随着电力电子技能的不断发展，电力电子设备得到了广泛运用，使得电网负荷中的感性负载占很大比例，如变压器，电动机等，同时也产生了电网谐波。无功功率会增加设备容量以及线路损耗，同时冲击性无功功率负载还可能引起电压剧烈颠簸，使得电网质量严重降落。
而谐波的危害更大，谐波使得元器件产生附加的损耗，此外谐波可能影响各种电气设备的正常运行，如机器振动、噪声和过电压，使得变压器、电容器局部过热、绝缘老化，寿命缩短，严重时发生爆炸，发生事件。同时也可能影响临近系统的数据通信，严重时系统无法正常通信。
为了担保电网安全稳定运行，必须综合管理这些影响电网的关键成分。管理的关键是对电网参数的实时准确的监测与剖析。电网参数的通信办法比较多，紧张有串口通信接口、USB接口、GPRS以及网络接口等。以太网通信传输速率高，便于实时数据通信，从而进行数据剖析，减轻现场事情强度，对电网长期运行评估预测意义重大。
本文基于ARM和W5200设计了一种无功补偿掌握器，其具有无功补偿，电压电流谐波等参数丈量，数据统计存储以及以太网接口等功能，利用该掌握器和后台PC软件可构建远程监控系统，实现电能质量的远程监控。
1 总体设计方案1.1 远程监控系统设计
远程监控系统的组成构造如图1所示。
图1 系统组成构造图
系统紧张由4个部分组成，无功补偿掌握器，以太网模块，远程PC终端以及输出掌握单元部分。掌握输出单元是TDS系列智能电力电容器，可实现就地无功补偿。以太网模块紧张实现电网数据的网络传输。远程PC终端实现了远程数据的监视，远程设置参数，历史数据采集，远程电容器掌握等功能。无功补偿掌握器的设计是本文的重点。
1.2 无功补偿掌握器设计
如图2所示，无功补偿掌握器紧张由以下8个模块组成,，各模块的紧张浸染分别为：
图2 无功补偿掌握器组成框图
1）电源模块：将电网电压转换成芯片可用的事情电源，通信电源等。2）数据采集模块：完成电网数据旗子暗记的采集，紧张包括三相电压，三相电流。3）数据处理模块：紧张完成电网有功、无功、功率因数，谐波总含量以及3-25次谐波分量的打算处理，谐波的打算采取FFT算法。4）显示模块：采取12864点阵液晶，紧张显示电网参数以及事情状态，电容状态等。5）数据存储模块：将电网参数的整点数据存储起来，便于现场运行情形的剖析处理。这些数据既可通过上位机软件检测，也可连接U盘将数据读取出来，导入上位机。6）网络接口模块：紧张实现与网络模块的通信，这是实现远程监控的关键。7）RS485模块： 紧张实现了与TDS智能电容器的通信，从而实现电容器状态和信息的实时监测与本体掌握。8）报警输出模块：为担保系统的安全稳定运行，当过压、欠压、谐波过大等情形下，关照用户发生故障及自动及时切除已投入电容。2 硬件设计方案无功补偿掌握器的主控芯片选择意法半导体公司基于ARM Cortex-M3内核的32位处理器STM32F103。硬件总体设计包括电源设计、复位电路、晶振模块、JTAG/SWD接口、人机接口、采集部分、RS485、SPI网络接口及存储设备等。
2.1 主控芯片
STM32F103最高可事情在72MHz,包含5个USART、2个DMA掌握器、3路SPI、3个ADC、ADC包含16路通道，供应电压检测器，提高了抗滋扰能力，可担保系统的稳定运行。
2.2 晶振模块
晶振紧张供应主控芯片的时钟旗子暗记，W5200的事情时钟是由STM32的软件掌握的。STM32内部虽自带RC振动器，可产生8 MHz时钟，但精度较差。因此选用外接独立晶振供应8 MHz时钟源。
2.3 电源设计
运行现场不可能直接供应芯片的事情电源，就须要进行电源转换。设计采取传统电源设计模式：220V互换电压通过变压器变压，整流桥整流，电容滤波，末了稳压芯片稳压后输出直流电源。稳压芯片选用ASM1117，电压转换成3.3 V直接给STM32与W5200供电。
2.4 采集部分
由于STM32具有12位ADC采样，采样速率最快可达到1 us采集一次，精度也可担保，因此，直接将电网旗子暗记转换成STM32口线可以采集的旗子暗记接到STM32口线上。
采集的详细流程图如图3所示。
图3 电网旗子暗记采样流程图
