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配电变压器监测终端的研究与设计


分类号: 学 号: 2006G006



级: 10407

单位代码:

硕 士 学 位 论 文
论文题目: 配电变压器监测终端的研究与设计

研 专

究 方 业 名

向 称

智能仪器 机械工程 李

慧 周克良 教授

研 究 生 姓 名 导师姓名、职称

2010 年 12 月 29 日
江西?赣州

摘要
配电变压器是配电网中相当重要的电力设备,它的工作性能直接影响到对用户的供电 质量,对配电变压器进行实时的有效的监控是配电自动化的一个重要方面。本文结合国内 外配电变压器监测终端(TTU)的发展现状及研究趋势, 针对目前市场上的配电变压器监测终 端在性能以及功能上存在的不足,进行了深入的研究和分析,并且结合当代科技已有的发 展成果,设计一款性能更优越、功能更全面、更具市场竞争力的配电变压器监测终端。 在经过比较论证后本文确定了以 CPU 为控制核心和 DSP 作为数据处理核心的整体设计 方案,并进行了软硬件设计。选用了 LPC2292 单片机和 TMS320F206 DSP 芯片来实现,考 虑到设备接口的通用性和兼容性等问题,上行通讯协议部分的实现是根据国际统一的电力 标准 IEC60870-5-101 规约。 在终端控制部分介绍了以 LPC2292 单片机为核心的控制电路设计, 包括利用 RS232 实 现 GPRS 通信、 开关量输入和输出回路抗干扰设计、 LCD 液晶显示和按键控制、 使用 FM3130 扩展存储、CAN 总线的扩展以及电平转换电路的实现。配电变压器监测终端的控制功能通 过这部分实现。 在终端数据处理部分介绍了以 TMS320F206 为核心数据处理电路的外部设计和芯片配 置。由 A/D 转换器 MAX125 将采集的三相电压、电流等模拟量转换,再送入 TMS320F206 进行处理。本终端利用了 DSP 强大的数据处理能力,成功将谐波分析引入设计中,增强了 终端的性能。 对设计的配电变压器监测终端进行了系统测试, 将测试的结果与用仪表测量的结果进行 了对比,检测了终端的硬件设计以及软件算法实际运行情况。 本文设计的监测终端具有功能丰富、操作简单,成本低等特点,利于进一步的开发与扩 展。 关键词:配电变压器监测终端(TTU),配电自动化, LPC2292,DSP(数字信号处理器)

I

Abstract
Distribution transformers are electrical devices which influence power supply quality to customers. So it is a key task of distribution automation to monitor distribution transformers real timely and effectively. The paper expatiate the functions and performance of TTU, analyzed and compared the algorithm and implement methods of TTU in detail. Having studied achievement and development made in domestic and abroad, the paper brought forward a new type of TTU which has more functions, more performance and more market-competency aiming at the current device defects. After comparing, expounds an intelligent project which uses the control with CPU and process data with DSP, to devise software and software. T Use the LPC2292 MCU and TMS320F206 DSP chip to achieve. The 101 communication protocols of international electric power standard are adopted to improve its compatibility. In the controlling part, we introduced the Circuit Design of LPC2292. To include, GPRS communication using RS232 to achieve, the Interferences design to witch inputs and switch out puts, LCD liquid crystal display and Key Control, uses FM3130 to extended storage, CAN-bus expansion and Implementation of the level conversion circuit. Control functions implemented at this circuit. In the data processing part, we introduced the peripheral circuit design and chip configuration for TMS320VC5409 DSP. This part performs the computing function. By the A / D converter MAX125 to capture the three-phase voltage and current analog converter, and then processed into TMS320F206. There are another functions,such as analyzing harmonies,to boost up the functionality of TTU because of the strong data processing ability of DSP. Author test with comparing to the results got from standard device, we are assured of the correctness of hardware and software design. The system has abundant convenient operation,such as convenient operation, Low cost,convenient to setup and maintenance,easy to development and extend. Keywords : Transformer Terminal Unit, Distribution Automation, LPC2292, DSP(Digital Signal Processor)

II

目 录
摘 要???????????????????????????????Ⅰ Abstract?????????????????????????????Ⅱ 目 录???????????????????????????????Ⅲ 第一章 绪论????????????????????????????1 1.1 配电自动化实施的必要性???????????????????1 1.1.1 我国配电网的现状???????????????????1 1.1.2 配电自动化的定义??????????????????1 1.1.3 实施配电自动化的优点????????????????2 1.1.4 配电自动化的内容和构成???????????????2 1.1.5 配电变压器监测终端简介???????????????2 1.2 国内外配电变压器监测终端的发展概况及研究现状???????3 1.2.1 国内外配电变压器监测终端的发展概况??????????3 1.2.2 配电变压器监测终端的研究现状?????????????4 1.3 本课题的内容与目标?????????????????????5 1.4 本文的主要内容与结构????????????????????5 第二章 配电变压器监测终端系统总体设计????????????7 2.1 配电变压器监测终端的组成????????????????7 2.2 配电变压器监测终端设计需求???????????????8 2.2.1 功能需求???????????????????????8 2.2.2 性能参数???????????????????????8 2.3 配电变压器监测终端总体方案?????????????????9 第三章 配电变压器监测终端电路设计与实现??????????????11 3.1 主控模块电路设计?????????????????????11 3.1.1 LPC2292 简介?????????????????????11 3.1.2 铁电存储器??????????????????????13 3.1.3 总线扩展???????????????????????14 3.1.4 电平转换???????????????????????16 3.2 交流信号转换电路?????????????????????17 3.2.1 采样输入方案????????????????????17 3.2.2 滤波电路???????????????????????20 3.3 数据处理电路???????????????????????20 3.3.1 DSP 简介??????????????????????20 3.3.2 DSP 芯片的选取????????????????????21
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3.3.3 DSP 片外扩展?????????????????????22 3.3.4 DSP 的电源、复位和时钟设计??????????????24 3.4 开关量输入、输出模块???????????????????25 3.4.1 开关量输入回路????????????????????25 3.4.2 开关量输出回路????????????????????26 3.5 人机接口电路???????????????????????27 3.5.1 按键控制??????????????????????28 3.5.2 显示部分??????????????????????28 3.6 通信管理模块???????????????????????30 3.6.1 RS232 通信接口电路??????????????????31 3.6.2 GPRS 通信??????????????????????? 32 3.7 电源模块?????????????????????????34 3.8 硬件抗干扰设计??????????????????????35 3.8.1 屏蔽技术??????????????????????35 3.8.2 隔离技术??????????????????????35 3.8.3 接地技术??????????????????????35 3.8.4 滤波技术??????????????????????35 3.8.5 硬件监控复位????????????????????36 3.8.6 布线设计??????????????????????36 第四章 配电变压器监测终端软件设计????????????????37 4.1 终端软件总体设计?????????????????????37 4.1.1 软件设计原则????????????????????37 4.1.2 软件设计工具????????????????????38 4.1.3 软件设计模块????????????????????38 4.2 IEC60870-5-101 规约简介??????????????????39 4.2.1 规约结构???????????????????????40 4.2.2 物理层????????????????????????40 4.2.3 链路层????????????????????????41 4.2.4 应用层????????????????????????41 4.2.5 用户进程???????????????????????42 4.3 终端部分程序设计?????????????????????42 4.3.1 主程序和中断程序设计????????????????42 4.3.2 故障处理程序设计??????????????????46 4.3.3 通信模块程序设计??????????????????46
IV

4.3.4 数据处理模块程序设计???????????????50 第五章 系统测试?????????????????????????? 52 5.1 终端测控软件的研发????????????????????52 5.2 系统功能及性能测试??????????????????55 第六章 结论与展望????????????????????????57 6.1 结论???????????????????????????57 6.2 展望???????????????????????????57 参考文献????????????????????????????58 致谢??????????????????????????????60 附录 A 监测终端 CPU 控制原理图??????????????????61 附录 B 监测终端 DSP 数据处理原理图????????????????64 附录 C 监测终端电路板???????????????????????67 附录 D 监测终端 ARM 程序?????????????????????68 个人简历 在学期间发表的论文与研究成果??????????????? 84

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第一章 绪论
近些年来,随着国民经济的不断发展、人民物质以及文化生活的快速提升,电力用户 对供电的质量和供电的可靠性要求也日渐严格,有时甚至连电源的短时中断也不能接受。 另外,供电线路与设备的损耗居高不下,也严重影响了供电企业自身的效益。传统的电力 技术和管理方式已经无法适应目前新的形势发展,配电自动化系统就是在这种环境下孕育 而生并快速发展起来的产物。配电自动化系统在保证供电可靠性以及改善电能质量方面有 着重要的作用[1]。

1.1 配电自动化实施的必要性
1.1.1 我国配电网的现状
长久以来,我国电网的主要矛盾是电力用户对电力的需求远远大于供给,电力缺口比 较大,因此前些年国家在电力方面重点投资在电厂建设和输电网络优化方面,经过十多年 电网建设及改造,近期已经基本能够满足电力用户的需求。但是由于资金的短缺,过去在 配电网建设方面投入较少,导致现在配电网面临的主要问题是结构不合理。目前绝大多数 配电网为树状式结构,多采用架空线,可靠性很差,尤其是在农村配电线路的损耗更为严 重,电压稳定性相当差;配电设备越来越陈旧,且不能使用远程控制;另外在配电网中对 运行状态进行监测的设备相当少,自动化程度相当低,一旦出现故障需要的处理时间较长, 使得恢复供电相当慢。对于如此薄弱的配电网,必须加紧投入建设和改造 。近年来,国 家电力公司的工作重点已经从原来的重在电源方面建设转移到了重在配电网的建设、 改造。 国家电力公司已经明确了目标,总体上提出了从现在起利用一段时间,使我国城市中 10KV 的配电网运行全部实现自动化管理,使供电质量大幅提高,稳定性要达到 99.9%。使平均 每个用户每年的停电时间长度不超过 0.88 小时,仅 53 分钟。其实在某些发达国家的平均 每年的停电时间长度是不超过 1 小时的,甚至有的只有几分钟或几十分钟。这方面我国与 发达国家相比仍然存在着比较大差距。要实现国家电力公司提出的以上要求,就只有大力 加速配电自动化的发展 。
[3] [2]

1.1.2 配电自动化的定义
配电网(Distribution Network)通常是指电力系统中的二次降压变电站的低压侧,再 降压后或者直接向用户供电的这部分网络。 配电自动化是指电力设备与一系列先进的电子、 通信、计算机、网络技术相结合,对配电网的正常工作情况下或出现事故情况下均进行监 测、计量、控制以及保护,即能够与供电部门的相关管理工作结合在一起,进而达到改进 所供电的电能质量,从而能够使得与用户的关系更加密切,满足用户多样性要求的同时也
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能够提供更合理的价格,力求达到最好的供电经济性,使企业有更为有效的管理。配电自 动化是近些年才发展起来的新领域和新型技术,是计算机技术的提高与通信技术的发展相 结合,在配电网上得到应用的结果。 配电自动化整个系统是指在 110/10KV 变电站(有些地区是 66/10kV 变电站,部分农村 地区也指 35/10kV 变电站)的 10KV 侧, 包含了 10KV 馈线以及从该馈线到用户的配电网中全 部元件组成的自动化系统 。
[4]

1.1.3 实施配电自动化的优点
实施配电自动化的优点主要表现在以下几个方面: 1.减少停电时间长度,从而提高了供电的可靠性; 2.降低电网中的损耗,从而提高了供电的电能质量; 3.实现对不同状态进行相应检修,从而减少了配电网在运行和维护方面的费用; 4.节约投资成本,从而使配电的经济效益、社会效益都得到了提高[2]。 随着电力电子技术、通信技术、继电保护技术以及现代化工业的需求发展,导致对电 能供给要求不断提高,使得配电自动化的发展在近些年来已经取得了相当大的进步。正因 为实施配电自动化具有尤为重要的意义,研究出性能更为优越的配电自动化系统,是许多 供电企业与用户的共同呼声。

