摘要：介绍了电力监测中智能监控系统的模型设计。此监测系统采用单片机实现电力参数的交流采样。系统对来自电流互感器和电压互感器电力信号进行实时处理。该装置主要用于低压系统的继电保护，集综合测量、显示功能于一体，可组成功能完善的计算机电能管理网络系统。给出了低压数字继电器的详细设计方案及其硬件和软件上的实现。
1 引言
在低压电力系统中，涉及测量、计量、继电保护等基本要求。传统的低压元件多采用机电式结构，这种结构的低压元件性能差，体积大，成本高，功能单一，不具备智能。低压数字继电器是根据我国对电力设备运行、保护和计算机监控要求设计的，适合我国工矿企业、民用建设等供配电的自动化装置，主要用于低压系统（0.4kV）的继电保护，具有很强的综合测量、显示功能，能直接显示三相电流、三相电压、功率因数、无功功率、有功功率、电度、频率等电量参数，能指示断路器的分闸、合闸和故障状态。通过操作按键可整定CT变比、直接显示进线的一次电流、一次电压；通过对各项保护参数的整定，可实现短路速断、过流报警、过压报警、欠压报警等保护功能。通过RS485通信接口，可以组成功能完善、经济实用的计算机电能管理网络系统。
2 原理
一次电压信号（AC 380V）直接接在本装置上，电压信号经电压互感器整理送入采集芯片CS5460A；一次电流信号（AC 5A）经CT接入本装置，电流信号经电流互感器整理也送入采集芯片CS5460A。然后，运用单片机实现电力参数的交流采样，从CS5460A中读出当前的电流、电压、电能等参量送显示。根据整定值和测量值控制输出触点的闭合，还可根据外部状态输入显示外部状态。
3 硬件构成
3.1 以单片机为核心的硬件设计
本装置以单片机为核心，功能单元由主控板、采样电路、显示驱动电路、看门狗及掉电保护电路、RS485串行通信接口电路、电流电压互感器板、继电器板及外壳和接线端子及电源组成。内部各部件采用分层安装，散热好，抗干扰能力强。装置的整体结构原理如图所示。
3.2 数据采集
在实现电力自动化的过程中，最关键的环节是数据采集。本装置全部电量的测量采用单片机交流采样获得。为了降低成本，大信号的三相电流使用电流互感器得到交流小信号，而大信号的三相电压则用电压互感器得到交流小信号。为保证有功功率、无功功率和电量的精度，应尽量选用一致性好、相位误差小的精密互感器。信号调理电路实际上是对信号的变换和低通滤波。模拟信号经过互感器的转换送入采集芯片CS5460A，CS5460A芯片是采用CMOS 工艺制造的用于测量能量的单片集成芯片，包含1个可编程的增益放大器、2个Δ-Σ的模数转换器，两个高通滤波器；具有系统整定以及功率计算功能，用于精确的测量和整定能量、瞬时功率、电压有效值和电流有效值等。CS5460A片内可以进行交流的系统整定，从而很容易完成电压、电流值到数字量的转换。微控制器从CS5460A的串行接口中读出当前的电流、电压、电能等参量。如图（所示交流电压和电流分别通过CS5460A芯片的微分电压正极Vin+端、微分电流正极Iin+端输入信号，采样电路经过CS5460A芯片的SDO引脚输出数字化的电流、电压和电能等，送控制器显示。
3.4 看门狗及掉电保护
当程序跑飞或进入到一个临时构成的死循环中时，系统将完全瘫痪。“看门狗”可自动复位使CPU从死循环中进入正常的程序流程。美国Xicor公司的可编程看门狗监控E2PROM芯片X25045集成了看门狗定时器、电压监控和E2PROM三种常用的功能，从而大大降低了成本并节约了电路空间。X25045带有的512Í8位的非易失串行ROM对仪表保存一些重要数据非常重要（如参数设定），即使掉电也不会丢失。单片机对X25045的读写是分别通过写端口SI、读端口SO和时钟端口CLK按照一定的时序配合来实现的。
3.5 显示驱动电路
