测量各相电流、电压有效值、功率因数、相角、频率等参数,充分满足三相复费率多功能电能表的需求,同时ATT7022B还提供一个SPI接口,方便与外部MCU之间进行计量参数以及校表参数的传递,所有计量参数都可以通过SPI接口读出,其内部电压监测电路可以保证加电和断电时正常工作.因此,该芯片完全满足我所需要的设计要求.

如图4所示,是CPU和Profibus之间的连接.

其中CPU选用的是ATmega128/128L,而Profibus专用芯片选用的是SPC3.Atmega128是一款基于RRISC结构的低功耗CMOS8位单片机通过在一个时钟周期内执行一条指令ATmega8可以取得1MIPS/MHz的性能.

而SPC3集成了OSI模型的第一层（特别是模拟传输RS485驱动器）和第二层的执行总线FDL以及接口怎么写作和管理协议.余下的第二层功能如用户接口、数据管理等、就需要通过软件来实现[1,2].

4.智能电力仪表的软件实现

本次设计中主要需要完成的软件设计包含以下几个部分：（1）对于ATT7022B计量芯片的编程,以此来达到计算出电力参数的目的；（2）对于CPU的程序设计,本文中主要介绍对于其接收和输出参数的软件结构；（3）对于SPC3的程序编写,本文中会介绍其与上位机的通讯实现以及数据交换诊断的实现.本文中重点介绍Profibus的应用,因此以下重点介绍的是关于CPU的数据交互的实现,以及Profibus专用芯片的数据交互的实现.

（1）ATmega128/128L接收和输出参数的程序实现

图5主要是ATmega128/128L接收计量芯片发出数据的软件实现框图,而图6是ATmega128/128L向SPC3发送数据的示意图.当CPU需要进行数据的交换时,就会调用上述两种中断程序,当数据交换完毕后,完成中断,回到主程序.

（2）SPC3的通讯程序实现

图7主要是设计中SPC3与上位机进行数据交换和诊断的软件实现.

5.结语

本设计中的智能电力仪表,能够在波特率范围9.6KBd~12MBd下,通过Profibus总线和上位机进行通信,Profibus总线技术具有高效,可靠等特性.因此解决了原先企业产品中使用普通电力仪表带来的监控滞后以及误差等问题.同时,又由于本设计中的电力仪表使用的计量芯片和CPU也具有高效的计算速度,因此可以使计量的速度更加快,计量中的误差更加小,从而进一步增强的智能电力仪表的可靠性.通过在实际产品中的测试,本设计中的智能电力仪表能够在恶劣的工业环境中良好的景象工作,符合设计要求,并满足工矿企业的实际需求,到达了我们的设计目的.

目前由于形势的需要,国家政府的大力推动,智能电力仪表的开发与生产正在国内广泛的开展,并且涌现出大量的企业以及科技单位来从事研究这些项目,可见这个领域具有十分广阔的空间和市场.但是,由于我们开拓这块领域的时间相比国外还有滞后,因此我们的技术水平还有待提高,我们还需要进一步摸索和学习,但是相信前景是美好和光明的.