1.1.4 配电自动化的内容和构成
大致上将配电自动化的内容分为四个部分,第一、变电站自动化;第二、馈线自动化, 即配电网络中线路的自动化;第三、用户自动化,即需求方的管理;第四、配电管理自动 化,该部分包括对配电网络的分析。 配电自动化的以上四个部分内容可以个自独立运行,而并不是互相依赖,也不存在哪 一个更为重要的问题。但是四个部分彼此之间也是紧密相连的,尤其是在信息采集、储存、 传送和使用,以及根据处理后得出的信息做出决策和控制这些方面是互相影响的。 配电自动化的构成,一般由主站(包括前台机和后台机以及服务器等)、现场设备(包括 开闭所 FTU、柱上开关 FTU、断路器 FTU、通信控制器 CCU、变电站 CCU、配电变压器监测 终端 TTU 以及通信部分(包括主站的通信主机、适配器、现场通信设备从机和通信介质等) 构成 。
[2]

1.1.5 配电变压器监测终端简介
配电变压器监测终端(TTU)是配电自动化系统中的重要构成部分, 是用来对配电变压器 的各项运行参数进行监视、测量并且实现控制的远方终端。它处在配电网监控的最末端,
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负责采集配电变压器的运行数据并且执行控制命令。因此在配电自动化领域中,配电变压 器监测终端所处的地位非常重要。 配电变压器监测终端是配电自动化中最末端的监控单元,监测的是配电变压器低压侧 的三相电压、三相电流、频率,并负责计算配电变压器的有功、无功功率,有功、无功电 度等参数,从而对电能的质量进行分析,并对电能数据进行统计记录 [5、6]。能实时监视和 测量线路、箱式配电变压器或柱上配电变压器的运行工作状况,及时发现事故或紧急情况, 快速启动自动调压功能(无功补偿或调整具有有载调压的箱式或柱上配电变压器),从而加 大了配电网的安全性,也提高了配电网的经济性。另外,随着通信技术的不断发展,电力 系统中各种通信工具被越来越广泛使用,使得通行全球的 GSM、CDMA、GPRS 等通信技术在 电力系统的配电网自动化中也得以成功的运用,这一点也很大的提高了配电网运行的安全 稳定性[7][8]。

1.2 国内外配电变压器监测终端的发展概况及研究现状
1.2.1 国内外配电变压器监测终端的发展概况
配电变压器监测终端的发展与配电自动化的实施是紧密相连的。早在在 80 年代末,由 于没有发展配电自动化,因而配电变压器监测终端的研究工作也几乎为零。随着科学技术 的逐步发展,提出了一些新的计算方法、推出了一些高性能的芯片,导致配电变压器监测 终端的出现,并得到不断改进和发展。复序列的 FFT(快速傅立叶变换)算法提出使谐波分 量的计算更有效率,这使得配电变压器监测终端的功能得到了增强和扩展,可以分析和处 理以前处理不了的谐波部分,从而提高了对配电网的调整和控制能力。另外,芯片技术的 迅猛发展,使得具有高性能、高速度、低功耗、外设模块化的芯片不断推出市场。其中微 处理器具有功能更强、 速度更快、 应用更灵活等特点, 高性能微处理机(如 Z80、 Intel8086、 8098、80286、MCS-51 等)被大量应用于配电变压器监测终端中,16 位机甚至 32 位机开始 在设计中使用。国内外的许多公司针对不断出现的新情况新问题推出新产品,配电变压器 监测终端的功能得到不断扩充和完善。 我国配电自动化的起步时间比较晚,大约为上世纪 90 年代,相比国外发达国家大约晚 了 20 年,因此配电变压器监测终端的发展落后于这些国家。由于国内近些年电力事业、计 算机技术、通信技术的蓬勃发展,配电自动化的发展与提高成为必然趋势。面对我国配电 自动化现状,国内很多公司以及研究单位都研制并开发了各种类型的配电自动化产品,其 中配电变压器监测终端是重要的一部分。目前配电变压器监测终端已经从较早的仅仅具有 单一功能、简单通信发展成为多功能化、多通信方式、小型化的模式,极大的加快了国内 配电自动化的发展步伐。 国外公司的产品相对性能更优越,技术更成熟,价格比较高,因此国内市场很少使用
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这些产品。国内的深圳银骏科技有限公司生产的配变监测终端 PBT2-C2W GPRS 、新联电子 的配电变压器监测终端 PBT2-C2W 以及上海电力自动化公司生产的配电变压器监测终端 DEP-900 Series 等都得到了应用。目前,要求具有标准化和分布化的配电自动化,同时电 力通讯标准不断更新推出,因此,必须要考虑这些新的发展状况,对当前技术和市场深入 了解,才能进行新产品的研制。应该说新型的配电变压器监测终端比以往的旧配电变压器 监测终端将有较大的创新,有更多的优点,有更广阔的市场前景。

1.2.2 配电变压器监测终端的研究现状
目前,国内外开发该类产品的公司及研制出的产品很多,虽然在功能上各有侧重,但 是基本上都是能够实现测量、通信和控制等功能,而且很多产品在设计上都采用了双 CPU 的结构。 在国内,比较早的产品采用的是 MCU+MCU 的结构。在这种结构中,使用的微控制器全 部都是传统的 8096 系列、MCS-51 系列或者是 Motorola 系列单片机。虽然这些单片机在控 制性能方面都比较好,但是都不擅长于对数字信号进行处理,尤其是电力系统中有些数据 运算会比较复杂,这时在处理时,会耗去相当的长时间。近些年, DSP 技术得到了大力的 推广,有些公司已经着力于主要研发 DSP+MCU 结构的产品了。通常是在数据的采集和运算 中应用,将运算后的结果传入 MCS-96 芯片,还有一些其它功能(比如通信、控制以及人机 对话等)都是由后者实现的,另片选及逻辑控制功能使用了 FPGA 芯片来完成。虽然这种结 构设计能够满足变压器监测的基本要求,但是增加了系统设计的难度,电路板接线也较为 复杂,正因如此,设计的装置可靠性大大降低;也对资源造成一定的浪费,制作成本较高, 不适用于在我国配电自动化中实际推广应用。 在国外,同类产品中也有不少比较先进的。这些也综合了测量、采集、通信、控制等 功能于一体,产品数字信号处理方面也使用了高性能的 DSP 处理器。并且增设了对微机的 继电保护功能,但是该设计电路较为复杂,需要在外设中扩展一些芯片,才能够解决逻辑 控制及数据交换复杂的问题,并且在这种情况下,总线连接芯片、CPU 使用双口 RAM 相连, 这些都大大降低了系统的可靠性,也提高了制作成本。随着集成芯片制造技术和微电子技 术的迅速发展, 目前已经有能够完全满足配电变压器监测终端各种功能需要的 DSP 处理器, 这些 DSP 处理器具有强大的运算性能和控制功能。 考虑到有些产品受所选芯片特性的约束, 在输入信号的处理问题上,每个周期对波形的采样点数目较少,并且大多数使用的是模拟 滤波处理方式以及积分计算方法,因为对于高次谐波的干扰,再先进的模拟滤波电路也不 能滤除干净,所以在用积分算法时会存在一定的误差;有些产品没有远程通信和输出控制 功能,不能满足电力系统需求的网络化和自动化的特点;还有的产品在人机对话方面性能 不好,开关量输入和开关量输出电路设计还需进一步完善等。这都是在实际运行中反映出
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来的问题,解决的办法是在硬件设计和软件设计上作进一步改良 。

[8]

1.3 本课题的内容与目标
本课题的内容是:参考国内外研发的同类设备,特别针对我国配电网络的发展现状, 研究和设计一种能够对配电变压器各项电参量进行实时监测并可以提供远程通信方式进行 数据传输的监测终端,以适应配电网自动化的应用需求。 本课题的目标:研制出满足配电变压器监测终端功能的样机。

1.4 本文的主要内容与结构
本文的主要内容是对配电变压器监测终端进行硬件设计和软件设计, 包括硬件芯片的 选择,数据的计算处理,整个终端硬件电路的设计及实现,整个终端软件的设计及实现。 (l)配电变压器监测终端的硬件设计实现 配电变压器监测终端的硬件设计采用模块化设计方式,即将系统拆分为不同功能的模 块进行相关硬件电路的设计。终端采用的是 CPU+DSP 构成的系统,涉及到的外围电路有数 据采集模块、数据处理模块、通信模块、控制输出模块、人机接口等。CPU 负责的相关外 围电路有按键输入和液晶显示等,DSP 主要负责的是数据处理。 (2)配电变压器监测终端的软件设计实现 与硬件设计一样,本系统的软件设计也是按照功能拆分为不同模块进行设计。在各个 设计好的硬件模块基础上进行相应的软件设计,这非常利于软件的编写和调试。在编程语 言的上,采用 C 语言进行编写。 (3) 上行通讯协议的实现 考虑到设备接口的通用性和兼容性等问题,本终端上行通讯协议部分的实现是根据国 际统一的电力标准 IEC60870-5-101 规约。 本文共分六个部分,结构安排如图 1.1 所示。

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第一章 绪论

第二章 系统总体设计

第三章 终端电路设计与实现

第四章终端软件设计

第五章 系统测试

第六章 结论与展望

图 1.1 论文结构安排

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第二章 配电变压器监测终端总体设计
2.1 配电变压器监测终端的组成
电力系统的自动化程度随着社会的需求增加而不断发展,这其中配电变压器监测终端 (TTU)在电力系统的配电自动化中承担着对配电网的电参数进行监测、处理数据、传输数据 以及实现控制等任务[3]。配电变压器监测终端对三相电压、电流、有功功率、无功功率、 功率因数、谐波等电参量进行采集,并通过计算后结果来判别电能质量的优劣性质,同时 能够与监测主站进行通讯联系,将主站所需的各种数据发送过去并接收主站下达的控制命 令,从而达到对配电变压器实时监控的作用。配电变压器监测终端工作示意框图如图 2.1 所示。

图 2.1 配电变压器监测终端工作示意框图

根据以上对配电变压器的工作运行分析,通常配电变压器监测终端由数据采集电路、 数据处理电路、控制输出电路、通信电路和人机接口电路等不同部分组成。配电变压器监 测终端组成框图如图 2.2 所示。
通信电路

数据处理电路





人机接口电路

数据采集电路

控制输出电路

图 2.2 配电变压器监测终端组成框图
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2.2

配电变压器监测终端设计需求

2.2.1 功能需求
1、数据采集计算功能 (1)状态量采集 终端能够实时采集开关所在分或合的位置信号、起到保护的动作信号以及其它装置传 送的状态信号。终端能够记录开关变换的时间和顺序,事件分辨率达到为 2ms。 通过上位 机软件下发远程控制命令,远程控制接口输出脉冲信号。 (2) 模拟量采集 终端能够采集变压器低压侧的三相电压和三相电流以及零序电流值。 (3)数据计算 变压器低压侧三相频率,有功功率,无功功率,功率因数,三相谐波电压、谐波电流 含量;低压侧三相电压、三相电流总畸变率,三相电压不平衡度、三相电流不平衡度,日 电压合格率,日功率因数合格率;变压器有功功率损耗、无功功率损耗、瞬时负荷率、日 平均负荷率、日变压器损耗电量。 (4)根据变压器低压侧的有功功率,无功功率以及变压器的有功损耗、无功损耗等来推 算变压器高压侧的有功功率、无功功率以及视在功率。 2、数据统计存储功能 数据统计存储包括定时数据存储、日统计数据存储、日极值存储、日故障事件存储、 调整事件存储(记录时间为一个月) 。 3、通信功能 4、对时功能 5、顺序记录事件 (SOE)功能 6、自检、自重启功能 7、电源失电保护功能 8、液晶显示功能 9、键盘设置功能 10、维护功能

2.2.2 性能参数
1、模拟量输入规格 (1)额定值 交流额定电压 Un=220V;交流额定电流 In=5A;交流额定电源 AC 220V;额定频率 50Hz;二次 CT 变比 100/1;
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(2)输入容量 输入容量:3 个电压,4 个电流,可根据需求扩展; 频率输入范围:45~55Hz; (3)测量精度 电压、电流:0.5 级; 有功功率、无功功率、功率因数 1 级; 有功电度、无功电度 1 级; 频率±0.02Hz; (4)电气接线 三相四线制; 2、开关量输入 (1)额定值及输入方式 输入电压:24V DC; 输入方式:单端输入 接线方式:无源接点; 隔离电压:光电隔离 DC2500V ; (2)性能参数 顺序记录事件 (SOE)分辨率小于等于 2ms; 3、开关量输出 输出接点: 无触点电平输出 DC 5~40V, 200mA; 继电器接点输出: AC 250V, 10A 或 DC 30V,10A; 输出方式:脉冲输出,可调脉宽 100~5000ms,默认值:100ms; 输出路数:12 路; 隔离电压:DC2500V; 4、通信 通信口 RS232 #1,与监测主站通信;RS232 #2,监测终端维护口; RS485,预留硬件 接口,用于与数字表接口。 规约:IEC-60870-5-101。

