关于远程电压监控系统的设计与探讨

摘要：随着最近这么多年的智能电网快速的发展，输配电线路上的电压监控系统得到大量的运用。为了提高输配电线上电压质量的稳定性，并且降低输配线上线路的损耗，电压监控系统中的电源模块，电力载波接收模块，AD转换模块，时钟模块，掉电保护电路设计需要进行优化改造。

关键词：电压监控系统; 电源模块;电力载波接收模块;AD转换模块;时钟模块，掉电保护电路设计

引言

随着我国对电力行业的节能减排大力提倡，面临着各种复杂的电力输配线上的环境以及磁场，谐波因素的影响，电力系统对电网中的电能质量里的各个环节要求非常之高。通过对远程电压监控系统一系列的技术设计与技术改造能够对电网中的能源损耗方面进行降本增效，利国利民。本文章从电压监控系统中一些模块的硬件设计做了简单的分析与改进，通过这些设计的分析和改进，大大提高和保障电网安全高效稳定的运行，同时提高该系统的稳定性。

1 控制系统的硬件设计

电压监控系统主要由电源模块、电力载波接收模块、A/D转换模块、存储模块、时钟模块等部分组成。

1.1 电源模块

电源电路是电压监测系统正常工作的基本保证，由于电压监测系统往往工作于相对比较复杂的环境，为了提高系统的整体的抗干扰特性和电源的稳定性，系统设计了如图1所示电源电路。

其工作原理如下：图1（a）中交流电源通过整流电路进行整流处理，输出波动的整流电源。LD7575通过输出引脚控制Q6的导通关断，为了维持系统电源的稳定性，三极管Q6的需要经常处于导通关断状态，使得变压器Q7的原边产生较高的尖峰脉冲，为了保证电源电路的稳定性，系统通过电容和二极管D10组成的吸收回路进行吸收处理。从而有效的降低了尖峰脉冲对变压器的冲击。由于原边线圈中具有较大的电流，为了保证原边线圈的可靠性，系统需要对原边线圈的电流大小进行采样，当原边线圈的电流大于设定值时，系统会关断LD7575，从而降低原边线圈电流的大小，从而有效的保证了系统的整体的可靠性。变压的次级线圈输出波动的交流电源，经过二极管进行整流处理，再对整流电源进行滤波，为了保证输出电压为12V电源，同时降低高压电源对低压电源的影响，系统通过光耦对输出电压进行反馈处理。由于TL431产生的为稳压电源，所以当输出电压升高时，使得R16的输入电压升高，从而导通U2光耦，光耦的导通使得LD7575的COMP引脚输入低电平，从而关断LD7575的输出引脚。反之亦然。通过LD7575的控制，使得电源输出稳定的12V电压。

在电压监测系统中，系统需要两种电压值，其12V电压给电力载波进行电源供电，5V电压值给PL3106和液晶LCD进行供电，在充分考虑系统电流要求，系统选用LM2596进行稳压，如图1（b）所示。

1.2 电力载波接收模块

当上位系统需要对电压监测仪进行远程控制时，系统通过电力载波将上位机数据传输到电压监测仪。由于电力载波需要进行远距离传输，这容易造成信号产生较大的衰减，为了保证系统能够有效的接收到数据，本文独立设计了如图2所示的电路图。该电路接收数据原理如下 [8]：当上位机按位将数据传输到下位机时，系统利用L2和电容C9组成的谐振电路进行数据提取，再由C13将谐振频率的数据信号耦合到PL3106芯片中。为了保证电压监测系统的可靠性，系统采用上TVSI进行保护，从而避免了过压对PL3106芯片造成损坏。图2中的电容C9、C12 和电感L2并联谐振电路，由于电容大小具有一定的误差大小，为了保证系统选频的准确性，系统通过小电容C12进行补偿，本系统选频为f=120K，电容电感大小依据频率计算公式：计算可得。