电旗子暗记经由互感器采样后，加上滤波放大电路和电压转换电路后转换为电压旗子暗记，由于STM32采集的仿照量范围是 0～3.3V，以是要再经由一个电压偏移电路，加上基准电压，就形成 STM32所能处理的仿照量旗子暗记。滤波电路选用最大略的 RC 滤波电路，紧张滤除外界对电网旗子暗记造成的滋扰。电网旗子暗记的检测采取电流、电压互感器实现。
2.5 复位电路
复位电路可靠性是全体系统运行正常的关键。本系统采取了常规的阻容复位和芯片MAX706S结合的复位办法。系统采取了双看门狗办法，一个为STM32的内部独立看门狗，一个为MAX706S供应的硬件看门狗。由于W5200的事情电源须要3V以上，而STM32只需2V就可正常事情，此时MAX706S供应的低电压复位旗子暗记起浸染，这样就担保了系统的正常运行。
2.6 SWD接口
为便于主控芯片程序的调试和下载，就须要设计调试接口。较JTAG接口，SWD接口大略，只需两根口线就可以实现，接口电路如图4所示。
图4 SWD接口电路
2.7 SPI网络接口
由于W5200集成了TCPIP协议的网络掌握器，对软件设计职员水平哀求不高，通过SPI接口就可实现网络连接，比较适宜单芯片实现TCPIP协议栈、10/100M以太网MAC和PHY。W5200 内部有32K的存储器用于通信数据的存储，通过大略的端口编程，用户可实现以太网通信，而不必要处理繁芜的以太网掌握。W5200的SPI接口可以支持高达80MHz的时钟。
图5 网络模块构造图
模块的构造如图5所示,ARM芯片供应了时钟旗子暗记,复位旗子暗记,掌握旗子暗记,RJ45接供词给了以太网通信接口,网络指示灯指示网络的事情状态。
W5200支持8个独立的端口同时事情，可以实现同一无功掌握器通过网络交流机受控于多台上位机终端。
2.8 串口通信模块
为了实时采集多台电容器的实时事情状态及其电容器信息，同时实现电容器的实时掌握，为担保数据通信的可靠性，采取传统的RS485通信。
同时，无功补偿掌握器备用了2个RS232接口，可用来连接GPRS模块实现远程数据采集和电表数据采集。
3. 软件设计方案
3.1 开拓环境（MDK）
MDK开拓平台是一个针对ARM处理器的专用集成开拓环境。可以利用C/C++和汇编措辞方便开拓运用程序。MDK的在线调试与仿真，对软件开拓具有很大的帮助。
3.2 软件设计
全体系统的软件流程图如图6所示。
图6 软件流程图
本系统的软件设计紧张包括ARM的运用程序的开拓和μC／OS-Ⅱ操作系统[10]的移植2个基本部分。ARM的运用程序紧张包括数据丈量、显示程序、数据存储程序、USB数据读取程序、按键扫描处理程序、电容器通信、网络通信程序、电容器掌握和程序和报警输出程序等。μC／OS-Ⅱ操作系统是折衷STM32对程序的任务管理和调度。
3.3 终端PC机软件
上位机远程监控PC机软件开拓环境采取C++ Builder和SQL数据库结合设计。C++ Builder集成开拓环境供应了可视化窗体设计器，集成编辑器和调试器等系列可视化快速运用程序开拓设计，程序员可轻松建立和管理自己的程序和资源。SQL数据库用来将采集的数据实时存储起来，便于往后查询与现场故障剖析等。
PC机与无功补偿掌握器之间采取标准的电网101规约进行通信，便于接入已成型的智能电网中，实现了电网数据的遥测，设定参数的遥调和电容器状态远程显示及远程掌握。
如图7所示，PC机与无功掌握器联机正常运行的实际情形，可见实时现场的电网参数基本上都可以监测到，三相功率因数均达到0.93以上，也取得较好的补偿效果。
图7 上位机远程监控软件运行图
经由一段韶光的实际运行，运行情形良好，电网功率因数达标，证明该设计方案是切实可行的。
4.总结本文以STM32为主控芯片，设计了一种掌握器，具有无功补偿功能。同时，通过驱动W5200网络掌握芯片实现了电网参数的实时远程监控与电容器的远程掌握。该网络接口硬件设计大略，本钱低，开拓周期短，便于运用。而电网的长期在线监测，有利于电网的掩护与故障剖析。
本文编自《电气技能》，原文标题为“基于W5200的电能质量远程监控系统设计”，作者为夏文、冯国伟 等。