2.3 配电变压器监测终端总体方案
本终端采用 CPU+DSP 模式结构,主 CPU 负责数据存储、液晶显示、数据输出、通信 等功能,数字信号处理器 DSP 负责交流信号采集、数据计算、无功补偿等功能。总体方案 框图如图 2.3 所示。
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数字量 输入
16DI

LCD 及 键盘 对上 GPRS 对下 数字表

交流采样 3TV/4TA

DSP 处理器 CAN 总线

主 CPU

RS232 RS485

RS232 电源 模块 数字量输出 12DO 电容器投切 维护 串口 数据存储 2Mbyte

图 2.3 配电变压器监测终端总体方案框图

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第三章 配电变压器监测终端电路设计与实现
3.1 主控模块电路设计
3.1.1 LPC2292 简介
本终端主 CPU 负责数据存储、液晶显示、数据输出、通信等功能,选用的是由 PHILIP 公司生产的 LPC2292 微控制器。 LPC2292 是一个能够支持实时仿真以及嵌入式跟踪设计具有 16、32 位的 ARM7 CPU, 嵌入了 256 KB 的 Flash 高速存储器。有 128 位的存储器接口以及加速结构,可以使 32 位 代码在具有最高时钟速率时都能运行。该芯片对代码规模有严格控制,这种应用可以把 16 位 Thumb 模式的代码减小 30%以上规模,并且不会对性能产生大的影响 。 LPC2292 封装了 144 个引脚、 功耗相当低、 具有 32 位的定时器多个、 10 位 ADC 8 通 道、高级 CAN 2 路、PWM 通道以及外部中断引脚 9 个,这使得 LPC2292 特别适用于在工业 控制方面和应用在总线容错维护上。 另 LPC2292 还包含了 76 个到 112 个可用的 GPIO 口, 并且内置的串行通信接口是较宽范围的,这使其相当适用于在协议转换器、通信网关、嵌 入式调制解调器或其它类型方面的应用[10]。 1、LPC2292 的特性: (1)16、32 位 ARM7TDMI-S 核,超小 LQFP 144 封装; (2)片内 16KB SRAM; (3)片内 Flash 程序存储器 256KB,可实现工作频率高达 60MHz 的 128 位宽度接口/加 速器; (4)可以加密,并且是 ARM 微控制器中第一个实现可以加密的; (5)系统编程(ISP)以及应用编程(IAP)是通过对片内 boot 装载程序来实现的,512 字 节行编程时间为 1ms,而单扇区或者整片擦除的时间为 400ms; (6)具有相互连接的 CAN 接口 2 路, 配备了先进的验收滤波器, 另外还有 UART(16C550) 2 路,高速 400Kbit/s 的 IIC 以及 SPI 总线 2 路; (7)EmbeddedICE-RT 接口可实现观察点和断点,当对前台任务使用片内 RealMonitor 软件进行调试时,中断服务程序仍可以正常运行; (8)32 位的定时器 2 个(配有比较通道 4 路和捕获通道 4 路)、 PWM 模块(具有 6 路输出)、 看门狗和实时时钟; (9)10 位的 A/D 转换器有 8 路,转换时间能够低于 2.44μs; (10)可配置向量地址和优先级的向量中断控制器; (11)通用 I/O 口有 112 个,允许 5V 电压,外部中断引脚(电平或边沿触发) 9 个; (12)片内的晶振频率,范围为 1~30 MHz; (13)最大为 60MHz 的工作晶振,并且内部嵌入可编程锁相环(PLL);
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[9]

(14)外设了可单独使用的使能和禁止功能,实现功耗最小; (15)通过外部中断可以从掉电模式中复位处理器; (16)有两个低功耗模式,分别为掉电和空闲; (17)具有两个电源操作,CPU 电压范围:1.65~1.95 V 或 1.8 V± 0.15 V,I/O 操作 电压范围:3.0~3.6 V 或 3.0 V± 10%,并且可以最高允许 5V 电压[11]。 2. LPC2292 的结构框图如图 3.1 所示。

图 3.1 LPC2292 结构框图
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3.1.2 铁电存储器
由于 LPC2292 的片内仅设有一个 16KB 的静态 RAM,为了使程序的调试和数据的存 储更为方便,本设计在 CPU 模块扩展了一个铁电存储器,选用芯片为 FM3130。 1、铁电存储器简介 铁电存储技术是在 1921 年就提出了,直到 1993 年,美国 Ramtron 公司开发研制出 全球第一个铁电存储器 (FRAM)产品, 当时只有 4KB 容量, 到目前为至, 市面上所有的 FRAM 产品都是由 Ramtron 公司制造的或者是其授权制造的。近些年来, FRAM 的研究发展有 了新的局面,采用 0.35m 的制造工艺,推出 3V 的产品,研发生产出称为“单管单容” 存储单元的 FRAM,其最大集成密度可以达到 256KB
[13]



FRAM 的数据存储原理是利用铁电晶体产生的铁电效应达到的。铁电效应是指加一 定的电场在铁电晶体上,在具有电场的情况下晶体的中心原子会随着开始运动,最终达 到稳定状态;当晶体上的电场消失后,中心原子仍会待在原来的位置上。这种现象是因 为铁电晶体的中间层是一个被称为高能阶的结构, 当中心原子没有获得足够的外部能量 时是不能够穿过高能阶而到达另外一个稳定位置的,所以 FRAM 在保持数据时不需要外 加电压,更不需要像 DRAM 一样,采用周期性刷新的方法。正因为铁电晶体所特有的这 种偏振极化的特性即铁电效应,使其与电磁作用没有关系,所以 FRAM 内存储的内容是 不会因为外界条件 ( 比如磁场等 )的影响而改变的,使得铁电晶体在使用上与同普通的 ROM 存储器完全一样,具有不易丢失数据的存储特性 [13]。 FRAM 与 RAM 的操作一样,读写时的功耗极其低,也不存在着比如 E2PROM 一样具有 最大写入次数限制的问题,并且存储速度快是其最大特点。考虑到容量够用性及成本问 题,本终端选用了 64KB 的 FM3130 。 2、FM3130 特性 (1)为不易丢失性存储器;内部容量为 8K?8 位;没有限制读和写的次数;掉电后所 存数据能够保存 10 年;数据写入时无延迟现象。 (2)为串行不易丢失性存储器;由有高度集成性,可以代替多个器件使用;有时钟输出 (为可编程频率);实时时钟报警。 (3)工作电压为 2.7~3.6V;工作电流低;工作温度为- 4°C~+85°C;8 脚环保 TDFN (-DG) 和 SOIC (-G)封装。 (4)支持使用后备电池和电容;后备电源低于 1?A;实时时钟;秒到年用 BCD 码的形式 表示;晶振使用的是标准的 32.768kHz (12.5pF);使用软件校准方式。 (5)总线频率 1MHz;快速两线串行接口;RTC 和 FRAM 通过两线接口来控制;支持传统 的时钟频率 100kHz 和 400kHz[12]。

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3、FM3130 接口电路图如图 3.2 所示

图 3.2 FM3130 接口电路图

4、引脚说明 X1、X2:晶振引脚; ACS:警报器、校验、方波; SCL:串行时钟,与 LPC2292 通用 I/O 口相接; SDA:串行数据,与 LPC2292 通用 I/O 口相接; VBAK:电池供电; VDD:供电电压,使用 3.3V 电压; VSS:地。

3.1.3 总线扩展
配电自动化的通信方式早期使用的是异步串行通信 RS485、RS422 和 CCITTV.24 的标 准,而到了现在很多系统普遍使用的都是现场总线的方式。现场总线与先前的异步串行通 信相比较,优点在于抗干扰能力更强、效率更高等方面。现场总线的发展很大程度上加快 了我国变电站自动化程度的发展[10]。由于 CAN 总线被越来越多的使用于配电自动化系统 中, 为了配电变压器监测终端能够更好的与配电自动化系统中有 CAN 总线接口的其它设备 进行数据传输,本终端选择了 CAN 总线方式。 1、CAN 总线的特点 CAN 总线是串行数据通信协议中的一种,是多主总线,可使用双绞线、同轴电缆以及 光导纤维作为通信介质,并且通信速率可以达到 1Mb/s。将 CAN 协议中物理层和数据链路 层的功能集成 CAN 总线的通信接口,可实现成帧的处理通信数据,其中包括数据块编码、 位填充、优先级判别、循环冗余校验等项工作[11]。CAN 协议具有的最大特点就是扔弃了传 统的站地址编码方法,而采用了对通信数据块进行编码的方式。理论上其好处是可以使网 络内节点的个数不再受限制,形成由 11 位或者是 29 位的二进制数组成的数据块标识码, 这种根据数据块编码的方式,可以将相同的数据同时传送到不同的节点,这一点在分布式
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控制系统中就显得非常有用了。这种方式的数据段长度不超过 8 个字节,对于工业领域中 的一般控制命令、工作状态及测试数据的要求均可以满足,而且 8 个字节不会太长的占用 总线时间,从而提高了数据通信应有的实时性[11]。总之,CAN 总线所具备的卓越特性、极 高可靠性以及独特设计,特别适用于工业中过程监控设备的相互连接。 2、CAN 总线扩展电路 本系统采用的数据通信是 CAN 总线接口由 CPU 通过可编程逻辑器件(CPLD)的逻辑控制 来实现的。LPC2292 有两个 CAN 接口,在接口电路中,CAN 协议控制器采用的是 SJA1000 芯片,收发器选用了 82C250 芯片,电路结构框图如图 3.3 所示。

CPU

CPLD

CAN 控 制器 SJA1000

CAN 驱动器 82C250

CAN 总线

接口控制

CAN 总线收发

图 3.3 CAN 总线接口电路框图

SJA1000 是 PHILIPS 公司生产的 CAN 协议控制器,兼容 CAN2.0A 和 CAN2.0B 两种 技术规范,由验收码寄存器(分别为 ACR0~ACR3,共 4 个)和验收屏蔽寄存器(分别为 ACR0~ ACR3,共 4 个)组成验收滤波器,标识符共 29 位,有单、双滤波两种滤波方式。SJA1000 实现的任务是数据的发送和接收控制。 CAN 收发器 82C250 是连接 CAN 协议控制器和物理总线的,其实现 CAN 控制器差动 接收和总线的差动发送,特点是具有抗瞬间干扰能力、运行高速、保护总线的功能,并且 引脚的接地电阻可对脉冲斜率有所控制,从而降低了射频的干扰。 SJA1000 与 82C250 接口电路如图 3.4 所示。

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图 3.4 SJA1000 与 82C250 接口电路图

3.1.4 电平转换
由于 LPC2292 需要两种供电电源,其中外设供电电源要求为 1.8V, I/O 口供电电源 要求为 3.3V,所以设计为 3.3V 电压系统。电源模块产生 5V 电压、低压差电源芯片(LDO 芯 片)产生 3.3V 和 1.8V 稳压输出。 LDO 芯片选用的是 SPX1117M3-3.3 和 SPX1117M3-1.8,其特点是输出的电压精度高、 输出的电流较大且稳定性好。SPX1117 系列 LDO 芯片输出电压的精度小于±l%、输出电流 最大能够达到 800mA,另集热保护和电流限制等功能于一体,故被广泛应用于工业控制和 数字仪表等领域。与此同时,在输出端接一个不小于 0.1?F 的电容,可以用来改善瞬态响 应并提高稳定性[9]。 SPX1117M3-3.3 与 SPX1117M3-1.8 电平转换电路分别如图 3.5 和图 3.6 所示。

图 3.5 SPX1117M3-3.3 电平转换电路图

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图 3.6 SPX1117M3-1.8 电平转换电路图

3.2 交流信号转换电路
3.2.1 采样输入方案
本终端的模拟量采集通道,可实现对 32 路模拟量进行采集。采集的模拟量分别是交流 电压和交流电流。模拟量数据采集通道原理图如图 3.7 所示。