ZIG7289A是具有串行接口的、可同时驱动8位共阴式数码管或64只独立LED的智能显示驱动芯片，采用串行方式与微处理器通信，串行数据从DIO引脚送入芯片并由CLK端同步，当片选信号CS变为低电平后DIO引脚上的数据在CLK引脚的上升沿被写入ZIG7289A的缓冲寄存器。
4 软件系统设计
4.1 主程序
实现对保护装置电参数的测量与监视，必须实时地收集与处理电量、开关量状态等参数。装置对测量的精确性，保护动作的可靠性、迅速性、安全性都有很高的要求，在单片机上实现多种功能，软件的设计必须对实现功能占用CPU时间的分配上做到有主有次，既要保证功能的完整性，又保证实时性。本装置软件需完成以下任务：每1.667ms对三相电压电流采样转换一次，即在一个交流正弦信号周期（20ms）内采样12个点，然后计算电压电流的有效值及其他相关量；通信任务，接受上位机的下行命令，将电压、电流及有功功率、无功功率、电能等实时地传送给上位机，并执行上位机发出的控制等其他命令；测量结果保存及显示；键盘检测及响应。
程序设计采用模块化设计方法将全部功能划分为主模块及功能模块。在具体实现时则采用中断与查询相结合办法，运用任务调度的设计思想，优先级高的任务通过中断实现，低优先级的任务则通过设置和查询标志的方法用各个功能模块。如图4所示主程序首先对系统初始化，包括CPU本身、显示面板、通信及开关量输出初始化，然后进入主循环。主循环中通过查询标志的方法调用各个功能模块：检查是否有键盘查询标志，有则调用相应处理子程序，该程序已对键盘抖动及干扰信号作了处理；检查是否有新的A/D采样结果，如果有则用保存在E2PROM中的通道系数（该系数通过上位机下载）对A/D采样结果进行调整；检查是否通信需要处理，通信处理包括校验和计算和检验、相应命令的处理及上发反馈信息。在完成一个周波的12点采样及调整后，调用计算子程序完成所有计算任务，包括电压、电流、功率、电度以及频率；显示测量结果，显示子程序根据显示状态显示不同的测量结果。
4.2 通信协议
本装置数据链路层采用基于Modbus总线的通信，使信息和数据在上位机（主站）和电力监测系统之间有效地传递。其作用包括允许主站访问和设定所接电力监测仪的全部设置参数；允许访问电力监测仪的所有测量数据。
Modbus是一种广泛应用于工业上的开放式现场总线协议，可以利用RS232或者RS485进行通信。基本通信方式是一条通信线路上只能有一个主站控制通信，由主站发出数据请求命令，而子站响应主站的数据请求信号。在一个时刻只能有一个子站响应主站的请求。数据的传送采用ASCII码，8位数据位、无校验、1个停止位。每个Modbus数据包由子站地址、功能、数据和错误校验4个部分组成。子站地址为1个字节，且在1个链路中应当唯一，有效的地址范围为1～247，当所有的子站接收到符合Modbus协议的标准的数据包时，首先检查该数据包的子站地址，若相吻合，则作处理后返回结果，否则不予响应。功能码也是1个字节，指明该指令要求子站执行的操作（设置参数、读数据等）。响应数据包告知主站已经完成的操作。数据的长度视指令功能而定。一般而言，数据按照16位获32位模式组织。错误校验，采用CRC-16检验方式。
5 结束语
低压数字继电器是在借鉴国内外同类产品的基础上，根据我国对电力设备运行、保护和计算机监控要求设计的，适合我国工矿企业、民用建设等供配电的自动化装置，可广泛应用于电力、纺织、轻工、化工、石油等行业的电量参数的监测。该仪表具有以往仪表所不具备的优点，会有广泛的应用前景。
参考文献：
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［4］李仁俊，等. 一种低压网络系统的保护继电器［J］. 继电器，1994.
2/13/2008
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