为了保证系统的接收电路的可靠性，系统需要对接收电路的谐振模块进行测试。当电力载波接收到数据信号时，其波形如图3所示。在经过电感和电容组成的谐振电路后，系统对120KHz信号进行提取，再由电容耦合到PL3106芯片中，谐振输出波形如图4所示。

1.3 AD转换模块

电压采样模块的好坏决定了电压监测系统测量精度。由于电网电压值为高压电源，为了便于系统的测量，系统需要对高压电源进行降压处理，在对降压后的系统进行电压采样，为了保证电压监测系统的精度，系统设计了如图5所示的电压采样电路，系统先经过电流互感器进行降压处理，再对输出电压采样。为了降低系统的噪声，系统通过RC进行滤波处理。将处理过的电压信号输出到CS5460A电压采样芯片中。

为采集单相双向电压信号，系统采用CS5460A进行数据采集，该芯片内置SPI串口总线接口，当电压信号采集完后，通过SPI串行总线接口进行数据通信，该芯片的脉冲输出频率与有功能量成正比且具有高速电能计算功能。CS5460A电路图如图6所示。

1.4 时钟模块

对于电压监测系统而言，系统需要对每5分钟进行电压采样。然而时间的准确性对整套系统而言具有至关重要的作用，为了保证系统时钟精度，本课题采用PCF8563T时钟芯片，其原理如下：当系统电源正常时，系统5V电源对PCF8563T进行供电。但电压监监测系统时刻可能断电，同时PCF8563T芯片没有内置独立电源，为了保证系统时钟的准确性，系统需要对外接可充电电池，当系统断电时，时钟PFC8563T电源由外接电池进行供电，从而保证了系统在断电情况下能够保证时钟芯片可以正常工作。其电路图如图7所示。

1.5 掉电保护电路设计

掉电保护是指在电源不明原因的情况下突然中断时，系统保证能够运用其他备用电源或者数据保护机制，并且在主要电源恢复通电正常后数据保证没有丢失的一种保护方法。其核心目的是系统能在电力出现故障或者跳闸的状况下保证传输数据的稳定性和完整性。由于电压监测仪启动时需要设定相关参数，为了保证系统在断电后，系统能够正常启动，系统需要设计掉电保护功能，当系统电源断电后，系统需要将重要的一些参数进行存储，从而保证下次能够正常启动。本文中掉电保护电路如图8所示。当系统电源正常时，光耦输出50Hz的脉冲方波信号给外部中断。当系统电源断电后，光耦停止输出，从而电压监测系统可以断定系统电源断电，当主程序运行到掉电保护标志后，系统执行相应的掉电保护程序。

2 实验结果及对比分析

为了检测本论文中相关模块的有效设计，本课题专门独立设计了一款基于电力载波的远程电压监控系统，并对相关的硬件电路和软件程序进行测试多次有效的实验，

本文将电力载波的远程电压监测系统测试进行测试，实验结果记录如表1所示。

为了测试远程电压监测系统的可靠性，系统将电压监测系统安装到不同的网点上，对电力载波数据传输进行测试，并对实验结果进行记录分析，电力载波传输距离如表2所示。实验数据表明，本系统能够满足电网公司对电压监测系统的各项指标。

3结论

本次文章所涉及到的电压监控系统中，分别从电源模块，电力载波接收模块，AD转换模块时钟模块，掉电保护电路设计进行的分析与探讨，综上所述：通过对电压监测系统相关的设计优化有效提高了输配线上电压传送效率，大大降低了能源损耗，在智能电网以及电力系统中具有较高的借鉴作用和应用价值。

参考文献

[1]王思彤，袁瑞铭，孙志杰.低压电力载波技术及其在抄表系统中的应用[J].电测与表，2008，45（507）;31.

[2]王乐陶.低压电力线载波集中抄表集中器的设计与应用[J].黑龙江科技信息.2014（24）.

[3]郝张红，直接序列扩频通信系统中的时变干扰抑制关键技术研究[D].电子科技大学，2013

[4]朱艳华，田行军，李夏青.基于PL3105的病房呼叫系统设计[J].北京石油化工学院学报，2009，17（2），40.