图 3.7 模拟量数据采集通道原理图

本终端测量使用的电压互感器、 电流互感器分别为 WBV411D0 264V/1V 和 WBI411D4 10A/1V。使用互感器有两方面的作用,一方面将输入的电平信号转换成与采集设备的模拟 量输入通道相符的允许电平;另一方面将采集设备的外部与内部互感器电路完全隔离,使 其没有直接的电信号关联,从而提高了采集设备的抗干扰能力和绝缘能力。 将要测量的电压、电流模拟信号传入采样/保持电路,通过 A/D 转换电路将模拟信号转 换为数字信号后再传入数据处理电路。本终端采样/保持电路选用的是 CMOS 采样保持放大
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器 SMP04;A/D 转换器选用 MAX125 芯片。 LPC2292 片内具有 10 位的 A/D 转换器共 8 路,转换时间最低为 2.44ns。由于 A/D 转 换器的转换精度受位数影响,转换精度要求越高则所需位数越多。随着现代技术的不断发 展,对 A/D 转换器的精度要求越来越高,LPC2292 内部 10 位的 A/D 转换精度已经无法满足 现在的要求, 因此需要使用外部 A/D 转换器。 本终端外部 A/D 转换器选用了 MAX125 芯片。 MAX125 是美国 Maxim 公司推出的 A/D 转换器件, 具有 8 通道, 高速 14 位。 MAX125 采用的是逐次渐近的转换方式,它内部集成了 8 路的多路开关一个;A/ D 转换器一个,具 有 14 位分辨率;同步采样保持器 4 个;可编程序列发生器一个。A/D 转换 1~4 路的两组 结果用补码的形式存储于 14 位的四个 RAM 中。另外 MAX125 有±17V 的故障保护电路并 且该保护电路在 8 路输入通道中都具备。MAX125 需要±5V 的供电电源,采样电压的范围 在- 5V~+ 5V 之间 。MAX125 被广泛用于系统监测、电机控制以及数字信号处理等方面, 特别适用于数据采集系统[14]。 MAX125 接口电路如图 3.8 所示。

图 3.8 MAX125 接口电路图

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MAX125 引脚功能说明: 输入指令端 CH1A~4A 与数字量输出端 D0~D13 的低四位在通过三态门时可实现分时重 复使用,可实现与单片机或其它微处理器相连,CS 为选通信号端,控制 I/O 口,WR 和 RD 控制读写操作。
表 3.1 MAX125 工作模式

3A 0 0 0 0 0 0 0 0 1

2A 0 0 0 0 1 1 1 1 ?

1A 0 0 1 1 0 0 1 1 ?

0A 0 1 0 1 0 1 0 1 ?

工作模式 A 组单路开关单路转换 A 组单路开关双路转换 A 组单路开关 3 路转换 A 组单路开关 4 路转换 B 组单路开关单路转换 B 组单路开关双路转换 B 组单路开关 3 路转换 B 组单路开关 4 路转换 节电模式

电压电流输入采样波形示意图如图 3.9 所地示。

x(t) 采样

x’(t)

s(t)

图 3.9 电压电流输入采样波形示意图

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3.2.2 滤波电路
本终端在数据采集过程中使用的滤波方式是低通滤波,采用的是无源二阶 RC 滤波电 路,该电路可滤除高次谐波分量,以达到抗混叠的作用。 滤波电路原理图如图 3.10 所示。

图 3.10 滤波电路原理图 低通滤波幅频特性如图 3.11 所示。

图 3.11 低通滤波幅频特性

H (? ) ?

1 1 ? j?RC

(3.1) (3.2)

? ? 2?f
截止频率 fc=1253Hz 25 次谐波 (R=4.7KΩ C=0.01μF)

3.3 数据处理电路
DSP 处理器是本终端进行数据处理的核心部分,本终端 DSP 处理器负责对交流采样数 据计算和进行无功补偿等功能,它与负责通信的主 CPU 通过 CAN 总线相连接。另 DSP 处 理器还可根据需要进行扩展。

3.3.1 DSP 简介
DSP(Digital Processor 数字信号处理器),是一种微处理器,具有特殊结构。DSP 芯片 的内部采用的是哈佛结构,程序和数据是分开的,使用的是其专有的硬件乘法器,并采用
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流水线操作方式,通过特殊的 DSP 指令,可以用来高速的计算处理各种数字信号。DSP 除 了具有可编程性,还具有对复杂的指令程序可以每秒处理数千万条的实时运行速度,这一 点远远优于其它通用微处理器,DSP 成为是电子数字化发展中越来越重要的核心芯片。DSP 最大特点就是强大的数据处理能力以及高速的运行方式[15]。 世界上第一片 DSP 芯片是由 AMI 公司在 1978 年发布的 S2811, 而美国 Intel 公司在 1979 年生产的商用可编程器 2920 代表了 DSP 芯片发展的一个重要里程碑。 这两种 DSP 芯片都是 单周期芯片,这一点是现代 DSP 芯片所必有的。日本 NEC 公司在 1980 年推出的商用 DSP 芯片 ?PD7720 是首个具有乘法器的 DSP。 日本 Hitachi 公司在 1982 年推出的浮点 DSP 芯片是 首个使用 CMOS 工艺生产的浮点 DSP 芯片。日本 Fujitsu 公司在 1983 年推出的 MB8764,具有 120ns 的指令周期,且内部采用双总线,从而在使其在处理数据的吞吐量上有了一个很大 的跳跃。AT&T 公司在 1984 年推出的 DSP32 应该是首个具有高性能的浮点 DSP 芯片。然而 目前在众多产品中,最成功的还是美国 TI 公司生产的一系列产品[15]。 DSP 芯片的主要特点如下: (1)一个指令周期内,可以分别完成一次乘法和加法; (2)片内集成了快速 RAM,可以同时利用独立的数据总线访问; (3)数据空间和程序空间是分开的,并且数据和指令可以同时访问; (4)快速中断处理和支持硬件 I/O; (5)多个操作可以并行执行; (6)多个硬件地址发生器可以在单个周期内一并操作; (7)硬件支持低开销循环或无开销循环以及跳转; (8)采用取指令、译码和执行操作等流水线操作,可重叠执行[16]。

3.3.2 DSP 芯片的选取
目前市面上生产的 DSP 芯片主要的厂家是 TI 公司、Motorola 公司、AD 公司等。其中 美国 TI 公司生产的 TMS320C2xx 系列是在其推出的 TMS320C2x 和 TMA320C5x 之后的另 一种价格低、 性能高的具有 16 位定点运算的 DSP 芯片。 其中 TMS320F206 是 TMS320 系列 中的代表产品之一,由于性价比较高,目前应用较为广泛,已经逐步取代高档单片机。 TMS320F206 是具有 16 位定点数字信号处理器的 TMS320C2000 系列产品其中之一,其内 部使用的是哈佛结构,即将数据总线和串行总线分开,并集成了专有的硬件乘法器,四级 流水线操作的方式,采用特殊 DSP 指令,25~50ns 的指令周期,各种算法均可以快速完成。 TMS320F206 与 TMS320C2000 系列其它芯片相比,仅区别于片内资源不含有 ROM 。 TMS320F206 片内集成了 32K 的 Flash 存贮器,能够支持程序以串行方式下载,这一点在 开发设计中是非常有利的,因此该芯片得到了较为广泛的应用[17]。
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TMS320F206 的性能特点如下: (1)25ns 的指令周期; (2)片内具有 32KB 的 Flash 存储器; (3)64KB 的数据空间、64KB 的程序空间、64KB 的 I/O 空间和 32KB 的全局存储空间; (4)具有多样的片内外设,可编程的等待状态发生器、异步串行口、同步串行口以及锁 相环等; (5)具有 32 位累加器、32 位逻辑算术单元以及 16 位并行乘法器; (6)具有总线结构; (7)JTAG 的串行逻辑扫描与 IEEE 1149.1 标准相兼容。 TMS320F206 采用程序和数据分开的哈佛结构,程序和数据存储器都采用总线结构, 其包含程序地址总线 (PAB)、程序读总线 (PRDB) 、数据读地址总线 (DRAB)、数据读总线 (DRDB)、数据写地址总线 (DWAB)和数据写总线 (DWEB)。TMS320F206 在此总线结构的基 础上再采用四级流水线的操作方式,使其处理能力相当强大。 (8)中央处理单元 TMS320F206 的微处理器含有 32 位累加器、32 位中央算术逻辑单元(CALU)、比例移位 器、16?16 位乘法器、辅助寄存器以及辅助寄存器算术单元(ARAU)。 (9)I/O 空间和存储器可寻址的存储器空间共 224KB,其中 64KB 程序空间、32KB 全局 数据空间、64KB 局部数据空间以及 64KB I/O 空间。TMS320F206 片内含有 544KB 双访问的 RAM(其中 288KB 用于数据,还有 256KB 用于程序或数据)、4KB 单访问的 RAM 和 32KB 的闪 速存储器。 (10)片内外设 TMS320F206 的片内外设有以下几部分:时钟产生器、定时器、CLKOUT 引脚控制寄存 器、通用 I/O 引脚、异步串行口、同步串行口、等待状态产生器。由于使用哈佛结构和四 级流水线操作方式,TMS320F206 执行指令的速度大大提高了,当内部为 20MHz 时钟时, 仅 50ns 的指令周期;CPU 结构更加优化,也加快了执行指令的速度。一个指令周期(50ns) 即能完成 32 位的一次计算,这为更好的实现复杂的控制算法提供了条件。与此同时, TMS320F206 与其它的数字信号处理器指令系统是一致的,能够提供多样的“乘累加”指 令,这样可以更便捷的实现控制中经常用到的数字滤波技术,比如 FIR、IIR 等[18]。

3.3.3 DSP 片外扩展
由于本监测终端的数据计算量和存储量都比较大,考虑到 TMS320F206 自身的存储空 间还是受到一定限制的,TMS320F206 片内仅集成了 4K 的数据存储器,这根本无法满足本 终端的设计要求,所以在设计中扩展了数据存储器。另外,因为 TMS320F206 片内集成的 32K 的程序存储器对本终端设计来说已经足够用了,所以在设计中没有扩展程序存储器。
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由于 TMS320F206 具有地址线共 16 根,这样可以寻址的存储器空间有 64K,固选用了 64K ?16 的外部存储器 CY7C1021。 DSP 的存储扩展电路如图 3.12 所示。

图 3.12 DSP 的存储扩展电路

因为 TMS230F206 只有一个同步通讯端口, 所以在设计时采用了 DSP 芯片的 UART 扩展, 通过一个 16C552 芯片扩展 2 个 RS232 接口和一个 RS485 接口,这样以便于终端与扩展数 据通信功能, 同时也扩展了一个并行口实现与打印机的相连。 本设计中 16C552 的串口和并
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口都运行在中断工作方式,并且 16C552 的 CLK 端口外接 F16M 晶振。16C552 片内寄存器的 选择线(A0、A1、A2)和读写信号都由 TMS230F206 直接提供控制。串行口和并行口的片选 线(CS0、 CS1)均由 CPLD 直接控制, 可以根据不同需要而选择串行通信方式或并行通信方式。 为了提高抗干扰能力,设计中还加入了光电耦合器 HCPL-0630。16C552 和光电隔离器接口 电路如图 3.13 所示。

图 3.13 16C552 接口电路

3.3.4 DSP 的电源、时钟和复位设计
DSP 的时钟可以由芯片上自带的振荡器提供也可以由外部提供。本设计采用的是 TMS320F206 外接 F10M 晶振。 由于 DSP 每次上电时都需要进行复位,在这里上电复位是通过外接电容和电阻来实现 的。另外,在设计复位电路时,还应考虑到人工复位的问题,如果系统在运行中出现故障, 使用人工复位更为方便。这样的设计有两方面作用,一方面能够保证复位的低电平维持时 间足够长,使 DSP 能够可靠的复位;另一方面提高稳定性,预防 DSP 错误复位。本设计中 采用微处理器监控器 MAX1232 来实现手动复位。MAX1232 接口电路如图 3.14 所示。
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图 3.14 MAX1232 接口电路如图

