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【摘要】针对农村电网配电线路网架复杂，容易受频率特性、阻抗特性、噪声特性等造成的监控困难的事实，可利用电力载波通信，其具有成本低、速率高和方便快捷等优点，因此用其优点设计了农村电网稳定性远程监控系统[1]。该系统以STM32F103X为核心处理器，利用KQ-130F+电力载波模块建了一种基于KQ-130F+的电力载波通信协议。该系统可实现上位机与下位机的数据传输，与传统设计的智能监控器相比，该系统在性能、结构及功耗方面有很大改善和提高，更适用于农村电力线网络自动化改造系统。
【关键词】电力载波;农村电网;通信协议
近几年我国农村用电量大幅度增加，因农村用电设备的配套和使用管理不够合理，造成农村电网功率因数低和电压质量低，引起功率损耗和电能损耗增加。针对此现象采用SVG?技术对农村电网系统进行改进，自动补偿电网系统所需无功功率，对电网无功功率实现动态无功补偿，提高农村电网的功率因数和电网供电质量。
基于ARM Cortex-M3架构的STM32F103X系列微处理器作为硬件平台，实现电力参数的自动采集、状态监测、报警控制等功能，完成对电网的全面检测，实时控制。有效的避免并预防事故的发生。
电力线载波通信PLC具有组网简单、成本低廉、可操作性强的优点，广泛应用于电力网自动化改造系统中.。
本文通过KQ-130F+电力载波模块和STM32F103X单片机构成系统针对农村电网SVG无功补偿，实现在线监测，并介绍了该系统的软、硬件设计。
1.总体设计方案
本系统采用上位机系统和下位机系统，农村低压供电线路作为通信媒介，构成一个完整的在线监测系统，系统框图如图1所示。上位机系统包含PC计算机、控制单片机、载波通信模块，作用是接收下位机系统传输的数据信息以及对下位机系统发送控制指令。下位机系统包含载波通信模块、数据采集单片机、电流互感器、电流变送器、电压互感器、电压变送器等.其中数据采集单片机包括模拟量与开关量的采集同时又包括：接收通过载波数据通讯模块发来的控制命令;控制数据采集模块完成数据采集，并将采集的数据按照规定的格式及要求发给载波数据通讯模块，由载波数据通讯模块将数据调制到低压供电网络。
经过载波通讯模块解调的信息被上位机系统中的控制单片机接收，通过RS-232总线传给PC计算机，由PC计算机通过相应的处理.这里的载波数据通讯模块采用四川科强电子技术有限公司的KQ-130F+高速/过零兼容型载波通信模块，通讯波特率设计为9600bps[2]。
图1 农村电网SVG无功补偿远程监测系统结构
2.系统硬件电路设计
2.1 下位机系统的硬件结构
下位机系统的主要功能是完成农村电网中SVG连接点处电压与电流模拟量与开关量的数据采集，并将采集到的数据通过电力网传到上位机，系统连接图如图2所示。
由图2可知，单片机STM32F103ZE最高工作频率可达到72MHz，具有512K可编程Flash存储器、64K SRAM、3个12位ADC、5个全双工串行口等.由于系统中载波数据通讯模块采用串口通讯的工作方式，单片机的PA9/TXD和PA10/RXD端口与载波模块的RXD和TXD端口对应连接。为了保证误码率为0，串口通讯设置为9600 bps波特率，单片机采用8MHz的石英晶振。电力数据采集信号的模拟量都为高电压信号和大电流，数据采集前必须将其调整电压信号使其满足STM32F103ZE ADC，然后由模数转换器转化为数字量。各相电流信号经过电流互感器和电流变送器变为小电流信号，各相电压信号则通过电压互感器和电压变送器变换为低电压信号，输入到STM32的ADC模拟输入通道，其幅值范围为0～3.3V。而开关量的采集可以直接配置STM32F103ZE的I/O口为开关量输入，并且通用的I/O可以配置到16个外部中断线上。开关量输入电路如图3所示。开关量信号由IN端口输入，电容C与电阻R构成一阶低通滤波器滤除高频噪声，减小信号的毛刺，采用光耦合器TLP521实现现场开关量与STM32间的电气隔离，提高电绝缘和抗干扰能力[3]。