3.4 开关量输入、输出模块
3.4.1 开关量输入回路
开关量输入回路指的是将各种开关量的信号经过光电耦合电路和并行接口电路后再送 入到微处理器保护的电路。 开关量输入回路主要是指隔离开关和断路器的辅助触点、跳合闸继电器的接点、外部 装置闭锁重合闸的触点、重瓦斯和轻瓦斯继电器的接点以及设备的连接等输入回路。对于 本终端的开关量输入而言,输入的接点状态指的是设备外部经过端口引入装置的连接点, 比如开关的辅助触点。通过光电隔离器连接输入,光电隔离器的光敏三极管导通和截止能 够直接反映外部触点的状态。通常开关量输入有常开触点与常闭触点两种,就常开触点而 言,要求 CPU 能够读到当它出现闭合时的状态,并能够做出一些相应的逻辑判断或者是运 算,对常闭触点也一样,要求 CPU 也能够读到它出现断开的状态,并也能够做出相应的逻 辑判断或运算[17]。 本终端开关量输入回路原理图如图 3.15 所示。

图 3.15 开关量输入回路原理图

光电隔离器是将光敏器件与发光器件结合在一起的,实现了电能到光能再到电能的转
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换。电信号首先传送到光电隔离器的输入端,即发光器件所在处,这时发光器件先将电信 号转变成光信号,于是将光信号到传入到光接收器,再转换为电信号。这样输入与输出之 间没有直接相连,是光耦合使得信号相连接的。 光电隔离器具有如下特点: 在输入与输出之间具有很相当高的绝缘电阻,通常阻值在 1010Ω CA,能够承受 2000V 的高压。输入与输出部分有各自的系统,没有必要共地,隔离性好,能避免输出有反馈、 对输入产生干扰。在光电隔离器中的光敏二极管属于电流驱动器件,其动态电阻很小,能 够很有效的抑制噪声并且具有很强的抗干扰能力。光电隔离器可靠性较高并且反应速度较 快(通常小于 10us),用途广泛,一般用于高压开关、信号隔离转换以及信号传输等方面[17]。 根据使用在不同方面,光电隔离器可分为很多种类型,比如按输入类型可分为交流型 和直流型;按输出类型可分为光敏开关输出、可控硅输出、达林顿输出、带过零检测输出 等。本终端在开关量输入回路采用的光电隔离器是 TLP121。 本终端开入量输入(外部触点输入)设计全部使用 24V 的直流电源供电,利用光电隔离 器能够将其转换为 5V 电压信号。由于光敏二极管能承受的反向电压值是比较低的,所以电 路中使用一个二极管起到对反向电压嵌位的作用,主要功能是防止在 24V 电压一侧产生的 反向电压将光敏二极管击穿。图 3.15 的开关量输入回路如果是一个常开触点,也就是说触 点一般是处在断开的状态,此时光电隔离器中的的光敏二极管没有电流流过,三极管是不 会导通的,三极管的集电极上为高电平,CPU 也会认为高电平就是代表开关量输入回路触 点的常开状态。一旦触点闭合,光敏二极管就会导通,三极管的集电极上为低电平,则 CPU 认为开关量常开触点闭合。 本终端开关量输入触点特点如下: (1)输入电压:24V DC; (2)输入方式:单端输入; (3)接线方式:无源触点; (4)隔离电压:2500VDC; (5)输入路数:16 路。

3.4.2 开关量输出回路
相比较下,开关量输出回路比开关量输入回路更具有重要作用,因为对本终端而言, 所有的控制功能都是利用开关量输出回路控制外接的设备动作来实现的,如隔离开关、断 路器和继电器等。因此终端开关量输出回路的可靠性可以直接体现出该配电自动化装置的 可靠性[17]。本终端开关量输出回路原理图如图 3.16 所示。

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图 3.16 开关量输出回路原理图

采用光电隔离器是 TLP127,使输入与输出之间没有直接相连,能够抗干扰,并且能将 5V 电压信号转换为 24V 电压信号。 本终端开关量输出触点特点如下: (1)无触点电平输出:DC 5~40V,200mA; (2)继电器触点输出:AC 250V,10A 或 DC 30V,10A; (3)输出方式:脉冲输出,可调脉宽 100~5000ms;默认值:100ms; (4)隔离电压:2500V DC; (5)输出路数:12 路; (6)防误措施:带返送校核。

3.5 人机接口电路
人机界面主要包括按键控制部分和显示部分,控制面板如图 3.17 所示。

图 3.17 终端控制面板
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3.5.1 按键控制
按键控制在终端设计中是一个非常重要的部分,它实现向微处理器输入数据、传送指 令等功能,是人为干预处理器的主要手段。按键控制中使用的键盘接口有两种分别为独立 式和矩阵式。独立式键盘是指各按键相互独立,每一个按键各接一条输入线,各条输入线 相接的按键工作状态互为不影响。独立式按键应用于需要的按键数较少或者对按键反应速 度要求较高的地方。矩阵式键盘则应用于事件数量比较多的地方,这种键盘由行线和列线 构成,按键位于行列两线的交汇点CA,它占用的地址空间和 I/O 口较多[18]。 在能保证完成各项设计需求的情况下,尽可能使操作更为简单,本终端选用了尽量少 的按键(仅使用了 6 个按键),采用的是独立式键盘结构,能够实行功能的复用,虽然这样 的按键方式在判断具体哪个按键动作的程序上会有些复杂,但是可以节约数据地址空间和 I/O 口,优点是硬件在结构上较简单、在配置上较灵活 [18]。本设计的按键部分直接采用处 理器的 I/O 口作为输入。 按键的扫描方式有两种分别为查询和中断方式。 由于中断方式会占用 CPU 的外部资源, 还有可能会干扰其它正在运行的中断程序,因此在本终端中采用的扫描方式是查询方式, 即在程序中对相应 I/O 口先进行状态查询,确认按键是否有按下,然后再调用相应的按键 程序进行处理。 面板上按键包括“↑、↓、←、→、1、2” ,分别表示上移、下移、左移、右移、确 认、取消功能。 按键控制电路如图 3.18 所示。

图 3.18 按键控制电路

3.5.2 显示部分
1、面板指示灯显示 面板上 8 个指示灯包括 “运行”指示、 “装置故障”指示、电压电流“异常告警”
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指示、通信“收发”指示、 “无功补偿投切”指示等。 1“运行”灯闪烁表示监测终端正 在运行中; 2“装置故障”灯长亮表示终端故障;3“异常告警” 灯亮表示电压、 电流报 警发生, 灭表示复位或没发生报警;4“无功补偿投切”灯长亮表示无功补偿功能已经投 入运行,灭表示没有投入运行。5-8 分别表示两个通讯口的“收” 、 “发”运行状况,运 行时相应的指示灯闪烁。 2、液晶显示器数据显示 本终端显示器部分采用了小型化点阵的液晶模块 FYD12864-0402B。 FYD12864-0402B 液晶显示模块具有 4 位或 8 位并行、 2 线或 3 线串行以及多种接口方 式,内部具有国标一级和二级简体中文字库的点阵图形;128?64 显示分辨率, 内有 16 ?16 的点汉字 8192 个和 16?8 的点 ASCII 字符集 128 个。可以显示 8?4 行 16?16 的点 阵汉字,也以可完成对图形的显示。该模块具有接口方式灵活、操作指令简单、可方便的 构成中文的人机对话图形界面的优点,且低功耗、低电压。该模块构成的液晶显示与同类 型的点阵的图形液晶模块相比,在显示程序和硬件电路的结构上都要简单得多,并且,该 模块的价格也比相同点阵图形的液晶模块略低 [18]。 FYD12864-0402B 的基本特性如下: (1)低电源电压 :+3.0~+5.5V; (2)显示分辨率:128?64; (3)内置汉字字库,提供 16?16 点阵汉字 8192 个; (4)内置 16?8 点阵字符 128 个; (5)时钟频率 2MHz; (6)1/32DUTY,1/5BIAS 驱动方式; (7)显示方式:STN、半透、正显; (8)串行、并口通讯方式; (9) 侧部高亮白色 LED 背光方式,功耗为普通 LED 的 1/5~1/10; (10)视角方向:6 点; (11)内置了 DC-DC 转换电路,无需外加负电压; (12)不需要片选信号,软件设计简化[19]。 显示的模拟量有三相电压、三相电流、有功功率、无功功率、电压畸变率、电流畸变 率、频率、功率因数、零序电流、瞬时负荷率、三相谐波电压等。 显示的参数有通信相关设置参数;有功、无功电量表底;越限、异常告警限值;无功 补偿相关设置信息等。 FYD12864 接口电路如图 3.19 所示。

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图 3.19 FYD12864 接口电路

引脚说明:
表 3.2 FYD12864-0402B 引脚说明

名称 VSS VCC V0 RS 电源地 0V

描述

名称 DB0~DB7 PSB NC /REST 三态数据线

描述

电源正 3.0+5V 对比度调整电平 高电平表示 DB0~DB7 为显示数 据低电平表示为显示指令数据 高电平数据被读到 DB7~DB0 低电平 DB7~DB0 的数据被写到 IR 或 DR 使能信号

高电平并口方式 低电平串口方式 空脚 复位端,低电平有效

R/W E

A K

背光源正端+5V 背光源负端

3.6 通信管理模块
本终端提供 2 个 RS232 口,1 个 RS485 口。RS232 #1 用于通信模块接口与监测软件 (SCADA)通信,传输速率 4800~57600bps,可整定,默认 9600bps;RS232 #2 用于终端维 护,传输速率固定为 9600bps;RS485 是预留硬件接口,用于与数字表接口。 通信规约采用远动设备及系统第 5-101 部分传输规定—基本远动任务配套标准(DL/T 634.5101-2002/IEC608-70-5-101:2002)。 终端可以根据监测主站召唤进行数据上送,预置参数的修改,也可主动上送开关变位、 异常报警等数据。通信管理模块原理图如图 3.20 所示。
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串口隔离 CPU CAN 总线接口 串口隔离

RS232#2 调试维护口 超级终端监视 RS232#1 对外串口 IEC60870-5-101

IEC60870-5-101 网络变压器

10Base-T 以太网口 IEC60870-5-104

对下管理各功能模块

对上与监测主站通信

图 3.20 通信管理模块原理图

3.6.1 RS232 通信接口电路
RS232 是由美国电子工业协会(Electronic Industries Association,EIA) 在 1969 年所制 定的传输标准接口,是实现异步串行通信的,是目前应用最为广泛的标准总线。RS232 最 早是针对公用电话网数据传输而特别制定的标准接口,它的对地逻辑电平是对称的,规定 逻辑 0 电平为+5~+15V,逻辑 1 电平为-5~-15V,这一点与 TTL 和 CMOS 电路的逻辑电平 不同。因此,在设计 RS232 口的时候必须考虑电平转换的问题[19]。 本终端 RS232 收发器使用的是 SP202EEN,并且在 SP202EEN 与 RS232 口相连时使用 了光电耦合器 HCPL-0630,通过光电耦合器提高系统的抗干扰能力。另通过 SP202EEN 能 够将+5V 的串行逻辑电平转换成 RS232 通讯所需的±10V 电平。 SP202EEN 的功能特性如下: (1)使用外部电容 0.1?F~10?F; (2)数据传输速率为 120kB/s; (3)可用于 RS232 以及 V.28 的应用; (4)TTL 或 COMS 三态门电平输出[20]。 本终端提供 2 个 RS232 口,其中 RS232 #1 为对外串口,用于通信模块与监测主站通 信;RS232 #2 用于终端维护。其中通信模块可以是 GPRS/CDMA Modem,也可是数据光 端机。 SP202EEN 接口电路如图 3.21 所示。
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图 3.21 SP202EEN 接口电路

3.6.2 GPRS 通信
GPRS 是指通用分组无线业务(General Packet Radio Service),是由欧洲电信协会定义 的分组交换协议,其依据是 GSM 标准。该定义的功能是为了给 GSM 用户提供数据业务, 以分组的形式。提供用户从端点到端点,广域的无线 IP 连接,在分组模式下,实现数据的 高速发送和接收,从而不需要使用电路交换模式下的网络资源,具有高效率、低成本等优 点[21]。 GPRS 主要特点如下: (1)使用分组交换的技术; (2)支持中速率或高速率的数据传输; (3)网络连接速度快,与现有数据网实现无缝连接; (4)支持突发数据间歇性的传输,也支持大量数据偶尔性的传输; (5)数据能在外部数据网络和局域彼此间透明地传输[22]。 GPRS 通信在本终端中用于实现远程测量、远程控制、远程通信,使用 RS232 #1 口。 采用 InDTU 132G/C 作为 GRPS 模块,外围通过 CPU 实现控制,起到使用 GPRS 实现无线 数据的传送和接收功能,其原理框图如图 3.22 所示。

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监测主站

串口通信

状态控制

CPU

数据存储

GPRS 模块

图 3.22 GPRS 模块原理框图

InDTU 132G/C 是由北京映翰通公司推出的基于 GPRS/CDMA 的数据通信模块,在本 系统中,功能上实现远程终端的串口设备与监测主站间的无线数据通信。InDTU 132G/C 具 有外精巧的外形、简易的安装、防潮设计、抗干扰能力等主要特点。其实物引脚及引脚说 明如图 3.23 和表 3.3 所示。

图 3.23 InDTU 132G/C 实物引脚图

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表 3.3 InDTU 132G/C 引脚说明

GND TXD/485RXD/485+ IOB IOA GND VV+

数字地 232 的发送,485232 的接受,485+ 预留 I/O 接口 预留 I/O 接口 数字地 负极 正极

CPU 负责控制操作 GRRS 模块的拨号注册和出现掉线情况的处理等。 CPU 与监测主站之 间是通过串口进行通信的,用 CPU 中的状态指示引脚向监测主站指示 GPRS 当前的在线状 态。GPRS 模块存在异常状况时向监测主站上报。监测主站通过引脚控制和串口输出命令 使 CPU 进入参数设置状态,从而对参数进行设置。GPRS 模块连线后,CPU 只是起到数据传 递的作用。

3.7 电源管理模块
电源管理模块的功能是为配电变压器监测终端的其它各个功能模块提供适合的工作电 压,考虑到使用的灵活性,设计了备用电池可进行电源切换。 本终端的电源管理模块原理如图 3.24 所示。 DC/DC

+5

+24
AC220V AC220V 充电 电源 DC/DC

+12 -12 +24

+24

24V 蓄电池

图 3.24 终端电源管理模块原理图

其中 AC/DC 采用的是 HAW5220S24 电源模块, DC/DC 采用的是 A051224S-2W 电源模块。
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3.8 硬件抗干扰设计
本终端使用到的最主要和最基本的抗干扰方法就是对硬件抗干扰的设计。抑制干扰一 般从防干扰和抗干扰这两方面来考虑。总的硬件抗干扰设计原则是消除或者抑制干扰源, 切断干扰与系统相连的通道,提高系统对干扰的抵抗性[25]。本终端硬件抗干扰设计中具体 采取的措施表现在屏蔽、隔离、接地、滤波、硬件监控复位、布线设计等几方面。

3.8.1 屏蔽技术
采用的屏蔽技术就是在两个区域间加一个金属隔离层,是能够有效的阻碍电磁场耦合 的方法。设计终端最外面使用一个金属外壳,起到屏蔽的作用。对于屏蔽电容性的耦合则 将金属壳接地,从而屏蔽静电;对于屏蔽电感性的耦合则用低电阻金属壳,从而屏蔽电磁。 终端主要的控制电路板放在金属壳内,起到屏蔽抗干扰的作用。

3.8、2 隔离技术
采用的隔离技术在本终端中主要是在开关量输入回路和开关量输出回路中使用了光电 隔离器。光电隔离器的特点是输入阻抗很小,则在有电流的工作状态下,输入、输出回路 间等效电容很小,这能够有效的抑制各种噪声信号即干扰信号,抑制尖峰脉冲,从而提高 了信噪比。在开关量输入回路与开关量输出回路中采用的光电隔离器 TLP121 和 TLP127, 将控制电路与外围电路完全隔离,阻止了外界干扰信号传入到系统中去。

3.8.3 接地技术
采用接地技术来提高抗干扰能力。接地技术需遵循的基本原则是:合理接地,即模拟 信号接地、数字信号接地以及屏蔽接地不能混用。为了减小控制电路与地之间的电流联系, 要尽可能地使各接地电路都能形成回路。地线合理布置,使电流尽可能控制在一个很小的 范围内。设计印刷电路、选择接地方式上要根据对地电流的大小以及频率做出相应设计。

3.8.4 滤波技术
采用滤波技术主要是通过接入滤波电容来滤去干扰信号。由于本文所设计的系统中既 有模拟信号电路又有数字信号电路,数字电路中各门电路的导通和截止都会使整个系统产 生电流变化,从而引起干扰信号,模拟信号中的尖峰信号也有干扰作用,因此本设计在系 统的模拟量输入电路和数字量输入电路中都采用了滤波技术来抗干扰。比如,系统模拟电 路中的运放电源端接有 0.01?F 的电容,接入滤波电路来抑制高频信号传入采样器;数字电 路中使用的各芯片电源输入端都接有 0.01?F 的电容; 在开关量输入回路和开关量输出回路 中也加入了的滤波电容;布线时采用就近跨接方案等这些设计都有效的防止了噪声信号和
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尖峰信号的干扰。

3.8.5 硬件监控复位
硬件监控复位是指通常所说的看门狗电路。设计中使用的主 CPU LPC2292 自身就具有 硬件看门狗功能;DSP TMS320F206 外围使用的 MAX1232 也具有看门狗功能。当干扰进入 到 CPU 或 DSP,如果此时其它软硬件抗干扰措施都失去作用,系统就会全面瘫痪,此时看 门狗电路作为终端系统最后的一道防线,可以利用硬件看门狗电路来复位系统,从而恢复 正常工作。

3.8.6 布线设计
本终端系统在电路板布线设计时,尽量使焊接面和元器件的各个印制引线保持相互垂 直,印制引线路径的距离尽可能短;使电路板的接地线用“一点接地”的方法;使各元件 在布局上更合理化,尽可能缩减电路板大小。

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第四章 配电变压器监测终端软件设计
4.1 终端软件总体设计
4.1.1 软件设计原则
为了满足终端的设计要求,在进行软件设计时应遵循以下基本原则: 1.准确性。这一点在系统设计中具有极为重要的意义,对本终端来说就更具有实际的 意义,因为设计结果的准确性将关系到配电用户的直接利益。所以,在选择算法和选择精 确度方面要考虑到实际需求,并要使运算结构必须符合相关的标准技术。 2.可测试性。所谓软件的可测试性包含两个方面,一方面是比较容易根据需求制定出 软件测试的准则;另一面是软件设计结束后,比较容易在模拟环境下进行仿真运行,经过 测试达到要求后方可投入实际使用。 3.可靠性。这一点是系统软件设计最重要的指标之一,也包含两方面意思:一方面是 要求软件能够自我适应,即在运行参数改变的情况下,软件也能可靠地运行,得出准确的 结果;另一面如果在干扰信号严重的情况下,软件也能可靠地运行,得出准确的结果,这 一点在系统的整体可靠运行方面表现最为重要[26]。 4.实时性。这一点对监测系统而言是普通要求,要求系统能够及时的对外部的变化产 生响应,并给出相应处理结果。近些年来,由于使用的硬件集成化程度和运行速度都有很 大提高,这使相应的软件系统实时性的要求更为容易达到。 5.易读、易维护性。这一点是指软件系统中的错误容易被发现从而容易被纠正,能够 方便的进行修改和补充。由于配电自动化程度越来越高,配电变压器监测终端的结构也越 来越复杂,在设计中很难非常快的发现并纠正错误,且要在发现错误时易于修改和补充, 这也不容易达到。解决上述问题,在软件设计中使用模块化设计就是最好的方法之一,模 块化设计方法是先分析整个系统要求实现的全部功能,再由整体到局部确定各模块目标, 然后把各个目标分解成一个一个单独的任务, 也可以将任务进一步分解成一个一个子任务, 逐个实现。在设计过程中可能会逐渐暴露出一些问题,这时就要求软件易于修改,模块化 设计就是最好的设计方法。 配电变压器监测终端的软件设计就是采用了上述模块化设计方法。这样,能够使得设 计的目标更明确、条理更清晰,易于纠错也便于系统调试。设计时如果能让每一个子程序 都可以独立运行,那么把所有子程序相连起来的时候,只要将他们堆积起来即可,安排恰 当的化,一般来说都不会有很大的问题。如果出现了问题也可以根据是哪种问题推断出是 哪一部分出了问题,只要修改该部分即可。这种方法可以为将来系统功能的扩展提供很大 的方便。

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4.1.2 软件设计工具
1、Keil C51 软件 Keil C51 是由美国 Keil Software 公司设计的软件开发系统,具有丰富的库函数以及功 能非常强大的集成开发调试工具,全 Windows 界面。通过 Keil C51 可以生成效率非常高的 目标代码,语句紧凑,易于理解。高级语言的优势在开发大型软件时更能充分体现 [27]。 Keil C51 软件兼容 C 语言,与汇编语言相比,C 语言在结构上、可读性上、功能上、可 维护性上都有更为明显的优势,易学易用 [27]。 本终端,ARM 程序的开发以 Keil C51 软件为平台完成。 2、CCS 软件 TI 公司设计的基于 Windows 的 DSP 开发平台——DSP 集成开发环境 CCS(Code Composer Studio),能够显著加速和提高开发过程,在创建实时嵌入式系统和测试信号数据时也有明 显优势,能够缩短开发所需要的时间。CCS 是一个较为完整 DSP 的集成开发环境,也是目 前市面上最流行、最优秀的 DSP 开发软件之一[28]。本终端,DSP 系统主程序的开发以 CCS 软件为平台完成。

4.1.3 软件设计模块
本终端软件设计模块框图如图 4.1 所示。
软件模块

自 检 模 块

数 据 采 集 模 块

数 据 处 理 模 块

显 示 模 块

通 信 模 块

故 障 处 理 模 块

存 储 器 读 写

无 功 补 偿

图 4.1 软件设计模块框图

自检模块负责主程序对系统进行初始化和复位,监视系统运行状态,以及进行异常处 理,即如某个任务出现错误时,对其进行处理,保证系统能够正常运行,从而提高系统的 可靠性。 数据采集模块负责实现每隔一段时间采集电参量数据以及读取等功能。
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数据处理模块负责数据处理部分,主要对采集到的电流和电压进行分析和计算,从而 得到能够反映电能质量的其它参数。 显示模块主要负责在液晶屏上显示信息。 通信模块主要是负责完整的读取串口接收缓冲区的数据,同时发送消息通知数据处理 模块进行数据处理,并将数据传到串口发送缓冲区,将数据通过串口中断传送给缓冲区再 发送出去,GPRS 通信和按键通信均由它实现。 存储器读写主要负责将需要保存的终端监测参数(运行参数以及控制参数等)、历史数 据以文件的形式保存到存储器中,并可以从存储器中调取数据。使用了文件系统便于存储 大量数据并进行管理。 无功补偿模块主要是负责根据监测结果调节变压器的分接头以及控制投切并联补偿电 容器组,在满足系统各方面要求下,尽可能提高电能质量,保持无功平衡。

4.2 IEC60870-5-101 规约简介
进入 90 年代后, 为了配合电力系统以及其它公用事业的需求, 国际电工委员会的 TC-57 技术委员会制定了一系列的远动传输规约基本标准,这些规约一共有五篇。为了在可兼容 的设备彼此之间能够达到相互交换的目的,国际电工委员会的 TC-57 技术委员会又在原有 的 IEC870-5 系列标准的基础上,根据不同应用情况下的要求加增了一系列配套标准。 IEC60870-5-101 基本远动任务配套标准(简称为 101 通信规约)就是其中之一。 101 通信规约是对原 IEC870-5 基本标准或对功能文件集的定义增加补充,表现在对信 息体特定用途的定义或者另外的信息体、基本标准参数以及服务规则的定义。根据规约配 套标准不得与所引用的 IEC870-5 基本标准的规则相冲突, 但是可以在具体应用中明确这些 规则之间的关系。 101 通信规约是针对 IEC870-5 基本标准中的异步式字节传输 (Asynchronous byte transmission) FTI.2 的帧格式,对其物理层、链路层、应用层、用户进程等方面进行了广 泛的定义和规定。允许在 101 通信规约所定义的应用基本功能范围内,具体根据情况和不 同要求作出相应的选择。为了使可兼容的运动设备之间能够互相交换,101 通信规约还严 格的定义了传送原因和类型标识等,也允许制造厂或用户在它的定义之外另行定义,但要 求不能违反它定义的内容和可兼容运动设备的要求。 101 通信规约完全采用的是国际标准 IEC60870-5-101 配套标准,考虑到我国电力系统 配电自动化中大多数使用的是点对点的全双工通道,依据 60870-5-1 至 60870-5-5 传输规约 的规定,状态变位时远方终端可以主动触发传输状态的变位帧,功能上实现平衡传输。这 种由远程终端启动的传输过程是完全遵守 101 通信规约的。该规约为主站端和子站之间的 信息传输规定了标准,配电自动化的设备在远方调度传输协议上应该考虑多采用 101 通信 规约。
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101 通信规约同时规定了电网中的数据采集和监视控制系统 (SCADA) 中的主站与子站 (远方终端)间进行的是问答方式下的数据传输帧格式、应用数据编码、链璐层传输规则、 应用功能、服务原语、应用数据结构以及报文格式。 101 通信规约适用于电网中的数据采集、 SCADA 和调度站间实时运动信息的系统以问答 方式规约转发;适用于在具有网络拓扑结构中以点对点以及多个点对点、多点的共线、环 形以及星形网络配置的运动系统中。可以是双工形式或者半双工形式通道[29]。