图2 数据采集系统电路图
图3 开关量输入电路图
2.2 上位机系统的硬件结构
在上位机系统中，为了节省成本，并使电路简单。载波通讯模块、控制单片机采用与下位机系统同样的芯片。STM32F103ZE作为主核心芯片，主要工作分为两个部分：一是在接收到上位计算机PC发来的控制命令后，通过载波通讯模块完成向数据采集模块发送控制命令;二是完成与数据采集模块的数据传送工作，将下位机采集的数据传送到上位PC计算机。
3.系统软件的设计及通信方法
3.1 系统软件的设计
本系统的设计采用Realview MDK为开发平台。应用程序包括主程序，数据采集及处理程序，串行通信程序等。主程序主要提供系统时钟、GPIO口、嵌套中断的配置及定时器、ADC和串行通讯模块的初始化[4]。
数据采集及处理程序，通过T2定时器每隔6ms触发一次ADC注入组同步转换，转换结束将进入中断服务程序，然后读取转换结果进行数据处理，计算出电压、电流有效值。其中，电压有效值计算式如图4所示。
式中：U为电压有效值，n为每周期采样点数，Uk为第k点采样电压值[5]。
电流有效值计算式为：
式中：I为电流有效值，n为每周期采样点数，ik为电流采样值。
3.2 控制单片机与下位机数据采集点的通讯流程
当上位机系统中的控制单片机向下位机的数据采集单片机发出采集数据命令，数据采集单片机接收到命令以后，根据采集数据的需求发送信息数据，同时等待主通讯单片机的应答信号。在定时模式下数据采集模块接收上位机发出控制命令的中断程序流程如图4所示。 图4 通信流程图
3.3 系统的通讯协议
本传输协议采用三种帧结构：数据帧、指令帧、ACK帧[6]。其中数据帧和指令帧用于文件传输，为了简化协议复杂度数据帧与指令帧统一归为信息帧，如图5所示。按KQ-130F+通讯模块的通讯要求第一个字节为要传送一帧的字节数0-250（不含第一个字节），所以信息帧中的计数位占用一个字节;起始位占2个字节;源地址及目标地址各占3个字节;标志位用来区别数据信息和指令信息以及信息的类别，信息的类别分为电压、电流，共占1个字节;信息位为数据信息或指令信息，占8个字节;校检码用来防止信息出错，这里采用循环冗余校验码（CRC）检方式，占2个字节;结束码统一采用0xA5，占1个字节，整个信息帧共21个字节，168位。
图5 信息帧格式
另一种为ACK帧用于判断信息是否正常接收。格式如图5所示。ACK帧格式中计数位、起始位、源地址、目标地址、标志位、结束位的格式与信息格式相同，标志码为0xF0，占1个字节。无信息字和效检位，共11个字节，88位。
图6 ACK帧格式
4.结束语
基于ARM和电力载波结合的农村电网SVG无功补偿在线监测系统是一个通过将现场采集电压信号以低压供电线路为媒介进行数据远距离通讯方式进行检测的系统。此系统采用ST公司的ARM芯片STM32F103ZE为核心，该芯片包含丰富的功能模块，无需外扩芯片即可实现A/D转换、数据通信等功能，简化了硬件设计，节省投资，有效的利用方便、低成本、高可靠性、简单易建立的电力网络。本文设计了电网电力数据采集模块电路和与上位计算机PC通讯的主通讯电路，根据通讯的特点设计了相应的通讯协议及算法，为农村电网稳定性远程控制提供了一种可行方案。
参考文献
[1]李世芳.电力载波在农村电网控制系统中的应用[J].2010，31（3）：24-26.
[2]高云.电力载波通信技术在温室数据采集系统上的应用[J].2009，10.
[3]邱建斌，王劭伯.电力载波通信的电源监视系统设计[J].福州大学学报：自然科学版，2007，35（2）：312-314.
[4]张旭.基于STM32电力数据采集系统的设计[J].电子测量技术，2010（11）：90-93.