4.2.1 规约结构
在 IEC 60870-5-3 节 4 中规定,IEC 60870-5 规约是有着三层参考模型的增强性能体系 结构(EPA),即物理层、链路层和应用层。 物理层使用的是 ITU-T 建议,采用的是在介质上进行二进制的对称无记忆传输,这样 能确保在链路层所定义的组具有高编码方法的数据完整性。 链路层则是由详细链路规约来控制信息(LPCI)的多链路传输过程共同构成的,这种链 路层控制信息可以利用某些应用服务数据单元(ASDU)作为链路用户的数据,链路层使用帧 格式的选集,能够保证所需的数据的完整性、高效率性和传输方便性。 应用层包含的是一系列应用功能,其包含在源和目的之间进行相互传送应用服务数据 的单元中。101 通信规约的应用层并没有采用具体的应用规约控制信息(APCI),而是在所 采用的链路服务类型以及应用服务数据单元的标识符域中隐含着相关信息。
表 4.1 配套标准和增强性能体系结构(EPA)模型所选用的标准定义

IEC 60870-5-5 选用应用功能 IEC 60870-5-4 选用应用信息元素 IEC 60870-5-3 选用应用服务数据单元 IEC 60870-5-2 选用链路传输规则 IEC 60870-5-1 选用传输帧格式 ITU-T 建议中选用

用户进程 应用层 (第七层) 链路层 (第二层) 物理层(第一层)

4.2.2 物理层
配套标准采用了 ITU-T 建议, 对控制站和被控站的数据终端设备(DTE)和数据电路终 接设备(DCE)间的接口进行了定义。 数据终端设备(DTE) 和数据电路终接设备(DCE)间的接口是异步 ITU-T V.24 或 ITU-T V.28 接口。由于传输通道运行的模式不一样,因此各通道所要的接口信号也不一样,配套 标准对交换电路信号进行了定义,它可以被采用,或不被采用。
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控制站和被控站的接口连接示意图如图 4.2 所示。
数据电路

控制站的 数据终端 设备(DTE)

数据电路 连接设备 (DCE)

数据电路 终接设备 DCE

被控制站 的数据终 端设备 DTE

图 4.2 控制站和被控站的接口连接示意图

一般要求避免在一个给定的传输通道中采用加大带宽利用率的数据传输方法,这种方 法会对无记忆通道编码原则产生破坏。如能证明使用此种方法对链路层中所选用的帧格式 数据组编码方法不会影响其数据完整性,则可使用。

4.2.3 链路层
IEC 60870-5-2 提供了一个选集是采用控制域和任选地址域的链路传输规则的,在站与 站之间的链路传输模式可以用平衡式或非平衡式的方式进行。控制域中对这两种工作模式 均规定了相应的功能代码。 若从一个控制站到几个被控站之间的链路共用一条公用物理通道,避免同一时间多个 被控站向通道传输数据,这些链路必须工作在非平衡式下。控制站的应用层规定了不同被 控站向通道传输数据的顺序。 配套标准必须指明采用了平衡式传输模式和非平衡式传输模式中的哪一种,并且还要 指明采用了哪种链路规则和相应链路功能代码。 配套标准必须指明每一个链路的唯一地址序号。在某个特定系统中,每一个地址都应 该是唯一的,或者说在一条共用物理通道链路中,地址是唯一的,后者虽然需要的是一个 比较小的地址域,但是也需要控制站按通道顺序安排地址。 配套标准必须指明选择的是 IEC 60870-5-1 众多的帧格式中的哪一种, 并且要使得选用 的帧格式既能达到数据完整性的要求,又能在实现达到可接受的方便性程度时也具有最大 效率的要求。配套标准规定的全都链路启动站的超时时间 (T0) 和从动站的最大响应时间 (Trp) 在 IEC60870-5-2,A.1。

4.2.4 应用层
配套标准的应用服务数据单元要按照 IEC 60870-5-3 的一般结构来定义,应用服务数 据单元要采用 IEC 60870-5-4 中的编码规范和应用信息元素的定义来构建。 配套标准要指明按照 IEC 60870-5-4 的 4.10 所选用的应用数据域传输秩, 此秩有模式 1 或模式 2,在特定系统中应用选用后的秩时,要使各种处理器能达到最大总体编程方便性。
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4.2.5 用户进程
IEC 60870-5-5 具有了对基本的应用功能选集,配套标准则包括这些功能中选出来的一 个或几个功能,提供了对特定系统所需应用过程相应的输入集和输出集 [29]。

4.3 部分程序设计
4.3.1 主程序和中断程序设计
本系统设计主程序的任务是将几个功能模块连接成一个整体, 调度处理各个功能模块, 实现系统的高效稳定运行。因为在本系统中所要处理的物理量是周期性变化的的电压和电 流信号,所以主程序其实是一个处在不断循环执行过程的部分。主程序开始是执行整个系 统的初始化并进行系统的自检,初始化和自检结束后,再将串口和 CAN 口初始化,再看看 有没有来自监测主站的参数修改信息(也称为报文),如果有则执行主站要求进行修改,如 果没有则进入主循环,在主循环中主程序是通过对各功能标志进行查询从而判断是否需要 进入相应的模块执行操作。完成了各自任务的模块会改变其标志,通过这样方式告知主程 序可以接着执行下一个工作步骤。这个过程中,中断主要有两个,分别是采样中断和通信 中断。其中采样中断用于故障处理,而通信中断则用于 CPU 串口与 GPRS 的数据通信。 主程序及中断程序流程框图如图 4.3、图 4.4 和图 4.5 所示。

图 4.3 采样中断程序流程框图
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图 4.4 通信中断处理程序流程框图

开始(上电)

初始化变量、中断及硬件接口

读设置参数

初始化串口、CAN 口

读时间

返回主循环 有接收报文? Y 执行相应处理和报文发送命令

N

N 采样结束标志? =1? Y 采样数据处理和计算

N 有故障标志? Y 执行 SOE 事件记录发送命令

一次循环结束 图 4.5 主程序流程框图
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其中采样中断处理程序如下: void c_int1() { volatile int *adr1=(int *)0xf730; volatile int *dip =(int *)0xf734; volatile int *dop =(int *)0xf734; volatile int *dog =(int *)0xf736; unsigned int i,j,tamp; int *p; int t; adBuf[0] =*adr1; adBuf[1] =*adr1; adBuf[2] =*adr1; adBuf[3] =*adr1; adBuf[4] =*(adr1+1); adBuf[5] =*(adr1+1); adBuf[6] =*(adr1+1); adBuf[7] =*(adr1+1); /*adBuf[8] =*(adr1+2); adBuf[9] =*(adr1+2); adBuf[10]=*(adr1+2); adBuf[11]=*(adr1+2); adBuf[12]=*(adr1+3); adBuf[13]=*(adr1+3); adBuf[14]=*(adr1+3); adBuf[15]=*(adr1+3);*/ p = &adBuf[0]; for(i=0;i<7;i++) { t = *p; t &= 0x3fff; if(t > 0x1fff)t |= 0xc000; /*通道切换*/
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/* 14 位 AD */ /* 如为负数,高位均置 1 */

if(switchchannel==0) {

/* VIN00-VIN15 */

samBuf[i][samN] = t; p++; } else i=7; /*else samBuf[i+7][samN] = t;*/ } if(switchchannel==0)/*A */ { if(samN < 31)samN++; else { samN = 0; samFlag = 1; /* jhm080725 */ /*只采样 7 路,故在前面 16 路采样完将 samFlag 置 1,这样就有 20ms 的时间进行数据处理,不担心还没处理完就开始下一波的采 样覆盖原数据,影响精度 */ switchchannel = 1; *adr1 *(adr1+1) = 0x07; /*(adr1+2) = 0x07; *(adr1+3) = 0x07;*/ } } else { if(samN < 31)samN++; else { samN = 0; /*samFlag = 1;*/ /* jhm080725 */ switchchannel = 0;
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/* 跳出 for 循环 */

/* 32 点/周期 */

/* 下一周期采样 VIN16-VIN31 */ = 0x07;

/* B */

/* 32 路均采样完一周期 */

*adr1

= 0x03;

*(adr1+1) = 0x03; /*(adr1+2) = 0x03; *(adr1+3) = 0x03;*/ } }

4.3.2 故障处理程序设计
故障主要是指终端监测到的数据中电压或者电流越过上限或下限。当出现故障时,主 循环会中断,进入故障处理模块,调用处理程序,记录事件同时设置故障标志,当手动或 自动恢复电压或电流到标准值后,再记录事件同时将故障标志清除,此时故障处理结束。 故障处理程序流程框图如图 4.6 所示。

4.3.3 通信模块程序设计
通信模块主要是负责完整的读取串口接收缓冲区的数据,同时发送信息通知数据处理 模块进行数据处理,并将数据传到串口发送缓冲区,将数据通过串口中断传送给缓冲区再 发送出去,GPRS 通信和按键通信均由它实现。这个过程中串口中断有两个,分别用在串 口发送和串口接收两种情况下。通信模块主程序及串口中断流程框图如图 4.7、图 4.8 和 图 4.9 所示。

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进入故障处理程序

电流大于定值持 续一段时间?

N

Y 记录 SOE 事件并置故障标志

电压小于定值持 续一段时间?

N

Y 记录 SOE 事件

N 自动复位? Y N N

电流小于定值持 续一段时间?

手动复位或 远方复位?

Y

Y

记录 SOE 事件并清除故障标志

结束 图 4.6 故障处理程序流程框图

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开始(上电) 初始化变量、中断及硬件端口

读设置参数并初始化串口通信参数

刷新 SOE 数据存储区 返回主循环 N 允许 CAN 接收数据? Y 执行相应的报文处理命令

N 允许串口接收数据? Y 执行相应的报文处理命令

N 采样标志=1? Y 通信地址检测及刷新

N 小时发生变化吗? Y 将记录的 SOE 数据存储

一次循环结束 图 4.7 通信管理模块主程序流程框图
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禁止串口的发送中断

发送缓冲区释放? N Y 将发送报文写入发送缓冲区

运行其它任务

置位发送请求位

是否发送完成? N Y 结束 图 4.8 通信管理模块串口中断流程框图(发送)

N

是否产生串口 接收中断? Y 从接收缓冲区读报文并保存

释放接收缓冲区

应用对应的规约过程处理

N 接收缓冲区状 态是否为空? Y 结束 图 4.9 通信管理模块串口中断流程框图(接收)
49

4.3.4 数据处理模块程序设计
数据处理模块主要是对已采集到的电压、电流的离散信号进行谐波分析,使用的方法 是复序列的 FFT(快速傅立叶变换)算法,从而得到基波和各次谐波分量,最高可分析到 15 次谐波分量,并计算出电压,电流,功率等各项参数。数据处理模块还负责数据的统计和 存储等功能。 1、谐波分析 谐波是指一个周期内电量的正弦波分量。谐波频率为基波频率的整倍数,故也称之为 高次谐波。 对电力系统的谐波分析其实就是使用谐波分析方法计算出电压或电流信号的各次谐波 分量的幅值和相位角,从而得知电压、电流中各次谐波分量的准确信息。将采样得到的电 压、电流的离散信号通过 FFT 计算,得到各次谐波分量的详细频谱,并由此计算出电压、 电流的有效值、功率、总谐波畸变率等各项参数[9]。 由于电力系统中使用了越来越多的半导体等非线性元件和含电弧、 铁磁的非线性设备, 电网波形畸变越发严重,大大影响了供电的电能质量,大加了电力系统的不稳定性。为了 能够将电信号正弦波形的畸变程度定量表示,采用下列各次谐波含量和谐波总量的大小来 表示波形畸变指标[9]。 (1)谐波含有率(HR):n 次谐波分量的有效值或幅值与基波分量的有效值或幅值之比, 用百分数表示。 第 n 次谐波电压含有率:

HRUN ?