[5]刘冰.基于单片机的RTU三相交流采样技术[J].中国电力，2006，39（10）：88-90.
[6]GUNGOR V C，LAMBERT F C.A survey on communication networks for electric system automation[J].Computer Networks，2006，50（7）：877-897.
【关键词】电力载波;农村电网;通信协议
近几年我国农村用电量大幅度增加，因农村用电设备的配套和使用管理不够合理，造成农村电网功率因数低和电压质量低，引起功率损耗和电能损耗增加。针对此现象采用SVG?技术对农村电网系统进行改进，自动补偿电网系统所需无功功率，对电网无功功率实现动态无功补偿，提高农村电网的功率因数和电网供电质量。
基于ARM Cortex-M3架构的STM32F103X系列微处理器作为硬件平台，实现电力参数的自动采集、状态监测、报警控制等功能，完成对电网的全面检测，实时控制。有效的避免并预防事故的发生。
电力线载波通信PLC具有组网简单、成本低廉、可操作性强的优点，广泛应用于电力网自动化改造系统中.。
本文通过KQ-130F+电力载波模块和STM32F103X单片机构成系统针对农村电网SVG无功补偿，实现在线监测，并介绍了该系统的软、硬件设计。
1.总体设计方案
本系统采用上位机系统和下位机系统，农村低压供电线路作为通信媒介，构成一个完整的在线监测系统，系统框图如图1所示。上位机系统包含PC计算机、控制单片机、载波通信模块，作用是接收下位机系统传输的数据信息以及对下位机系统发送控制指令。下位机系统包含载波通信模块、数据采集单片机、电流互感器、电流变送器、电压互感器、电压变送器等.其中数据采集单片机包括模拟量与开关量的采集同时又包括：接收通过载波数据通讯模块发来的控制命令;控制数据采集模块完成数据采集，并将采集的数据按照规定的格式及要求发给载波数据通讯模块，由载波数据通讯模块将数据调制到低压供电网络。
经过载波通讯模块解调的信息被上位机系统中的控制单片机接收，通过RS-232总线传给PC计算机，由PC计算机通过相应的处理.这里的载波数据通讯模块采用四川科强电子技术有限公司的KQ-130F+高速/过零兼容型载波通信模块，通讯波特率设计为9600bps[2]。
图1 农村电网SVG无功补偿远程监测系统结构
2.系统硬件电路设计
2.1 下位机系统的硬件结构
下位机系统的主要功能是完成农村电网中SVG连接点处电压与电流模拟量与开关量的数据采集，并将采集到的数据通过电力网传到上位机，系统连接图如图2所示。
由图2可知，单片机STM32F103ZE最高工作频率可达到72MHz，具有512K可编程Flash存储器、64K SRAM、3个12位ADC、5个全双工串行口等.由于系统中载波数据通讯模块采用串口通讯的工作方式，单片机的PA9/TXD和PA10/RXD端口与载波模块的RXD和TXD端口对应连接。为了保证误码率为0，串口通讯设置为9600 bps波特率，单片机采用8MHz的石英晶振。电力数据采集信号的模拟量都为高电压信号和大电流，数据采集前必须将其调整电压信号使其满足STM32F103ZE ADC，然后由模数转换器转化为数字量。各相电流信号经过电流互感器和电流变送器变为小电流信号，各相电压信号则通过电压互感器和电压变送器变换为低电压信号，输入到STM32的ADC模拟输入通道，其幅值范围为0～3.3V。而开关量的采集可以直接配置STM32F103ZE的I/O口为开关量输入，并且通用的I/O可以配置到16个外部中断线上。开关量输入电路如图3所示。开关量信号由IN端口输入，电容C与电阻R构成一阶低通滤波器滤除高频噪声，减小信号的毛刺，采用光耦合器TLP521实现现场开关量与STM32间的电气隔离，提高电绝缘和抗干扰能力[3]。
图2 数据采集系统电路图
图3 开关量输入电路图
2.2 上位机系统的硬件结构