Un ? 100% U1

(4.1)

Un:第 n 次谐波电压的有效值,U1:基波电压有效值。 第 n 次谐波电流含有率:

HRIN ?

In ? 100% I1

(4.2)

In:第 n 次谐波电压的有效值,I1:基波电压有效值。 (2)总谐波畸变率(THD):谐波总量的有效值与基波分量的有效值之比,用百分数表示。 谐波电压总量:
2 2 2 UH ? U 2 ?U3 ???U n ?? ?

?
?

? h?2

2 Un

(4.3)

谐波电流总量:
2 2 2 IH ? I 2 ? I3 ??? I n ?? ?

?

I2 h?2 n

(4.4)

50

电压总谐波畸变率:

THDu ?
电流总谐波畸变率:

UH ?100% ? U1
IH ?100% ? I1

?h?2 ( HRUn) 2 ?100%
?

(4.5)

THDi ?

?

? h?2

( HRIn) 2 ?100%

(4.6)

国家电力标准《电能质量:公用电网谐波》对各个不同电压等级电网的谐波电压限制 值见表 4.2。
表 4.2 公用电网谐波电压限制值(相电压)

电网标称电压(KV) 0、38 6、10 35、66 110

电网电压总谐波畸变率(%) 5 4 3 2

各次谐波电压含有率(%) 奇次 4 3.2 2.4 1.6 偶次 2 1.6 1.2 0.8

2、其它电参量相关计算公式
(1)高压侧有功功率 = 低压侧有功功率+变压器有功损耗 (2)高压侧无功功率 = 低压侧无功功率+变压器无功损耗 (3)视在功率 = (有功功率 2 +无功功率 2)1/2 (4)三相不平衡度 = 负序分量/正序分量 (5)变压器有功损耗 = 铁损+铜损?(总视在功率/变压器额定容量)2 (6)变压器无功损耗 = 空载电流百分比?额定容量/100+短路电压百分比?额定容量 /100?(总视在功率/变压器额定容量)2 (7)瞬时负荷率 = 变压器高压侧视在功率/变压器额定容量 (8)有功电量 = 有功功率?时间 (9)正向无功电量 = 正向无功电量?时间 (10)反向无功电量 = 反向无功功率?时间 (11)电压合格率 = 电压合格时间/日运行时间 (12)功率因数合格率 = 功率因数合格时间/日运行时间 (13)日平均负荷率 = 日平均功率/日最大功率

51

第五章 系统测试
5.1 终端测控软件的研发
终端测控软件主要功能是和监测终端进行通信,为系统管理人员提供实时数据、定时 数据、动作记录、数据存入数据库,实现数据的分析以及生成图形报表等一系列功能。 终端测控软件采用 Visual Basic 编写,数据库部分采用 Microsoft Access 数据库。监控 系统构成图如图 5.1 所示。 测控软件

监测终端 1

监测终端 2

……

监测终端 n

实时监测

数据采集

参数设置

串口状态

图 5.1 监控系统构成图

软件登录界面如图 5.2 所示。

图 5.2 终端测控软件登录界面

下面介绍软件各部分主要功能。 主要功能块包括实时监测、记录数据、电量对比、远程控制、历史记录、通讯管理、 数据管理等,如图 5.3 所示。
52

图 5.3 测控软件功能块

1、实时监测可显示实时采集到的电压,电流,有功、无功功率等数据。电压电流值显 示界面如图 5.4 所示;有功、无功功率数据显示界面如图 5.5 所示;电压畸变率数据显示 界面如图 5.6 所示。

图 5.4 电压电流值显示界面

图 5.5 有功、无功功率数据显示界面
53

图 5.6 电压畸变率数据显示界面

2、记录数据将相应数据上传到监测中心,并存入数据库。 3、电量对比可设定某时数据进行对比成形对比图。电量对比界面如图 5.7 所示。

图 5.7 电量对比界面

4、远程控制可对各监测变电站进行分或合闸控制。 5、历史记录是对异常事件等记录报告。 6、通讯管理主要是对站点的串口设置、网络设置、GPRS 设置。 7、数据管理进行手动设置采集数据的报警上下极限值。
54

5.2 系统功能及性能测试
1、主要设备及仪表 (1)计算机 1 台(笔记本或便于测试的台式机) ; (2)三相交流功率源 1 台(可加 3-13 次谐波量) ; (3)示波器 1 台; (4)万用表 1 块; (5)输入输出模拟器 1 台(16 路模拟量输入和 12 路模拟输出) ; (6)测试软件(模拟主站) 。 将上述设备连接成一对一的数据采集和监测系统并通电运行, 连接框图如图 5.8 所示。
监测终端 计算机 交流模拟 量输入口 状态量输 入口 远程通信 输出口

数字万 用表

功率表及功 率因数表

交流信 号源

状态量输 入模拟器

远程通信执 行指示器

图 5.8 配电变压器监测终端测试连接框图

2、交流模拟输入量基本误差测试 信号源和电量输入回路连接好,同时接上仪表。保持输入电量的频率为 50 Hz,谐波分 量为 0,依次加上输入额定电压的 20%、40%、60%、80%、100%、120%和输入额定电流 的 20%、40%、60%、80%、100%、120%,读出仪表中输入值 UI 和 II,同时读出被监测终 端显示值 UO、IO,按(5.1)、(5.2)式分别求出基本误差 EU、EI,符合电压、电流 0.5 测量精 度等级要求。
EU ? UI ? UO ? 100% F

(5.1) (5.2)

EI ?

II ? IO ? 100% F

式中 F 为输出基准值(满量程) 例如三相电压其中一相的终端测试电压与仪表测量电压比较如表 5.1 所示。
表 5.1 终端测试电压与仪表测量电压比较 仪表读数 终端测试值 基本误差 43.6V 43.4V 0.39% 87.3V 87.6V 0.34% 132.5V 132.1V 0.32%
55

175.8V 176.5V 0.40%

218.8V 219.7V 0.40%

262.9V 263.8V 0.34%

3、基本功能测试 (1) 实时数据测试 用交流源输入三相电压、三相电流,通过测控软件观察显示的各项数据,显示结果满 足电压、电流 0.5;有功功率、无功功率、功率因数 1 级测量精度等级要求。 (2)数据存储测试 监测某时实时数据,再从数据库中调出该时记录的数据,相比一致则数据存储正确。 (3)有功、无功计量测试 用交流源输入三相电压、三相电流,使电压超前电流 30°,保持输入不变,测量结果 符合精度要求,且无功功率为正,则有功功率、正向无功功率计量正确。 用交流源输入三相电压、三相电流,使电压滞后电流 30°,保持输入不变,测量结果 符合精度要求,且无功功率为负,则有功功率、反向无功功率计量正确。 (4)通信功能测试 分别将串口 RS232 #1 和 RS232 #2 用标准串口线把 COM 连至电 CA, 打开计算机测控 软件,波特率 9600bps(默认),如收发正常,各界面显示的数据与输入的一致,则串口通 信正常。 (5)液晶显示及按键控制功能测试 启动界面正确显示,液晶显示器上显示的模拟量与测控软件显示的保持一致;按下按 键的确认、取消键后应正确执行进入、退出操作; 按下按键的上、下键后应正确执行上、 下翻页操作或指示箭头上、下移动。

56

第六章 结论与展望
6.1 结论
随着电力需求的不断提高,我国配电自动化正迈向更先进的方向发展,配电变压器作 为配电自动化中的最重要的设备之一,其正常运行是整个系统可靠工作的基本保证。传统 的对配电变压器进行试验性的预防和离线式的定期监测已经满足不了现代化的要求。 本文通过深入了解配电自动化系统,结合国内外配电变压器监测终端的研究现状,针 对现有配电变压器终端存在的一些问题, 成功研究设计了一款多功能配电变压器监测终端。 该终端能够实现对配电变压器运行状态进行连续的在线检测、数据采集计算、数据统计记 录、远程通信等功能,并且监测准确率相对提高,可以完全取代离线式定期监测,另外制 作成本相对较低,适用于市场推广。 本设计主要完成的工作如下: 1、完成了基于 ARM LPC2292 和 DSP TMS320F206 的配电变压器监测终端整体设计方 案。 2、根据终端的总体设计方案完成了整体硬件电路设计并制作出样机。 3、设计了终端各硬件模块的驱动程序,并进行了软件调试。 4、设计了终端测控软件,并测试成功。

6.2 展望
配电变压器监测终端的研究和设计还有许多方面需要更进一步的完善。第一由于缺乏 精度较高的电信号源和专门的测量仪器,导致较难对算法进行比较以及对误差进行深入分 析;第二从测量的结果和理论分析的误差比较可知,电压、电流的监测结果还可以从硬件 设计上进一步改良完善,从而提高精确度;第三在电源模块的设计、电路板的布线以及系 统结构的设计等方面还可以改进;第四还可以在软件设计上通过优化算法来减小误差,也 可以对互感器产生的误差进行软件补偿;第五在测试CA,还应该对电磁兼容性等进行测试。

57

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致谢
首先,要诚挚的感谢我的导师周克良教授,对我的论文进行了细致的阅读并给出了 详细的修改意见,付出了极大的心血。正是周老师的细心指导,我才能顺利的完成本课题 的设计开发和论文的撰写。周老师治学态度严谨,工作一丝不苟,他广博的专业知识,丰 富的实践经验给我以很大的影响。他严谨求实的治学态度,脚踏实地的工作作风将激励我 在今后的工作和人生道路上更加发奋努力,不断进取。 其次,还要感谢付群峰教授。在我攻读工程硕士期间,他给予了我大力的支持及帮助。 在此表示衷心的感谢! 另外还要感谢所有帮助我的老师和同学,与他们的学习和交流使我受益匪浅。 最后,要感谢审阅、评议硕士论文的各位专家学者,感谢他们在百忙中给予的指导。

李 慧

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个人简历
1981 年 9 月出生于江西省赣州市; 1999 年 9 月至 2003 年 6 月在南方冶金学院学习,获自动化专业工学学士; 2003 年 6 月至今在江西理工大学应用科学学院工作,讲师; 2006 年 12 月至今在江西理工大学机电工程学院攻读工程硕士学位。

在学期间发表的学术论文与研究成果
矿山地质钻孔数据数字化三维可视化的研究 露天采矿技术 2007 年第 6 期 第一作者 利用单片机实现温度控制的系统设计 中国科技博览 2009 年第 10 期 独著 火灾报警系统的自动控制原理及实现 现代商贸工业 2009 年第 24 期 独著 配电变压器监测终端的设计分析 现代商贸工业 2010 年第 23 期 独著 曲面的数控加工技术研究 江西理工大学自选课题 2007 年 主持

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学号:2006G006

江西理工大学学位论文独创性声明及使用授权书
学位论文题目: 配电变压器监测终端的研究与设计 学位级别 所在学院 学科专业 学位论文 是否保密 机械工程 否 导师姓名 周克良 学生姓名 年 工学硕士 机电工程 李慧 月 日

如需保密,解密时间

独创性声明
本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果,也不包含为获得江西理工大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材罙,指导教师对此进行了审定。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中做了明确的说明,并表示了谢意。

研究生签名:

时间:







学位论文使用授权书
学校有权保存提交论文的印刷版和电子版,并提供目录检索和阅览服务,可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人同意江西理工大学可以用 不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 注:保密学位论文在解密后适用于本授权书。

同意授权 作者签名: 签名日期: 年 月 日 导师签名: 签名日期: 年 月 日

不同意授权 作者签名: 签名日期: 说明理由: 年 月 日 导师签名: 签名日期: 年 月 日

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