在上位机系统中，为了节省成本，并使电路简单。载波通讯模块、控制单片机采用与下位机系统同样的芯片。STM32F103ZE作为主核心芯片，主要工作分为两个部分：一是在接收到上位计算机PC发来的控制命令后，通过载波通讯模块完成向数据采集模块发送控制命令;二是完成与数据采集模块的数据传送工作，将下位机采集的数据传送到上位PC计算机。
3.系统软件的设计及通信方法
3.1 系统软件的设计
本系统的设计采用Realview MDK为开发平台。应用程序包括主程序，数据采集及处理程序，串行通信程序等。主程序主要提供系统时钟、GPIO口、嵌套中断的配置及定时器、ADC和串行通讯模块的初始化[4]。
数据采集及处理程序，通过T2定时器每隔6ms触发一次ADC注入组同步转换，转换结束将进入中断服务程序，然后读取转换结果进行数据处理，计算出电压、电流有效值。其中，电压有效值计算式如图4所示。
式中：U为电压有效值，n为每周期采样点数，Uk为第k点采样电压值[5]。
电流有效值计算式为：
式中：I为电流有效值，n为每周期采样点数，ik为电流采样值。
3.2 控制单片机与下位机数据采集点的通讯流程
当上位机系统中的控制单片机向下位机的数据采集单片机发出采集数据命令，数据采集单片机接收到命令以后，根据采集数据的需求发送信息数据，同时等待主通讯单片机的应答信号。在定时模式下数据采集模块接收上位机发出控制命令的中断程序流程如图4所示。 图4 通信流程图
3.3 系统的通讯协议
本传输协议采用三种帧结构：数据帧、指令帧、ACK帧[6]。其中数据帧和指令帧用于文件传输，为了简化协议复杂度数据帧与指令帧统一归为信息帧，如图5所示。按KQ-130F+通讯模块的通讯要求第一个字节为要传送一帧的字节数0-250（不含第一个字节），所以信息帧中的计数位占用一个字节;起始位占2个字节;源地址及目标地址各占3个字节;标志位用来区别数据信息和指令信息以及信息的类别，信息的类别分为电压、电流，共占1个字节;信息位为数据信息或指令信息，占8个字节;校检码用来防止信息出错，这里采用循环冗余校验码（CRC）检方式，占2个字节;结束码统一采用0xA5，占1个字节，整个信息帧共21个字节，168位。
图5 信息帧格式
另一种为ACK帧用于判断信息是否正常接收。格式如图5所示。ACK帧格式中计数位、起始位、源地址、目标地址、标志位、结束位的格式与信息格式相同，标志码为0xF0，占1个字节。无信息字和效检位，共11个字节，88位。
图6 ACK帧格式
4.结束语
基于ARM和电力载波结合的农村电网SVG无功补偿在线监测系统是一个通过将现场采集电压信号以低压供电线路为媒介进行数据远距离通讯方式进行检测的系统。此系统采用ST公司的ARM芯片STM32F103ZE为核心，该芯片包含丰富的功能模块，无需外扩芯片即可实现A/D转换、数据通信等功能，简化了硬件设计，节省投资，有效的利用方便、低成本、高可靠性、简单易建立的电力网络。本文设计了电网电力数据采集模块电路和与上位计算机PC通讯的主通讯电路，根据通讯的特点设计了相应的通讯协议及算法，为农村电网稳定性远程控制提供了一种可行方案。
参考文献
[1]李世芳.电力载波在农村电网控制系统中的应用[J].2010，31（3）：24-26.
[2]高云.电力载波通信技术在温室数据采集系统上的应用[J].2009，10.
[3]邱建斌，王劭伯.电力载波通信的电源监视系统设计[J].福州大学学报：自然科学版，2007，35（2）：312-314.
[4]张旭.基于STM32电力数据采集系统的设计[J].电子测量技术，2010（11）：90-93.
[5]刘冰.基于单片机的RTU三相交流采样技术[J].中国电力，2006，39（10）：88-90.
[6]GUNGOR V C，LAMBERT F C.A survey on communication networks for electric system automation[J].Computer Networks，2006，50（7）：877-897.